履帶起重機多參數(shù)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)

丁克勤，鄭惠澤，趙 禹，趙利強

(1.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100029；2.北京化工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029；3.北京中檢希望科技有限公司，北京 100029)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，不斷擴大的生產(chǎn)規(guī)模與不斷提高的生產(chǎn)效率對起重裝備提出了更高的要求。起重設(shè)備不僅要容易操作、容易維修，更要具有低能耗、高可靠性與高安全性[1]。履帶起重機作為起重設(shè)備中極其重要的一類起重機，以其接地比壓小，機動靈活、起重能力強、可帶負載移動、轉(zhuǎn)彎半徑小等一系列優(yōu)點被廣泛應(yīng)用在石油化工、水利水電、市政建設(shè)與橋梁建設(shè)等多種領(lǐng)域內(nèi)[2]。

履帶起重機不斷向大型化、高參數(shù)化、全球化的方向發(fā)展，這對履帶起重機的運維安全提出了更高的要求[3]。但是目前我國的不少履帶起重機仍停留在定期停檢、人工判斷的階段，不僅影響經(jīng)濟效益，而且履帶起重機的安全狀況完全憑借檢驗人員的經(jīng)驗判斷，缺乏客觀數(shù)據(jù)支持，難免會有部分誤差，導(dǎo)致生產(chǎn)安全受到影響[4-8]。此外，履帶起重機發(fā)生故障時，由于缺乏數(shù)據(jù)記錄裝置，對于設(shè)備維護及故障分析缺乏足夠的數(shù)據(jù)支撐，難以通過對數(shù)據(jù)的分析總結(jié)出發(fā)生故障的原因，為以后的設(shè)備操作與維護提供經(jīng)驗。

對于履帶起重機的安全監(jiān)測已經(jīng)有了一些研究。劉國權(quán)和陳健[9]利用PLC作為控制核心，使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)進行傳輸監(jiān)測吊鉤狀態(tài)，并進行安全預(yù)警。徐格寧和李鵬[10]建立了起升機構(gòu)綜合評價模型，基于3標度層次分析法得到起升機構(gòu)安全狀態(tài)的綜合評價。此外，有許多研究工作者從履帶起重機的臂架[11-13]、起升幅度[14]、鋼絲繩彈性[15]、應(yīng)力、回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)[16]等方面對履帶起重機進行設(shè)計或建模分析，以提高履帶起重機的安全狀態(tài)。然而上述的安全監(jiān)測往往只針對履帶起重機的某一處位置，數(shù)據(jù)記錄只能記錄單一位置的數(shù)據(jù)，不能夠得到起重機整體的運行數(shù)據(jù)。而后續(xù)需要對起重機的故障數(shù)據(jù)進行分析從而得到起重機故障的原因，從而提高起重機的可靠性與安全性[17-20]，其分析依賴的不只是單一的數(shù)據(jù)。因此需要一種能夠采集并存儲履帶起重機多種參數(shù)的采集系統(tǒng)。

因此，本文提出一種履帶起重機多參數(shù)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)。系統(tǒng)由硬件設(shè)計與軟件監(jiān)控兩部分組成。首先對硬件進行設(shè)計，其次優(yōu)化程序設(shè)計結(jié)構(gòu)，提出模塊化并行的程序設(shè)計思路，采集并存儲了履帶起重機的多參數(shù)數(shù)據(jù)。

1 履帶起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)硬件部分由傳感器、信號采集模塊、工控機等組成。系統(tǒng)硬件全部選用能夠適應(yīng)履帶起重機工作環(huán)境的專用硬件，其優(yōu)點在于能夠克服履帶起重機工作環(huán)境中由于低溫、高粉塵、強振動，電源不穩(wěn)定等造成的硬件損傷與擾動，減少故障的發(fā)生，從而保證安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

1.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)

履帶起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)主要負責(zé)對履帶起重機的全部參數(shù)進行實時采集與存儲，因此硬件設(shè)計方面要考慮到不同參數(shù)的采集方式并選取合適的采集架構(gòu)進行參數(shù)采集。

硬件采集系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。采集系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換層、數(shù)據(jù)處理層以及輔助層四部分構(gòu)成。其中數(shù)據(jù)采集層主要由負責(zé)采集不同參數(shù)的傳感器構(gòu)成，通過傳感器采集的數(shù)據(jù)包括電信號、物理信號等多種形式的數(shù)據(jù)，因此需要通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換層將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成工控機能夠理解的數(shù)據(jù)形式。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換層主要由可編程邏輯控制器(PLC)，AD轉(zhuǎn)換模塊等構(gòu)成。數(shù)據(jù)處理層獲取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)并對其進行存儲、顯示以及報警。輔助層用來提供硬件抗干擾與不間斷電源(UPS)等多種硬件輔助手段。

圖1 硬件系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)

1.2 硬件采集方案

系統(tǒng)硬件主要采集量包括風(fēng)速、操作指令、起重量、起升高度、水平度、回轉(zhuǎn)角度、大臂角度、聲光報警、啟動/停止、主鉤上升限位、副鉤上升限位、防后傾限位等。具體采集方案如表1所示。

表1 硬件采集方案

如表1所示，硬件采集傳感器選取具有工業(yè)標準協(xié)議的傳感器進行數(shù)據(jù)的采集。選取姿態(tài)傳感器器進行操作指令等數(shù)據(jù)的采集，當位置變化時，姿態(tài)傳感器能夠感受到位置變化并通過Modbus TCP/RTU協(xié)議返回當前所處的角度，通過軟件計算得到當前操作指令狀態(tài)，包括俯仰、提升回轉(zhuǎn)、行駛等。選取絕對值編碼器安裝在起升卷揚位置，編碼器通過RS232/485協(xié)議返回其變化圈數(shù)，其可變值得范圍共有4 096圈，每圈有4 096個值，根據(jù)其返回值可計算得到卷筒的轉(zhuǎn)數(shù)與放出鋼絲繩的長度，結(jié)合主臂長度與大臂角度進行綜合計算可得到起升高度。在起重機臂架頂端加裝風(fēng)速儀測量風(fēng)速，為保證風(fēng)速儀始終向上，在底部加裝重錘，風(fēng)速儀得到4～20 mA的電流信號值，對應(yīng)量程為0～30 m/s，并將之送往PLC進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。同時PLC將開關(guān)量進行轉(zhuǎn)換，同時上傳到工控機進行數(shù)據(jù)存儲與顯示。通過工業(yè)攝像機或旁壓式稱重傳感器對起重量進行機器視覺的圖像識別或電流信號采集，得到的值再進一步通過轉(zhuǎn)換模塊進行轉(zhuǎn)換，最終上傳到工控機進行數(shù)據(jù)的存儲及顯示。

此外，為保證履帶起重機的安全運行，本設(shè)計方案安裝了聲光報警器用于起重報警、高度報警以及防后傾限位報警等，報警邏輯通過軟件進行設(shè)計。同時在硬件設(shè)計方案中設(shè)計了UPS電源用于數(shù)據(jù)的不間斷采集，以保證采集數(shù)據(jù)的完整性。

2 履帶起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)軟件系統(tǒng)設(shè)計

履帶起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)軟件主要負責(zé)與底層的數(shù)據(jù)源進行通信，獲取數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行處理以存儲、顯示、報警。同時軟件還具有工況選擇、歷史數(shù)據(jù)回放、數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能。

2.1 軟件設(shè)計架構(gòu)

2.1.1 軟件架構(gòu)

安全監(jiān)控管理系統(tǒng)軟件主要由輸入輸出層、界面交互層以及模塊化并行層三部分組成。其中輸入輸出層主要負責(zé)軟件與外部文件或設(shè)備的輸入輸出，界面交互層主要負責(zé)人機交互界面的事件處理，模塊化并行層主要負責(zé)多模塊軟件底層邏輯的運行，如圖2所示。

圖2 軟件整體架構(gòu)

界面交互層作為軟件與外部環(huán)境交互的橋梁，承擔(dān)著整體軟件的功能展示與邏輯實現(xiàn)功能。因此，軟件主要采用狀態(tài)機進行整體軟件架構(gòu)，并輔之以隊列結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)了界面交互層與模塊化并行任務(wù)層、輸入輸出層之間的發(fā)布-訂閱機制，滿足了事件處理、邏輯實現(xiàn)、狀態(tài)輸出對于穩(wěn)定性、快速性的要求。

2.1.2 基于狀態(tài)機與隊列的任務(wù)發(fā)布-訂閱機制

狀態(tài)機不是指一臺實際的機器，而是一個數(shù)學(xué)模型?；跔顟B(tài)機的編程一般是對已知狀態(tài)進行編程，因此又稱為有限狀態(tài)機。狀態(tài)機包含4大要素：狀態(tài)、事件、動作、轉(zhuǎn)換。狀態(tài)是指程序運行時的不同運行規(guī)則，例如程序打開與關(guān)閉可視為兩種不同的狀態(tài)。事件是指觸發(fā)某些操作所需要的觸發(fā)條件或指令。動作是指事件被觸發(fā)后所執(zhí)行的操作與動作。轉(zhuǎn)換是指狀態(tài)機從一個狀態(tài)變換到另一個狀態(tài)的過程。

如圖3所示，本質(zhì)上來講，狀態(tài)機是一個順序執(zhí)行，中斷插入的過程，狀態(tài)機依次執(zhí)行所需狀態(tài)，當事件發(fā)生時，觸發(fā)動作執(zhí)行相應(yīng)操作，適當時插入已知狀態(tài)，中斷程序并執(zhí)行已知狀態(tài)，執(zhí)行完成后再依次執(zhí)行其他狀態(tài)。

圖3 狀態(tài)機執(zhí)行過程

隊列是一個特殊的線性表，特殊之處在于隊列的入棧出棧遵循的規(guī)則不再是后進先出，而是變成了先進先出，后進后出。隊列元素只能在線性表的前端進行刪除操作，只能在表的后端進行插入操作，因此其操作受到了一定的限制。從而當使用隊列結(jié)構(gòu)時，能夠保證隊列元素完整的執(zhí)行不會丟失，實現(xiàn)發(fā)布-訂閱機制。

系統(tǒng)軟件開發(fā)使用狀態(tài)機進行編程，在界面交互層使用狀態(tài)機首先執(zhí)行“Data: Initialize”、“Config: InitializeSystem”、“UI: Initialize”等多個狀態(tài)，每個狀態(tài)分別對軟件進行初始化配置，通過獲取輸入輸出層的配置文件，從中讀取到所需要的配置參數(shù)，并進行界面所需參數(shù)的配置，同時對UI界面進行優(yōu)化與界面大小配置，優(yōu)化可視化體驗。全部初始化狀態(tài)執(zhí)行完畢后，系統(tǒng)發(fā)布采集程序開始命令，使元素入隊執(zhí)行數(shù)據(jù)采集，接著進入空狀態(tài)等待觸發(fā)事件的發(fā)生以進行隊列元素任務(wù)發(fā)布等操作。

2.1.3 任務(wù)模塊化并行執(zhí)行

多模塊化并行層中全部模塊通過發(fā)布-訂閱機制接收到來自界面交互層發(fā)布到隊列元素中的采集程序開始的命令，數(shù)據(jù)采集模塊開始數(shù)據(jù)采集，通過Modbus TCP/RTU、RS232/485、OPC通訊以及USB工業(yè)攝像頭采集所需數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)處理得到相應(yīng)的數(shù)值。數(shù)據(jù)庫模塊利用所采集到的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫進行交互，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫表執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲并建立數(shù)據(jù)查詢索引。報警模塊利用所得數(shù)據(jù)結(jié)合從參數(shù)配置中讀取的報警限位進行報警狀態(tài)的判斷，并將報警狀態(tài)通過隊列發(fā)布-訂閱機制輸出到數(shù)據(jù)采集模塊，使數(shù)據(jù)采集模塊進行聲光報警的輸出。同時將報警狀態(tài)也通過隊列發(fā)布到數(shù)據(jù)庫模塊并寫入數(shù)據(jù)庫進行報警狀態(tài)的存儲。為避免重復(fù)性寫入數(shù)據(jù)庫造成的數(shù)據(jù)冗余，因此在程序設(shè)計中應(yīng)考慮使用報警狀態(tài)上升沿進行隊列發(fā)布的觸發(fā)條件。此外，臨時任務(wù)模塊主要負責(zé)程序中需要耗時解決的任務(wù)，通過訂閱相應(yīng)隊列任務(wù)，從而獲取到需要執(zhí)行的任務(wù)并進行執(zhí)行。

系統(tǒng)進行模塊化設(shè)計之后，當主界面需要增加某一部分特定功能時，只需要通過預(yù)留模塊接口增加相應(yīng)的模塊并增加其對應(yīng)的發(fā)布-訂閱機制即可，能夠較大的節(jié)省程序開發(fā)的時間。

2.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計方案

為方便數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)檢索，對數(shù)據(jù)庫表進行設(shè)計以保證數(shù)據(jù)存儲與查詢的快速性與穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)庫設(shè)計方案如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計圖

數(shù)據(jù)庫采用標簽信息表與標簽匹配表來對數(shù)據(jù)庫表中的數(shù)據(jù)量進行了定義，以便在建立索引時得到其具體含義。同時建立用戶信息表為軟件登錄提供用戶信息，用戶信息表設(shè)計有用戶名、密碼、用戶權(quán)限、是否登錄4列，主要用來判斷所登錄用戶的權(quán)限所有，根據(jù)所在權(quán)限組通過軟件設(shè)計限制或放開適當功能。

同時設(shè)計有實時表與歷史表各兩個，分別用來存儲實時過程數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)。歷史數(shù)據(jù)表分為實數(shù)類型與布爾類型兩個表，考慮到數(shù)據(jù)采集速率的快速性以及表的大小問題，系統(tǒng)設(shè)計為根據(jù)日期每日建立一個表，并在每日凌晨零點檢查數(shù)據(jù)庫表是否建立并建立最近兩天的歷史數(shù)據(jù)表。實時數(shù)據(jù)表主要提供給軟件界面讀取顯示，因此在數(shù)據(jù)表中只有一條實時數(shù)據(jù)在不斷更新。由此便可避免由于同時讀取與寫入造成的數(shù)據(jù)損傷影響到歷史數(shù)據(jù)的存儲。

2.3 軟件數(shù)據(jù)處理

安全監(jiān)控管理系統(tǒng)需要向操作人員全方位的展示設(shè)備的運行數(shù)據(jù)，然而部分數(shù)據(jù)需要通過計算得到，因此需要通過軟件對采集得到的數(shù)據(jù)加以計算從而得到所需的數(shù)據(jù)。需要加以計算的數(shù)據(jù)包括高度、力矩、工作循環(huán)次數(shù)、累計工作時間等等。

高度計算需要通過采集所得的臂架幅度以及工況配置的臂架長度，結(jié)合編碼器返回值進行計算，則高度計算值為:

(1)

式中，H為吊鉤高度，L為臂架長度，θ為臂架角度，D為編碼器返回數(shù)據(jù)，m為倍率，C為編碼器周長，r為滾筒內(nèi)徑，R為滾筒外徑。在上式中并沒有考慮帶有副臂的情況，若帶有副臂，則主鉤高度計算公式如式(1)所示，副鉤高度計算公式如式(2)所示:

(2)

式中，H2為副鉤吊鉤高度，L1為主臂長度，θ1為主臂角度，L2為副臂長度，θ2為副臂角度，D為編碼器返回數(shù)據(jù)，m為副鉤倍率，C為編碼器周長，r為副鉤滾筒內(nèi)徑，R為副鉤滾筒外徑。

力矩表示的是起重機最大起重載荷量與最小工作幅度之積。起重力矩是起重機保持工作穩(wěn)定的控制值，因此是起重機最重要的參數(shù)之一，其計算公式為:

T=(L1*cosθ1+L2*cosθ2)*W

(3)

式中，T表示力矩大小，L1表示主臂長度，θ1表示主臂角度，L2表示副臂長度，θ2表示副臂角度，W為吊重，當W為主鉤吊重時，T表示主鉤力矩，當W為副鉤吊重時，T則表示副鉤力矩。

此外，工作循環(huán)次數(shù)與累計工作時間表示起重機吊重狀況。工作循環(huán)的判斷通過吊重進行判斷，通過獲得數(shù)據(jù)采集模塊得到的吊重來進行計算，當?shù)踔卮笥? t時，則判斷其進入了工作循環(huán)，當?shù)踔卦俅涡∮? t時，則退出工作循環(huán)。為防止數(shù)據(jù)波動引起的數(shù)據(jù)記錄錯誤，因此設(shè)計延時判斷，每次進入或退出工作循環(huán)前，在連續(xù)3 s內(nèi)進行判斷，若持續(xù)保持該狀態(tài)，才進行工作循環(huán)的進入或退出，每次工作循環(huán)結(jié)束進行工作循環(huán)次數(shù)與時間的累加。

3 履帶起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)應(yīng)用

履帶起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)基于虛擬儀器技術(shù)，在LabVIEW開發(fā)環(huán)境下進行軟件的開發(fā)。LabVIEW編程語言，也被稱為G語言。與其他編程語言相比，LabVIEW獨特的圖形化編程語言具有簡潔直觀的優(yōu)點。同時LabVIEW具有出色的底層數(shù)據(jù)采集與通信能力，對于履帶起重機多參數(shù)的采集具有極大的便利性[21]。此外，得益于LabVIEW天生的多線程并行解決方案，多模塊化并行的軟件設(shè)計思路極易使用LabVIEW實現(xiàn)。

履帶起重機多參數(shù)運行安全監(jiān)控管理系統(tǒng)要對履帶起重機的全部參數(shù)進行實時顯示。以某廠所屬400 T履帶式起重機進行軟件系統(tǒng)的測試與應(yīng)用。如圖5所示，在系統(tǒng)主界面中，主要針對操作人員所關(guān)心的主要參數(shù)進行了顯示，同時在主界面提供了工況選擇按鈕以適應(yīng)履帶起重機的不同工況。

圖5 安全監(jiān)控管理系統(tǒng)主界面圖

如圖6所示，安全監(jiān)控管理系統(tǒng)對特定參數(shù)的范圍進行劃分，并設(shè)置報警限，當主鉤起重量超過200 t或副鉤起重量超過60 t時進行報警，同時設(shè)置主臂幅度上限為81.5°，此外設(shè)置有防后傾限位、主鉤上升限位、副鉤上升限位等多個限位報警開關(guān)，當達到報警限時，系統(tǒng)控制輸出到聲光報警器進行聲光報警。

圖6 安全監(jiān)控管理系統(tǒng)報警界面

軟件對歷史數(shù)據(jù)做了合理的查詢與統(tǒng)計優(yōu)化，用戶可按照日期與時間進行整體數(shù)據(jù)的查詢，并將得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)出到報表中供后續(xù)分析。同時也可以查詢專項數(shù)據(jù)，并得到數(shù)據(jù)的整體曲線趨勢圖，以便于快速分析履帶起重機運行狀態(tài)，如圖7所示。

圖7 安全監(jiān)控管理系統(tǒng)報表界面

履帶起重機包含有不同的工況，每種工況所對應(yīng)的主臂長度、副臂長度、主副鉤倍率都不盡相同。為了提高所開發(fā)的系統(tǒng)的適用性，設(shè)計了工況參數(shù)的修改與存儲，如圖8所示。

圖8 安全監(jiān)控管理系統(tǒng)工況修改界面

在工況設(shè)置中通過界面交互層的界面設(shè)計，方便的設(shè)計了工況參數(shù)的修改，并可根據(jù)實際需要增加所需工況，并通過輸入輸出層記錄到配置文件中供下次使用，為系統(tǒng)適應(yīng)不同履帶起重機提供了極大的靈活性。

此外，系統(tǒng)設(shè)置了報警限大小設(shè)置、采集傳感器配置設(shè)置等多種設(shè)置寫入配置文件中，并設(shè)置了長時間數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能與內(nèi)存清除功能，優(yōu)化了程序運行與用戶操作。同時系統(tǒng)在五臺不同的履帶起重機上進行了應(yīng)用，能夠通過修改相應(yīng)的功能模塊與配置參數(shù)達到快速配置的目的，證明了該軟件思路的可行性。

4 結(jié)束語

本文基于虛擬儀器技術(shù)提出了一種多模塊化并行的軟件設(shè)計思路，開發(fā)了履帶起重機多參數(shù)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)來研究了在履帶起重機工業(yè)采集、存儲、顯示環(huán)境下的運行效果，具體結(jié)論如下：

1)通過在實際履帶起重機工作狀態(tài)下的測試，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)履帶起重機全部參數(shù)的實時采集與顯示，并能夠?qū)⒉杉玫降臄?shù)據(jù)實時存儲到數(shù)據(jù)庫供后續(xù)數(shù)據(jù)分析人員調(diào)用，增加了系統(tǒng)軟件使用的便捷性。

2)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實時狀態(tài)報警，并能夠通過修改配置文件方便的改變報警觸發(fā)條件，提高了軟件的靈活性。

3)系統(tǒng)能夠通過修改相對應(yīng)的功能模塊而不必修改整體軟件而達到在不同履帶起重機上快速配置的目的，極大地提高了軟件的適用性。