集裝箱橋吊NetCMAS 系統(tǒng)技術應用分析

(深圳赤灣港口發(fā)展有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

隨著集裝箱運輸船舶的大型化發(fā)展，集裝箱橋吊機型尺寸大型化，工作速度參數(shù)高值化，作為集裝箱碼頭的核心設備，橋吊長時間在重載荷、高沖擊環(huán)境下工作，如何有效地對其進行在線監(jiān)測、控制、評估與報警，越來越受到港口設備管理部門的重視。

NetCMAS[Crane Monitoring anc Assessment System (including network and infrastructure)]是基于TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議的起重機械實時工作狀態(tài)的在線監(jiān)測、控制、評估與報警的系統(tǒng)，由上海海事大學研發(fā)，獲得由德國TUV NORD頒發(fā)的國內(nèi)首張《歐盟工業(yè)控制系統(tǒng)安全等級合規(guī)認證書》，達到工業(yè)4.0生產(chǎn)基礎設施級別企業(yè)管理的標準要求。目前該系統(tǒng)在上海、寧波、海南、深圳等集裝箱碼頭橋吊上已投入使用，使用效果良好。

1 NetCMAS系統(tǒng)3種典型配置

為了滿足港口設備管理部門對集裝箱橋吊在線監(jiān)測、控制、評估與報警的不同需求，一般可以選擇 NetCMAS系統(tǒng)以下3種典型配置，應用在集裝箱橋吊上。

1.1 NetCMAS(Ⅰ)型——基本配置型

建立現(xiàn)場CPS系統(tǒng)(信息物理系統(tǒng))，針對監(jiān)測問題，實施相適應的傳感系統(tǒng)的布置、信號的可靠傳輸和采集、信號調(diào)理和分析，以及狀態(tài)參數(shù)的評價和通信(與CMS系統(tǒng))等。

1.2 NetCMAS(Ⅱ)型——遠程服務型

在完成基本配置NetCMAS(Ⅰ)的基礎上，擴展為具有遠程監(jiān)測、控制和數(shù)據(jù)管理的能力，并提供專家分析報告等。

1.3 NetCMAS(Ⅲ)型——云端服務型

在完成遠程服務能力NetCMAS(Ⅱ)的基礎上，擴展為具有工業(yè)大數(shù)據(jù)的智能分析平臺，并通過APP設備提供云端服務，如現(xiàn)場實時健康評估、健康分析報告與維修策略、性能狀態(tài)的趨勢分析等。

2 NetCMAS(Ⅰ)型系統(tǒng)的主要技術指標

2.1 NetCMAS 傳感系統(tǒng)的主要技術指標

1)金屬結構布置14個測點位置，配置11個振動傳感器、6點應變傳感單元。其中，應變測點沿最大主應力方向粘貼。振動和應變傳感:連接導線采用4芯屏蔽線，在每個測點附近(<0.5 m)應安裝接線盒。傳感器和應變傳感單元的測點布置圖如圖1所示。

圖1 金屬結構振動傳感器和應變傳感單元的測點布置圖

2)起升機構布置9個測點位置(測點布置見圖2)，配置11個振動傳感器、4個溫度傳感器。其中齒輪箱有3個振動傳感器、2個溫度傳感單元；2套起升電機各有2個振動傳感器和1個溫度傳感單元； 高速制動器2個振動傳感器、2個溫度傳感單元；低速軸制動器2個振動傳感器。其中，振動和溫度測點要盡量安置在軸承支撐座上，振動和溫度傳感器連接導線均采用4芯屏蔽線。

圖2 起升機構的振動與溫度傳感器測點布置圖

3)小車牽引機構布置3個測點位置(測點布置見圖3)，配置5個振動傳感器、1個溫度傳感器。其中齒輪箱2個、電機2個、制動器1個。其中，振動測點要盡量安置在軸承支撐座上，振動傳感器連接導線采用4芯屏蔽線。

圖3 小車牽引機構的振動傳感器測點布置

4)俯仰機構布置4個測點位置(測點布置見圖4)，配置6個振動傳感器、1個溫度傳感器。其中齒輪箱2個振動傳感器、電機2個振動傳感器、高速制動器1個振動傳感器、1個溫度傳感單元；低速制動器1個振動傳感器。其中，振動測點要盡量安置在軸承支撐座上，振動傳感器連接導線采用4芯屏蔽線。

5)大車運行機構布置8個測點位置，配置8個振動傳感器。其中，海側選擇4個主動輪電機各裝1個振動傳感器，陸側選擇4個主動輪電機各裝1個振動傳感器。其中，振動測點要盡量安置在軸承支撐座上，振動傳感器連接導線采用船用4芯雙屏蔽線。

6)振動傳感器采用穩(wěn)定性好的進口工業(yè)傳感器，傳感單元采用電流方式輸出振動信號至信號調(diào)理/采集裝置。

7)信號線鋪設和信號線接頭要求具有良好的抗干擾和防潮能力，盡量避免日曬雨淋，并且線路具有良好的可維護性。

8)按照NetCMAS系統(tǒng)信號線的布線工藝要求對所有通道信號線進行敷設。

9)信號調(diào)理/采集裝置具有供電、信號調(diào)理(電流環(huán)與電壓轉換、抗混濾波和放大等功能)和AD轉換功能，能提供標準信號，具有64路信號同時采樣的能力，信號采樣速率能達到信號分析的要求。

2.2 NetCMAS主機站的主要技術指標與性能要求

1)NetCMAS系統(tǒng)獨立配置機柜(600×600×2 000)，并安裝在電氣控制室內(nèi)。機柜內(nèi)包括工控機、傳感測點布位及狀態(tài)自檢顯示模塊、傳感系統(tǒng)的接入端口和采集調(diào)理裝置等。

2)采集裝置與計算機的連接采用PCI接口方式，虛擬儀器具有32-64路同時信號監(jiān)測與分析的功能。

3)確定監(jiān)測工況、調(diào)零位置，提供測點布置圖，確定并建立狀態(tài)評估標準，提供新機器工作載荷譜的樣本。

4)NetCMAS主機站按照監(jiān)測要求對所要求被檢測對象的傳感點進行振動、應變、溫度、噪聲等動態(tài)信號實時采集、信號調(diào)理和狀態(tài)的基本分析計算，提取并保存狀態(tài)參數(shù)。主要技術指標如下：

實時評價速度：平均不超過10 s完成所有狀態(tài)的評價和存儲，并可把狀態(tài)評估結果發(fā)送到遠程服務器或云端APP進行實時顯示，該功能必須要部分配置NetCMAS(II)型才能實現(xiàn)。

標準的采樣：評價標準參照現(xiàn)有的ISO或國家或行業(yè)標準，提供狀態(tài)評價與預警。

實時網(wǎng)絡通信：具有狀態(tài)參數(shù)的局域網(wǎng)通信功能，數(shù)據(jù)包可實時發(fā)送到網(wǎng)上，供上位機的CMS系統(tǒng)進行實時的狀態(tài)數(shù)據(jù)和評價結果的顯示。

黑匣子功能：能按評價級別的設置要求，實時打開黑匣子，提供預警狀態(tài)下的原始信號的實時存儲，供故障診斷和機器動態(tài)性能特征分析用。

載荷譜管理功能：具有狀態(tài)參數(shù)與評估級別的實時可分類顯示、存儲和管理功能，以及當日歷史狀態(tài)的回放功能。

信息查詢功能：傳感測點的布置、傳感參數(shù)的定義等圖文信息查詢，便于用戶現(xiàn)場對數(shù)據(jù)的閱讀理解。

5)系統(tǒng)軟件提供中文方式的虛擬儀器面板，并實現(xiàn)常規(guī)動態(tài)信號處理分析儀器的功能，具有常用的信號分析功能，如時域分析功能、功率譜分析功能、無量剛參數(shù)估計功能、積分功能和各類信號濾波功能等，同時具有對波形曲線和譜圖的讀圖和可編格式打印的功能，等等。所以，NetCMAS系統(tǒng)也是一臺通用的高性能多通道信號采集處理分析系統(tǒng)，為黑匣子記錄的原始動態(tài)信號提供故障診斷或動態(tài)性能分析的手段和方法。

3 NetCMAS(Ⅱ)型系統(tǒng)的主要技術指標和性能要求

在NetCMAS(Ⅰ)型的基礎上，NetCMAS(Ⅱ)型擴展和增加的主要技術指標與性能要求如下。

1)NetCMAS主機站擴展功能具有實時采集與分析任務能實現(xiàn)遠程被控，具有多任務遠程切換控制能力。多任務可擴充到：臺風等災害天氣下的結構應力監(jiān)測與損傷評估；結構動態(tài)剛度的監(jiān)測分析等。

2)遠程監(jiān)評采用TCP/IP協(xié)議，通過碼頭光纖技術實現(xiàn)網(wǎng)絡通信，碼頭如果沒有網(wǎng)絡，則要求從NetCMAS主機站的控制柜鋪設一條網(wǎng)線至后大梁尾部端梁處。

3)遠程站服務平臺具有遠程控制測試任務、實時顯示工作狀態(tài)及其歷史變化趨勢，以及設備狀態(tài)的進一步分析和管理功能，具體有：

從主機站實時發(fā)送數(shù)據(jù)到遠程站，提供遠程監(jiān)控評價功能。

建立海量載荷譜(工業(yè)大數(shù)據(jù))的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

提供單機相對評價標準。

以此相對標準，提供2年的岸橋健康狀態(tài)的分析報告。

報告提供維修保養(yǎng)建議。

4 NetCMAS(Ⅲ)型系統(tǒng)的主要技術指標和性能要求

在NetCMAS(Ⅱ)型的基礎上，NetCMAS(Ⅲ)型擴展和增加的主要技術指標與性能要求如下。

1)提供監(jiān)控對象的性能可靠性、健康狀態(tài)的趨勢分析等，并提高相應的分析報告和維修保養(yǎng)策略。

2)通過瀏覽器(或iPad或手機等)，實時監(jiān)視設備的實時狀態(tài)變化、趨勢分析、可靠性分析等報告。

5 NetCMAS(Ⅰ)系統(tǒng)軟硬件

NetCMAS(I)系統(tǒng)軟硬件包含：溫度傳感單元、應變傳感單元、ICP振動傳感單元、電容式振動傳感單元、噪聲傳感單元、主機控制柜、信號采集調(diào)理裝置、工控機系統(tǒng)(主機)、不間斷電源、實時監(jiān)評軟件模塊(Host)、CMS數(shù)據(jù)通信軟件、相對標準分析與生成、系統(tǒng)現(xiàn)場安裝與調(diào)試、接線盒、管路、4芯屏蔽信號線等。

6 NetCMAS(Ⅱ)系統(tǒng)軟硬件

NetCMAS(Ⅱ)系統(tǒng)軟硬件包含NetCMAS(Ⅰ)之外，另外增加遠程端工作站、無線通信裝置、遠程總控與狀態(tài)實時監(jiān)測評估模塊(Remote)、載荷譜分析、相對標準生成與數(shù)據(jù)庫管理平臺等。

7 NetCMAS(Ⅲ)系統(tǒng)軟硬件

NetCMAS(Ⅲ)系統(tǒng)軟硬件包含NetCMAS(I)、NetCMAS(Ⅱ)之外，另外增加工業(yè)大數(shù)據(jù)分析平臺、云桌面APP服務平臺等。