大型起重機分布式安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的設(shè)計*

徐　夢，凌張偉，夏珺芳，王黎明，蔡偉勇

(浙江省特種設(shè)備檢驗研究院，浙江杭州310020)

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大型起重機分布式安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的設(shè)計*

徐夢，凌張偉，夏珺芳，王黎明，蔡偉勇

(浙江省特種設(shè)備檢驗研究院，浙江杭州310020)

針對大型起重機已有安全監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀，采用低成本、高性能的ARM-Linux嵌入式開發(fā)技術(shù)和分布式無線傳感器組網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計了一套大型起重機分布式安全監(jiān)控管理系統(tǒng)，可快捷、低成本地實現(xiàn)對大型起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)的改造，以滿足GB/T28264-2012的有關(guān)監(jiān)控管理要求。所設(shè)計的系統(tǒng)通過安全監(jiān)控儀讀取原有的PLC監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)并無線接入風(fēng)速儀等數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)起重機實時運行數(shù)據(jù)的監(jiān)控、記錄和歷史回放；實時監(jiān)測起重機工況和分析，快速危險報警。設(shè)計的新系統(tǒng)具有低成本、快速組網(wǎng)改造的特點，在某船廠600T龍門吊中得到應(yīng)用。

ARM-Linux大型起重機分布式安全監(jiān)控系統(tǒng)改造

起重機是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的工程機械。起重機在起吊和搬運重物時存在很多的危險因素，事故時有發(fā)生。近幾年起重機的事故率一直居高不下，導(dǎo)致人員傷亡的絕對數(shù)字高居八大類特種設(shè)備之首[1-2]。國家對大型起重機的安全監(jiān)控系統(tǒng)也提出了多項標準和管理要求[3]。但是目前已有的通用起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)還難以滿足國家要求，特別是對于大型起重機自帶的或早期安裝的安全監(jiān)控系統(tǒng)需要進行改造與升級。本系統(tǒng)就是在兼容原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)國家標準和規(guī)范，對600 T龍門吊進行了低成本的改造升級。

1　監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和模型

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)的目標是針對目前起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀及國家標準的相關(guān)要求，在不更改原有控制系統(tǒng)程序的基礎(chǔ)上，增加監(jiān)控模塊，讀取原有監(jiān)控數(shù)據(jù)，進行老舊系統(tǒng)整合，以實現(xiàn)最低成本、高性能的改造與升級。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本系統(tǒng)不修改原系統(tǒng)的PLC程序代碼，根據(jù)已有的PLC源碼和電氣圖紙分析大車行程、大車糾偏、高度、重量、小車行程、操作指令等數(shù)據(jù)地址。通過MODBUS-TCP協(xié)議，新裝安全監(jiān)控儀與CP343-1 LEAN的以太網(wǎng)接口來獲取原PLC數(shù)據(jù)。根據(jù)標準要求及綜合企業(yè)的生產(chǎn)安全需求，需要監(jiān)控的內(nèi)容如圖2所示。

圖2　監(jiān)控系統(tǒng)模型圖

信息采集單元主要讀取包括重量、角度、高度、位移及風(fēng)速等傳感器信號，并將采集的信號進行A/D轉(zhuǎn)換后，傳輸?shù)叫畔⑻幚砟K[4-5]。信息經(jīng)過系列的處理后，可以實時傳輸給監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)起重機械設(shè)備的全方面監(jiān)控。

2　系統(tǒng)設(shè)計

該系統(tǒng)由傳感器、無線采集盒、監(jiān)控記錄儀、控制器等組成，根據(jù)GB/T 28264-2012《起重機械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》所要求的有關(guān)內(nèi)容進行布點設(shè)置，特別是兼容采用已有監(jiān)控系統(tǒng)中存在的傳感器信號來設(shè)計新的傳感器布置方案。根據(jù)現(xiàn)場實際環(huán)境，在老系統(tǒng)原有的基礎(chǔ)上，通過分布式無線方式布置加裝傳感器，基于嵌入式開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)，以低成本高性能實現(xiàn)中央控制器[6]。系統(tǒng)框架如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)設(shè)計框架圖

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是綜合傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、分布式信息技術(shù)及無線通信技術(shù)的新型網(wǎng)絡(luò)[7]。它可以實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)各種監(jiān)控信息，并通過嵌入式系統(tǒng)進行信息處理，最后傳送到終端用戶[8]。該系統(tǒng)采用分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對各個傳感器進行組網(wǎng)。

其中，起重量、風(fēng)速、水平度通過AI信號采集盒采集模擬信號。起升高度和大、小車行程通過SSI信號采集盒采集絕對值編碼器輸出的SSI信號。DI開關(guān)量信號采集盒采集門限位、機構(gòu)間聯(lián)鎖、制動器狀態(tài)、操作指令(例：小車1提升、小車1剎車、小車1放降)等無源觸點信號?；贏RM的嵌入式監(jiān)控儀安裝在駕駛室，監(jiān)控管理系統(tǒng)軟件則是在基于LINUX操作系統(tǒng)平臺下進行開發(fā)。實現(xiàn)了監(jiān)控數(shù)據(jù)的圖形顯示、數(shù)據(jù)存儲、查詢與分析、以及聲光報警等功能。

3　功能實現(xiàn)

圖4　系統(tǒng)運行界面

該系統(tǒng)主要功能模塊包括系統(tǒng)設(shè)置、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)處理、輔助功能這四大模塊。如圖4為系統(tǒng)界面圖。

用戶管理模塊，主要實現(xiàn)了兩級權(quán)限管理，管理人員和操作人員，擁有密碼修改，賬戶管理等功能。

參數(shù)設(shè)置模塊，主要實現(xiàn)了設(shè)備信息查看，可現(xiàn)場選取多個監(jiān)控對象，可簡單方便地設(shè)定控制條件，并生成參數(shù)報表，可方便地標定現(xiàn)場設(shè)備。

數(shù)據(jù)處理模塊，主要實現(xiàn)了主、副起升重量、高度等重要參數(shù)的實時存儲；能繪制某一批次的載荷譜，能查詢主、副起升的循環(huán)次數(shù)、超載次數(shù)、限位次數(shù)和超過某一噸位的循環(huán)次數(shù)；并且提供數(shù)據(jù)庫手動和定期備份功能，防止數(shù)據(jù)的意外丟失?？梢詫崟r監(jiān)測環(huán)境參數(shù)和起重機運行參數(shù)，并進行相應(yīng)的控制以保證起重機工作于安全狀態(tài)。

輔助模塊，主要實現(xiàn)了用戶修改控制條件和設(shè)備標定時會自動生成修改日志，便于用戶查詢。

圖5　安全監(jiān)控儀現(xiàn)場圖

系統(tǒng)在某船廠600 T龍門吊安全監(jiān)控系統(tǒng)改造升級中得到應(yīng)用，圖5為監(jiān)控儀實際安裝圖。

4　結(jié)束語

安全監(jiān)控對于大型起重機的安全運行具有十分重要的意義。本系統(tǒng)可快速對原起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)進行快速改造升級，滿足有關(guān)安全管理要求。采用ARM-Linux設(shè)計具有功能強大、系統(tǒng)穩(wěn)定的特點，采用無線分布式組網(wǎng)，可快速對風(fēng)速儀、限位器等傳感信息組網(wǎng)通訊，便于現(xiàn)場安裝。本系統(tǒng)在船廠龍門吊中成功應(yīng)用，對大型起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)改造升級具有良好借鑒作用。

[1]Yu Y, Zhao Z L, Chen L. Research and design of tower crane condition monitoring andfault diagnosis system[C]//2010 International Conference on Artificial Intelligence and Computation Intelligence. IEEE,2010:405-408.

[2]高金花.安全監(jiān)控管理系統(tǒng)在門式起重機中推廣探討[J].機械研究與應(yīng)用，2014，27(2):117-119.

[3]黃國健，劉金，李鋈春，等.廣州造船龍門起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)檢驗情況[J].中國特種設(shè)備安全，2014，30(11):44-48.

[4]計三有，張偉健，仇艷麗.基于ARM-Linux的門座起重機作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].工程機械，2013，44(6):6-12.

[5]林衛(wèi)國.造船門式起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)[J].港口裝卸，2013(3)：26-28.

[6]于浩，李捍東.基于ARM/Linux的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點設(shè)計[J].現(xiàn)代機械，2014(4)：38-40.

[7]習(xí)琨.基于ZigBee的簡單無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與實現(xiàn)[D].南開大學(xué)，2008.

[8]潘健華.大型船廠造船門式起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)研究與開發(fā)[J].機電工程，2014,31(1):72-75.

Design of the distributed safety monitoring system for large-scale cranes

XU Meng, LING Zhangwei, XIA Junfang, WANG Liming, CAI Weiyong

Considering the present situation of crane safety monitoring system, we adopted the high-performance, lowcost ARM-Linux embedded development technology and the distributed wireless sensor network technology, and designed a distributed safety monitoring system for large-scale cranes, which could improve the old safety monitoring system quickly and at low cost. The new system meets the demand of GB/T 28264-2012. The new system reads the original PLC records through a new safety monitor, and accesses the anemometer wirelessly to get the data. It realizes the monitoring, recording and playback of the operation data of the crane, the analysis of the conditions of the carne, and rapid alarm. The new system is lowcost and fast to improve, and has been successfully applied to the 600T gantry crane in a shipyard.

ARM-Linux，large-scale crane，distributed，safety monitoring system，improvement

TP277

B

1002-6886(2016)04-0091-03

國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局科技計劃項目(2015QK091)。

徐夢(1990-)，女，本科，浙江省特種設(shè)備檢驗研究院，從事電梯、起重機等特種設(shè)備檢驗與評估。

2016-01-15