基于系統(tǒng)工程的橋式起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)研究

馬志鵬，何彥軍，蔣林峰，張文文

(1.山西省高端重型裝備智能制造重點科技創(chuàng)新平臺，山西 太原 030000；2.太原重工股份有限公司 技術(shù)中心，山西 太原 030000；3.廣西鋼鐵集團有限公司 煉鋼廠，廣西 防城港 538000；4.太原重工股份有限公司 鍛造分公司，山西 太原 030000)

0 引言

橋式起重機(以下簡稱橋機)是一種橫架在倉庫、車間等上方的高架軌道上進(jìn)行物料運輸?shù)钠鹬卦O(shè)備，大車沿著鋪設(shè)在高架兩側(cè)的軌道上縱向運行，小車沿著起重機本體橋架上的軌道橫向運行，使重物在三維空間實現(xiàn)平移、起升和下降等操作[1]。隨著橋機大型化、無人化、智能化的迅速發(fā)展，對橋機的可靠性、安全性的要求越來越高，尤其是安全性關(guān)乎設(shè)備和人身安全。

對于企業(yè)而言，橋機的第一要務(wù)是在保證絕對安全的情況下各機構(gòu)正常運轉(zhuǎn)，從而保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行。目前普遍的橋機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)僅僅對一些故障記錄做了顯示，當(dāng)發(fā)生故障時，依靠安全監(jiān)控管理系統(tǒng)很難迅速找到原因，及時恢復(fù)機構(gòu)動作，只能依賴于維保人員的判斷分析能力。橋機普遍缺乏故障的事前預(yù)警，故障時會造成停機停產(chǎn)，直接關(guān)系到企業(yè)生產(chǎn)的安全和效益。因此研究橋式起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)具有重要的意義。

系統(tǒng)工程是從系統(tǒng)觀念出發(fā)，以最優(yōu)化方法求得系統(tǒng)整體的最優(yōu)的綜合化的組織、管理、技術(shù)和方法的總稱[2]。為了更好地設(shè)計出一套安全監(jiān)控系統(tǒng)，本文采用系統(tǒng)工程的方法，使監(jiān)控系統(tǒng)的整體與局部之間的關(guān)系協(xié)調(diào)和相互配合，實現(xiàn)總體的最優(yōu)運行。

1 橋式起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 28264—2017《起重機械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》[3]規(guī)定了橋機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)應(yīng)具有的基本功能，本文立足于橋機國家標(biāo)準(zhǔn)，以廣西鋼鐵380/100t-21.5m鑄造起重機為例，從電氣調(diào)試、生產(chǎn)實際、維護(hù)管理、智能聯(lián)網(wǎng)等方面做了研究。

廣西鋼鐵380/100t-21.5m鑄造起重機以S7-400H冗余PLC為控制核心，采用共久調(diào)壓裝置和西門子變頻的設(shè)計方案，主、副起升采用調(diào)壓裝置，轉(zhuǎn)子接觸器采用無觸點接觸器。大車、主小車、副小車機構(gòu)采用變頻的方案來控制，主小車為副小車備用。其安全監(jiān)控系統(tǒng)為一套Wincc監(jiān)控系統(tǒng)，通過讀取S7-400H PLC中專用于監(jiān)控塊中的數(shù)據(jù)來實現(xiàn)監(jiān)控橋機安全運行的目的。

本文在廣西鋼鐵鑄造起重機的基礎(chǔ)上，提出了橋式起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)的整體架構(gòu)，分為數(shù)據(jù)采集層、單機監(jiān)控層和遠(yuǎn)程監(jiān)控層，如圖1所示。

圖1 橋式起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)的整體架構(gòu)

2 數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求，對橋機各機構(gòu)的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)等進(jìn)行采集[4-5]。視頻數(shù)據(jù)采集的方案比較成熟，由若干個攝像頭采集視頻，并存入硬盤錄像機進(jìn)行一定時間的保存，以便能夠覆蓋橋機完整的工作行程，并能清晰準(zhǔn)確地記錄所吊物體的吊點狀態(tài)。

數(shù)據(jù)采集層的核心在于對大車、小車、起升等機構(gòu)的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，包括運行限位、連鎖保護(hù)信號、安全制動器、調(diào)壓裝置、變頻器、起升高度、起升重量、運行行程等數(shù)據(jù)。這就涉及到數(shù)據(jù)采集層通過橋機PLC控制單元來讀取部分?jǐn)?shù)據(jù)，有兩種方案：方案一是橋機PLC控制單元既作為控制中心，同時又作為采集層，向單機監(jiān)控層傳輸數(shù)據(jù)；方案二是采集層采用單獨的監(jiān)控單元，僅從PLC控制單元讀取必要的數(shù)據(jù)，涉及外圍的監(jiān)控用編碼器、傳感器等全部進(jìn)入單獨的監(jiān)控單元。本文采用方案二。

采用多指標(biāo)綜合評價的方法，以監(jiān)控系統(tǒng)的硬件成本投入、軟件成本投入、維護(hù)成本投入、可靠性、兼容性、擴展性等指標(biāo)作為評價指標(biāo)，并給每個指標(biāo)分配一個權(quán)重，最后計算出一個綜合的評價指標(biāo)值[6]。

在現(xiàn)場經(jīng)常遇到外圍監(jiān)控設(shè)備直接掛在PLC控制單元通訊下，隨著橋機的頻繁性使用、拖纜的拉拽等，極易因為外圍設(shè)備通訊的中斷而引起PLC控制單元的通訊網(wǎng)絡(luò)異常，影響橋機的正常使用，給生產(chǎn)造成不必要的損失。采用方案二，PLC控制單元只需要承擔(dān)控制任務(wù)，采集層監(jiān)控單元承擔(dān)監(jiān)控任務(wù)，既減少了PLC控制單元的負(fù)荷率，并且采集層可以實現(xiàn)更復(fù)雜的數(shù)據(jù)運算。

3 單機監(jiān)控層

單機監(jiān)控層對數(shù)據(jù)采集層采集的橋機運行狀態(tài)數(shù)據(jù)實時在線顯示(包括重要參數(shù)的數(shù)值顯示和趨勢圖顯示)，記錄并保存系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控層。

單機監(jiān)控層為系統(tǒng)的軟件核心，應(yīng)具有實時數(shù)據(jù)監(jiān)控、歷史記錄查詢、設(shè)備管理維護(hù)等功能[7]。這些監(jiān)控數(shù)據(jù)在單機監(jiān)控系統(tǒng)和司機室的觸摸屏進(jìn)行顯示。此外，為了便于遠(yuǎn)程維護(hù)管理，在單機監(jiān)控層安裝遠(yuǎn)程協(xié)助系統(tǒng)，尤其是隨著設(shè)備使用年限的增加，各個機構(gòu)的電機、變頻器等性能會有一定程度的變化，相應(yīng)的控制參數(shù)也需要跟著調(diào)整。通過連接遠(yuǎn)程協(xié)助系統(tǒng)，可以查看到更詳細(xì)的本地信息，必要時可對PLC控制單元和變頻器參數(shù)做一定程度的調(diào)整和完善。單機監(jiān)控層功能框圖如圖2所示。

圖2 橋機單機監(jiān)控層功能框圖

3.1 實時數(shù)據(jù)監(jiān)控

實時數(shù)據(jù)包括各機構(gòu)的運行參數(shù)(電壓、電流、有功功率等)、司機室的操作主令、限位信號、起升高度、大小車運行行程、超載限制器信號、視頻信號、故障信息等數(shù)據(jù)，如圖3所示。

3.2 歷史記錄查詢

對重要的參數(shù)數(shù)據(jù)既要數(shù)值顯示，又要有曲線表格等的顯示，并能進(jìn)行歷史回溯。當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時，通過歷史記錄查詢能快速找出故障的原因。

3.3 設(shè)備管理維護(hù)

作為單機監(jiān)控單元，重點在于能及時地提供故障位置和故障信息，并根據(jù)設(shè)備的使用情況對有可能出現(xiàn)的故障的設(shè)備進(jìn)行故障預(yù)警。實現(xiàn)這些的前提是要建立完善的系統(tǒng)故障庫，將故障按照機構(gòu)、類型等分門別類，例如分為總進(jìn)線電壓過高、過低、三相不平衡；機構(gòu)運行零位條件不滿足(顯示哪個條件不滿足，提醒操作人員正常操作)；裝置或者變頻器故障；人為操作失誤等。

圖3 橋機實時數(shù)據(jù)監(jiān)控界面

本文對總進(jìn)線的電壓、電流，各機構(gòu)的斷路器狀態(tài)、接觸器狀態(tài)，設(shè)備的輸入輸出電壓電流功率、故障代碼等進(jìn)行程序監(jiān)控。為了避免電壓波動等可能引起的狀態(tài)異常，進(jìn)行了一定時間的濾波。對總進(jìn)線電壓、設(shè)備輸出電壓進(jìn)行監(jiān)控，比較三相電壓之間的相差幅度，一旦出現(xiàn)了相差幅度較大或者與基準(zhǔn)值相差過大，進(jìn)行提醒，確保設(shè)備的絕對安全。統(tǒng)計各機構(gòu)斷路器、接觸器的開合次數(shù)，若超過其正常使用次數(shù)，則提醒設(shè)備維護(hù)者進(jìn)行事前的更換。對設(shè)備的故障代碼進(jìn)行及時的保存，便于后期分析原因，減少故障的發(fā)生。

4 遠(yuǎn)程監(jiān)控層

為了實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，需要將單機監(jiān)控層的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控層。本文采用4G DTU、4G物聯(lián)網(wǎng)卡、物聯(lián)網(wǎng)平臺的方式。4G DTU是4G物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸單元，可以將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)通過無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送。4G物聯(lián)網(wǎng)卡插在4G DTU卡槽內(nèi)，可以為無線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸提供數(shù)據(jù)流量，完成數(shù)據(jù)從4G DTU到物聯(lián)網(wǎng)平臺的傳送。在物聯(lián)網(wǎng)平臺上，對傳輸?shù)降臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用大數(shù)據(jù)分析的方法，橫向縱向比較數(shù)據(jù)差異，為更好地做出事前預(yù)警提供依據(jù)，實現(xiàn)設(shè)備全生命周期的管理。

5 結(jié)語

本文提出了基于系統(tǒng)工程的橋式起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)，采用系統(tǒng)工程的方法，從系統(tǒng)的整體架構(gòu)開始，分別對數(shù)據(jù)采集層、單機監(jiān)控層和遠(yuǎn)程監(jiān)控層的功能和實現(xiàn)方法進(jìn)行了研究。在數(shù)據(jù)采集層的方案選擇上，一直貫穿著系統(tǒng)工程的思想和方法。該系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對橋機的單機監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控，并且還可以擴展到其他的監(jiān)控系統(tǒng)上。