起重設(shè)備遠(yuǎn)程在線監(jiān)控及安全管理系統(tǒng)的研制

李 駿

中鐵二十四局集團(tuán)貴溪橋梁廠有限公司 江西 貴溪 335400

1 項(xiàng)目研究的意義和目的

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)與各大行業(yè)的蓬勃發(fā)展，針對起重機(jī)械的技術(shù)需求也不斷提高，安全性、穩(wěn)定性、高效率已成為它的主要發(fā)展目標(biāo)。

據(jù)國家特種設(shè)備安全監(jiān)察局統(tǒng)計(jì)，2014年我國起重機(jī)發(fā)生的安全事故共計(jì)44起，其中違章作業(yè)或操作不當(dāng)導(dǎo)致的事故35起，設(shè)備質(zhì)量安全隱患導(dǎo)致的事故9起；在冶金、機(jī)電、鐵路、港口、建筑等生產(chǎn)部門，在各類設(shè)備事故中起重機(jī)發(fā)生的事故高達(dá)25%左右。八成的故障是因?yàn)檫`規(guī)操作和監(jiān)管不善造成的。

當(dāng)前起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)多為本地監(jiān)控，僅有國標(biāo)強(qiáng)制規(guī)定的一些要求，對部分?jǐn)?shù)據(jù)的狀態(tài)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)少量的報(bào)警功能以及歷史數(shù)據(jù)的復(fù)現(xiàn)，且不能對設(shè)備進(jìn)行有效管理，僅是被動的監(jiān)控，不能滿足企業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的需求。因而，研制出一種自動化程度極高的起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，能夠跟蹤監(jiān)測并存儲信息，借助無線傳輸計(jì)算機(jī)技術(shù)完成對起重機(jī)所有指標(biāo)的監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控與可視化監(jiān)視，同時(shí)引入設(shè)備管理概念，將監(jiān)控和管理良好地結(jié)合在一起，具有智能分析與預(yù)警控制、故障診斷等一系列管理功能，是企業(yè)監(jiān)管部門、工地管理人員以及起重機(jī)操作人員共同的愿望。

鑒于此，針對我公司的實(shí)際需求，開發(fā)了起重設(shè)備遠(yuǎn)程在線監(jiān)控及安全管理系統(tǒng)。本課題主要研究內(nèi)容如下：

1）起重設(shè)備遠(yuǎn)程在線安全監(jiān)控及管理系統(tǒng)的規(guī)劃、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)搭建、云服務(wù)平臺的研發(fā)。

2）起重設(shè)備監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集、無線傳輸、與系統(tǒng)平臺的對接。

3）起重設(shè)備監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及視頻，利用互聯(lián)網(wǎng)，在遠(yuǎn)程系統(tǒng)平臺呈現(xiàn)的功能實(shí)現(xiàn)。

4）實(shí)時(shí)監(jiān)控和設(shè)備管理在系統(tǒng)平臺的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多地區(qū)、多機(jī)型的集中監(jiān)控及管理。

5）起重設(shè)備重要安全監(jiān)控信息的采集分析。

6）通過軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起重設(shè)備管理流程化、標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化，設(shè)備維修、管理責(zé)任人監(jiān)管到位。

2 系統(tǒng)組織架構(gòu)、原理及實(shí)現(xiàn)方案

起重設(shè)備遠(yuǎn)程在線監(jiān)控及安全管理系統(tǒng)由系統(tǒng)電源、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺、本地監(jiān)控平臺、視頻監(jiān)控等組成（圖1），整體分為以下3個(gè)部分：數(shù)據(jù)采集、中間層數(shù)據(jù)處理和傳輸、頂層數(shù)據(jù)平臺數(shù)據(jù)顯示及管理[1-2]。

1）數(shù)據(jù)采集：通過對設(shè)備安全狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)的研究分析，在原有傳感器的基礎(chǔ)上，增加必要的安全監(jiān)控、數(shù)據(jù)監(jiān)控傳感器，通過監(jiān)控機(jī)及PLC對設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的、系統(tǒng)性的采集。

2）數(shù)據(jù)處理和傳輸：在本地監(jiān)控機(jī)上，對所有采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，根據(jù)起重機(jī)的運(yùn)行參數(shù)、安全參數(shù)評估及設(shè)備性能參數(shù)的系統(tǒng)邏輯分析及運(yùn)算，通過無線方式將處理后的數(shù)據(jù)上傳到系統(tǒng)服務(wù)器，包括視頻的傳輸。

3）系統(tǒng)平臺：將由監(jiān)控機(jī)上傳到服務(wù)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行平臺展示，同時(shí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，代表性的數(shù)據(jù)形成多種形式的趨勢曲線。平臺還增加了管理功能，對設(shè)備的點(diǎn)檢、維修、改造等都做了系統(tǒng)的流程處理，也對預(yù)警、報(bào)警、操作人員等進(jìn)行記錄存儲。

圖1 系統(tǒng)組織架構(gòu)

3 主要技術(shù)內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)

本系統(tǒng)主要是針對起重機(jī)的特點(diǎn)而開發(fā)完成，系統(tǒng)基于BS架構(gòu)，無需插件，用戶采用瀏覽器進(jìn)行操作，支持手機(jī)、平板電腦、PC機(jī)進(jìn)行訪問?；贖5和Ajax的Web框架應(yīng)用平臺，達(dá)到網(wǎng)頁界面無刷的效果。利用Web瀏覽器可以實(shí)時(shí)查看起重機(jī)現(xiàn)場的工作狀況，及時(shí)了解現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、報(bào)警信息、歷史記錄、視頻在線監(jiān)控、視頻歷史回放、遠(yuǎn)程故障診斷等。

本項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)在于將Wi-Fi數(shù)據(jù)以Modbus通信的方式引入起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和機(jī)器視覺技術(shù)實(shí)現(xiàn)起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、預(yù)警報(bào)警、故障診斷、設(shè)備點(diǎn)檢、維修改造、統(tǒng)計(jì)分析、遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。為管理人員提供科學(xué)有效的管理方法和處理事故所需的數(shù)據(jù)，提高起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控信息化水平，有效減少施工傷亡事故的發(fā)生。

由系統(tǒng)平臺和硬件終端產(chǎn)品組成的起重設(shè)備遠(yuǎn)程在線監(jiān)控及安全管理系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)信息采集、信息處理、網(wǎng)絡(luò)傳輸、分析記錄、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)以及遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。

主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)有：

1）關(guān)鍵特殊項(xiàng)點(diǎn)的監(jiān)測，即如何實(shí)時(shí)監(jiān)測工作級別、液位法測主梁下?lián)隙群蛙壍栏卟?、下滑量檢測、歪拉斜吊檢測等技術(shù)。

2）獨(dú)有的設(shè)備管理系統(tǒng)，包括設(shè)備信息管理、工作流程、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)顯示、預(yù)警、報(bào)警、設(shè)備點(diǎn)檢、潤滑保養(yǎng)、設(shè)備改造、參數(shù)設(shè)置、故障診斷、數(shù)據(jù)報(bào)表、工作日志、指紋采集識別等功能。

3.1 整機(jī)工作級別的監(jiān)測

通過采集起重機(jī)的工作起止時(shí)間、循環(huán)次數(shù)、起重量等相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)，根據(jù)GB 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》，利用推導(dǎo)算法，編程由軟件計(jì)算起重機(jī)整機(jī)的工作級別。

3.2 下滑量檢測

下滑量是指相應(yīng)起升機(jī)構(gòu)由下降變?yōu)椴僮髁阄坏乃查g開始在3 s內(nèi)相應(yīng)高度的變動值。下滑量值過大將直接影響現(xiàn)場工作的安全。

目前下滑量測量的方法主要有以下幾種：目測、采用行程開關(guān)控制的檢測方法、采用光控繼電器取代行程開關(guān)檢測、基于單片機(jī)的智能測量等。

以上這些方法需要特定的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電路控制作輔助設(shè)施，其機(jī)械部分及電路控制部分安裝較繁瑣，僅適用于起重機(jī)的生產(chǎn)廠家在其出廠時(shí)檢測其性能，或者需要在特定環(huán)境下對制動下滑量進(jìn)行檢測的場合，而不適用于起重機(jī)在生產(chǎn)現(xiàn)場安裝后檢驗(yàn)人員對其的安全檢測。

為完美解決下滑量的檢測問題，本系統(tǒng)通過安裝在卷揚(yáng)機(jī)上的編碼器，根據(jù)特定算法計(jì)算解決。下滑量檢測的目的是看下滑量的發(fā)展趨勢，根據(jù)趨勢圖及時(shí)采取相應(yīng)措施，將可能發(fā)生的事故消除在萌芽狀態(tài)。

3.3 液位法測主梁下?lián)隙群蛙壍栏卟?/h3>

預(yù)制梁場采用的提梁起重機(jī)額定起重量大，使用年限長，存在銹蝕的情況，安全風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)峻?？紤]到門吊鋼主梁在交變應(yīng)力下，易發(fā)生疲勞，許用應(yīng)力降低，主梁剛度能否滿足使用要求，檢測主梁下?lián)隙染惋@得尤為重要，并根據(jù)檢測數(shù)據(jù)趨勢預(yù)判設(shè)備的壽命或采取相應(yīng)措施。同時(shí)在安裝時(shí)軌道不平整以及后續(xù)的沉降也給設(shè)備安全帶來了隱患，監(jiān)測軌道高差并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)采取相應(yīng)的措施也是一個(gè)關(guān)鍵項(xiàng)點(diǎn)。

為此，我們研發(fā)了液位傳感器（圖2）用于起重機(jī)下?lián)隙群蛙壍赖谋O(jiān)測，分別設(shè)置在端部、中部，根據(jù)液位差計(jì)算撓度與軌道傾斜。

該裝置的優(yōu)點(diǎn)是有效可靠、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、維護(hù)方便。

3.4 歪拉斜吊檢測

起重機(jī)歪拉斜吊易產(chǎn)生橫向分力，起吊中引發(fā)猛烈搖擺，導(dǎo)致鋼絲繩纏繞滑出，加劇鋼絲繩、卷筒及滑輪的磨損，使大、小車機(jī)電設(shè)備嚴(yán)重過載，這些非常容易引發(fā)安全事故。因此需限制歪拉斜吊。目前國內(nèi)通用的做法是分別安裝旁壓式起重量限制器和斜吊限制器，或者是特制的傾角傳感器。本系統(tǒng)采用一種新型的起重量斜吊一體化限制器（圖3），包括旁壓式拉力傳感器、U形卡、雙軸傾角傳感器模塊、報(bào)警裝置等，設(shè)置于控制儀表內(nèi)。

起重量斜吊一體化限制器通過U形卡安裝在起重機(jī)的鋼絲繩末端（或平衡滑輪處的鋼絲繩），安裝時(shí)應(yīng)將傾角傳感器的y軸向（或x軸向）平行于起重機(jī)的卷筒軸。

當(dāng)起重量達(dá)到額定起重量的90%時(shí)，觸發(fā)報(bào)警裝置預(yù)警，起重機(jī)仍可起升和下降；當(dāng)起重量達(dá)到起重機(jī)額定起重量的105%時(shí)，控制儀表發(fā)出報(bào)警，起升控制斷電，起重機(jī)只能下降不能起升。

限制起重機(jī)在使用中歪拉斜吊，控制3個(gè)角度：與卷筒截面的斜角αx，與卷筒鉛垂法面的斜角αy，總斜角α。任一個(gè)達(dá)到相應(yīng)的預(yù)警閥值時(shí)（本系統(tǒng)設(shè)置為5°），將觸發(fā)報(bào)警裝置發(fā)出預(yù)警，起重機(jī)仍可操作；當(dāng)歪拉斜吊的角度達(dá)到8°時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警，起重機(jī)的起升控制斷電，起重機(jī)只能下降不能起升，起重機(jī)的小車和大車只能向減小總斜角α的方向動作。

3.5 系統(tǒng)的主要管理功能

系統(tǒng)平臺通過對設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的在線監(jiān)控（包含視頻），增加了設(shè)備管理功能，主要功能模塊有：預(yù)警、報(bào)警、設(shè)備體檢、設(shè)備點(diǎn)檢、維修改造、操作人員指紋身份識別等，實(shí)時(shí)記錄并儲存對應(yīng)的管理數(shù)據(jù)，并生成相關(guān)報(bào)告，為提高設(shè)備管理提供有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

管理人員通過互聯(lián)網(wǎng)，無論身處何處都能掌握設(shè)備的運(yùn)行情況，也能實(shí)時(shí)了解設(shè)備的故障情況、事件的處理進(jìn)度及設(shè)備的工作效率等。

4 效益分析

起重設(shè)備遠(yuǎn)程在線監(jiān)控和安全管理系統(tǒng)的應(yīng)用，強(qiáng)化了起重機(jī)的安全管理，降低了安全事故率。為設(shè)備及安全管理部門監(jiān)察起重機(jī)這一特種設(shè)備，提供了監(jiān)察平臺。不同層級管理人員通過本系統(tǒng)可以有效監(jiān)察、管理起重機(jī)，如起重機(jī)年審、操作人員持證上崗、設(shè)備遷移、起重機(jī)安全狀態(tài)監(jiān)控等。給起重機(jī)操作增加了一道保護(hù)屏障，能夠快速地掌握設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行的狀況，有效地排查出設(shè)備的安全隱患，使因操作失誤而造成安全事故的情況得到規(guī)避。同時(shí)給設(shè)備管理人員遠(yuǎn)程管理提供了一個(gè)平臺，預(yù)警、報(bào)警郵件、短信推送功能可以使設(shè)備管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的故障、隱患，給設(shè)備管理工作提供了堅(jiān)實(shí)的保障，具有良好的市場推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。

隨著起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)的投入，使用單位對設(shè)備的安全管理也有了明顯的針對性，對于人工現(xiàn)場檢查的頻率降低了，但是監(jiān)管效果得到了提高。同時(shí)通過安全監(jiān)控系統(tǒng)的投入使用，減少了使用單位的現(xiàn)場監(jiān)管人員，降低了設(shè)備維護(hù)人工成本，同時(shí)降低了安全檢查頻次。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)是基于Web的起重機(jī)的本地監(jiān)控與遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)平臺，經(jīng)過現(xiàn)場測試，各項(xiàng)參數(shù)的采樣頻率和測量精度均滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，工作數(shù)據(jù)采集顯示準(zhǔn)確可靠。能通過Wi-Fi連接互聯(lián)網(wǎng)，上傳起重機(jī)工作數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)工作數(shù)據(jù)的Web顯示，為管理者對起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的評估和事故的判定提供有力的數(shù)據(jù)支持。該系統(tǒng)具有良好的市場推廣價(jià)值和應(yīng)用前景[3-4]。