分布式能源站大型設備數(shù)字化吊裝安全監(jiān)控系統(tǒng)研究

黎 嬈 周 誠 覃文波

(1.華中科技大學 土木與水利工程學院，武漢 430074； 2.武漢數(shù)字建造產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，武漢 430074)

引言

隨著中國經(jīng)濟高速健康地發(fā)展，石油化工、電力建設和地鐵工程的規(guī)模逐漸擴大，其單機設備也越來越大型化、精密化[1]； 同時，工廠化預制的逐漸推行，也出現(xiàn)了體積更大，重量更重的大型模塊[2]。大型、重型起重吊裝設備對起重吊裝工藝要求越來越高，需要確保設備的準確吊裝與防碰撞，難度遠遠超過以往的吊裝作業(yè)。傳統(tǒng)的吊裝方式往往需要多個指揮員協(xié)同完成吊裝作業(yè)，現(xiàn)場環(huán)境的嘈雜、多人聯(lián)合作業(yè)都會使溝通受到影響，同時依靠指揮人員自身的經(jīng)驗和判斷無法保證作業(yè)的精度和一致性，這將對作業(yè)人員產(chǎn)生巨大的負面影響，危及作業(yè)的安全。因此，提高大型結(jié)構(gòu)物吊裝過程中吊裝的精確性、安全性與吊裝行為的可預測性具有重大意義。

目前，吊裝安全監(jiān)控領(lǐng)域的研究往往對起重機械的姿態(tài)進行實時的監(jiān)測，通過姿態(tài)變化分析可能出現(xiàn)的安全問題。對于載體姿態(tài)可以采用如地磁、光電碼盤等方式進行測量[3]，但無法獲得載體的三維姿態(tài)； 基于GPS的姿態(tài)測量系統(tǒng)具有高精度、高靈敏度、體積小等特點[4-5]，安裝于起重機的吊臂上，實時提供精確的三維模型，但是井下的衛(wèi)星信號不穩(wěn)定，使得其姿態(tài)測量偏差較大； 慣性測量系統(tǒng)利用角速度的陀螺儀和載體的加速度來獲得實時的三維姿態(tài)[6]，但其系統(tǒng)誤差隨時間而積累[1]。

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，構(gòu)建一種基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式能源站大型設備吊裝安全監(jiān)控系統(tǒng)。

物聯(lián)網(wǎng)是通過各種信息傳感設備，如傳感器、射頻識別(RFID)技術(shù)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、紅外線感應器、激光掃描器等，實時采集監(jiān)控、連接、互動的物體或過程的各種需要的信息，與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的一個巨大網(wǎng)絡，包括RFID、傳感網(wǎng)、端到端(M2M)、信息化和工業(yè)化兩化融合的四大關(guān)鍵領(lǐng)域和感知層、網(wǎng)絡層和應用層三層技術(shù)架構(gòu)。其目的是實現(xiàn)物與物、物與人，所有的物品與網(wǎng)絡的連接，以方便識別、管理和控制[7-9]。基于此技術(shù)，該吊裝安全監(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)吊裝現(xiàn)場監(jiān)控全局域的可視化，實現(xiàn)吊裝防碰撞與安全管控的自動化、信息化[10]，為一線指揮人員提供準確、直觀的預報警信息，從而向吊裝操作給出統(tǒng)一、標準化的吊裝指令，協(xié)助其順利、安全完成吊裝作業(yè)，為大型吊裝作業(yè)提供了安全、實時、有效的技術(shù)保障。

1 工程背景

1.1 工程概況

某國際博覽中心分布式能源站項目是天然氣冷熱電三聯(lián)供項目。該項目總投資為2.1億元，建設規(guī)模為21.5MW，共分兩期建設完成。項目位于某國際博覽中心洲際酒店停車場地下負一層，總占地面積約6 800m2。項目建成后，可有效滿足該國際博覽中心二期洲際酒店(含酒店式辦公)、假日酒店、海洋樂園所需的供電、采暖、制冷及生活熱水負荷室內(nèi)海洋熱源需求。

此次吊裝物體為某國際博覽中心分布式能源站的發(fā)電機組，其中發(fā)電機A的規(guī)格尺寸為9900x2400x2900(mm)，重32.9t，發(fā)電機B的規(guī)格尺寸為4700x2100x2300(mm)，重21.3t。吊裝通過四個20T倒鏈提起，同時加裝兩臺10T倒鏈備用，吊裝井深10m，尺寸為1200x800(mm)，其中可移動平臺為的尺寸為1100x300(mm)，具體吊裝尺寸如圖1所示。

圖1 發(fā)電機吊裝尺寸圖

1.2 吊裝步驟

某國際博覽中心分布式能源站的發(fā)電機組吊裝包括卸車、平移、起吊、結(jié)構(gòu)平臺移開、設備下放、駁運等步驟，具體步驟如下：

(1)設備卸車后，將發(fā)電機六組轉(zhuǎn)向搬運坦克車平移到吊裝孔前，用液壓頂起升設備到合理的高度，在鐵板上面放置型鋼，讓搬運坦克在型鋼上面形成鋼軌運行模式；

(2)對吊裝梁和葫蘆進行試吊，檢驗設備性能； 設備放置至可移動平臺時，通過四個20t倒鏈提起，同時加裝兩臺10t倒鏈備用，防止葫蘆在起升或下放的時候出現(xiàn)機械故障，提升高度為300mm，四個倒鏈掛于天井的吊梁上，并且需要同步上升，不可發(fā)生傾斜，防止受力不均；確定設備吊起安全后，下方結(jié)構(gòu)平臺可以移開；

(3)設備通過倒鏈緩慢入至地下室樓面，下放前需給地面鋪設鋼板給予保護，提前放置4個地坦克準備下一步搬運，下放到最后，留一定的高度，確認設備落位的地點來調(diào)節(jié)設備搬運的方向。

2 吊裝安全風險分析

通過上述吊裝步驟，可以分析出設備在吊裝過程中所存在的安全隱患。

(1)吊裝盲區(qū)

根據(jù)吊裝的實際情況，其盲區(qū)主要是由于下吊過程中，當設備下吊至井下時，吊裝操作人員無法看清吊裝井下的狀況，設備與吊裝井的距離以及設備的姿態(tài)都無法掌握，影響其吊裝動作。

(2)吊裝設備姿態(tài)

在某分布式能源站大型設備吊裝案例中，由于發(fā)電機設備尺寸較大，而井口尺寸有限，發(fā)電機在設備的下吊過程中容易與吊裝井壁發(fā)生碰撞； 同時，由于吊裝采用四個倒鏈下吊，需要保證設備在下方過程中同步下放，防止受力不均。

(3)吊裝索具

圖2 吊裝受力示意圖

由于發(fā)電機設備重達32.9t，其所有重量由四條鋼絲繩承擔，如圖2所示，且吊裝過程如果發(fā)生傾斜，容易導致四條鋼絲繩受力不均，致使發(fā)生鋼絲繩斷裂。

(4)風速

發(fā)電機設備在下吊過程中，容易受到風力的影響，發(fā)生晃動，特別是風力較大時，設備的安全性受到嚴重的威脅，且遇有六級大風以上的惡劣天氣查，應停止施工。

3 分布式能源站大型設備數(shù)字化吊裝安全監(jiān)控系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)總體方案設計

基于上述安全風險分析和物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)理論及其技術(shù)，構(gòu)建了分布式能源站大型設備數(shù)字化吊裝安全監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)操作簡便，通過感知層的設備單元實現(xiàn)過程定位，并經(jīng)傳輸、分析、控制實現(xiàn)現(xiàn)場位置的跟蹤與吊裝安全預報警管理，系統(tǒng)框架如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡框架圖

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲設計

在吊裝現(xiàn)場系統(tǒng)的布設中，分析層是整個系統(tǒng)核心，負責現(xiàn)場吊裝數(shù)據(jù)信息的存儲運算、預報警發(fā)布及應急制動，因此可以實現(xiàn)幫助吊裝指揮人員實時管控現(xiàn)場吊裝安全形勢。傳輸層實現(xiàn)感知層與分析層的數(shù)據(jù)信息的傳遞。

該系統(tǒng)的感知層由吊裝姿態(tài)感知單元、吊裝受力感知單元、吊裝環(huán)境感知單元組成，其中吊裝姿態(tài)感知單元由超聲波測距傳感器、激光測距傳感器及角度測量傳感器組成，吊裝環(huán)境感知單元由拉力傳感器、風速計組成，吊裝環(huán)境感知單元由溫度計、濕度計組成。吊裝過程中，超聲波測距單元將測量發(fā)電機與井壁及可移動平臺的距離信息，激光測距單元是用來反饋發(fā)電機與井底距離信息，角度測量單元則可以實時記錄發(fā)電機的傾角信息，拉力傳感器將監(jiān)測吊裝鎖具的實時應力，風速計用于測量吊裝過程中的實時風速，溫度濕度計用于測量吊裝現(xiàn)場環(huán)境的溫度及濕度； 系統(tǒng)的傳輸層由中繼及上位機組成，用以保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時傳輸，并匯聚至分析層，分析層為終端監(jiān)控軟件，用于實時顯示上述測量數(shù)據(jù)，防止發(fā)電機與井壁和井底發(fā)生碰撞，并對危險場景進行報警，可以起到提醒指揮人員的作用，從而及時向起重機駕駛員發(fā)布調(diào)整指令，糾正危險姿態(tài)。

3.3 預報警規(guī)則設計

為了及時有效地實現(xiàn)監(jiān)控預報警，制定了詳實的預報警流程。其中，各傳感器單元報警規(guī)則如表1所示：當?shù)跹b設備與井壁及周邊其他設備的距離小于50mm時，發(fā)生二級報警，指揮人員對吊裝人員發(fā)出調(diào)整指令；當?shù)跹b設備與井壁及周邊其他設備的距離小于30mm時，發(fā)生一級報警，指揮人員對起重機駕駛員發(fā)出暫停吊裝指令；當?shù)跹b設備與井底的距離小于50mm時，發(fā)生二級報警，指揮人員對吊裝人員發(fā)出減速指令；當?shù)跹b設備與井底的距離小于30mm時，發(fā)生一級報警，指揮人員發(fā)出暫停吊裝指令；當?shù)跹b設備角度與設定角度相差10%時，發(fā)生二級報警，看到此警報的指揮人員將對主吊駕駛員發(fā)出調(diào)整指令； 當?shù)跹b設備角度與設定角度相差20%時，發(fā)生一級報警，此時指揮人員對起重機駕駛員發(fā)出暫停吊裝指令。

表1 預報警規(guī)則

3.4 設備選型及布點優(yōu)化設計

硬件上，系統(tǒng)主要由超聲波測距傳感器、激光測距傳感器、角度測量傳感器、拉力傳感器、風速計、溫度計、濕度計、中繼及上位機組成。為了方便臨時構(gòu)建分布式能源站大型設備數(shù)字化吊裝安全監(jiān)控系統(tǒng)，各傳感器采取小型化設計，分別放置于拉桿箱內(nèi)，如圖4所示。

圖4 大型設備吊裝安全監(jiān)控系統(tǒng)

根據(jù)工程需要，超聲波測距傳感器、激光測距傳感器、角度測量器、拉力傳感器均為自主開發(fā)研制。系統(tǒng)各層均為無線通信方式，不依賴環(huán)境網(wǎng)絡，硬件模塊的安裝為無損方式，可部署在發(fā)電機的任意位置； 硬件模塊測距單元與無線收發(fā)單元通信距離大于50m，實現(xiàn)移動中測距， 測距單元使用n-cba技術(shù)，實現(xiàn)無盲區(qū)通信； 同時，各傳感器單元可通過系統(tǒng)軟件遠程待機或停止。各傳感器的參數(shù)如表2所示。

表2 傳感器具體參數(shù)

根據(jù)吊裝過程的安全分析[11]可知，發(fā)電機的四周均會有潛在的碰撞安全隱患，故在發(fā)電機的前后左右四側(cè)分別布設2個超聲波測距傳感器，用以測量發(fā)電機在井內(nèi)與井壁及可移動吊裝平臺的距離； 同時，1個激光傳感器和1個角度傳感器布設在發(fā)電機后側(cè)的底部，用于測量發(fā)電機到井底的距離及其角度； 另外，拉力傳感器分別布設在四個倒鏈上，在吊裝井的四邊分別布設風力計及溫度濕度計。終端監(jiān)控平臺則放置在吊裝井的附近，方便通信和指揮吊裝操作人員。

3.5 軟件功能設計

軟件方面，系統(tǒng)平臺設計了6個功能分區(qū)，如圖5所示，通過6個功能區(qū)的運用可以實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、定位管理、歷史回放、系統(tǒng)管理等功能，實時掌握吊裝過程中設備實時吊裝姿態(tài)； 主界面左上角為系統(tǒng)參數(shù)區(qū)，其中采樣頻率可以根據(jù)吊裝實際情況選擇不同的頻率； 下面的傳感器位置設置區(qū)，用以將傳感器實際布置位置對應的顯示在系統(tǒng)上； 隨后是系統(tǒng)命令區(qū)，包括系統(tǒng)的激活、啟動及關(guān)機命令，有效地控制各傳感單元； 監(jiān)控回放區(qū)可以通過加載數(shù)據(jù)文件，實現(xiàn)吊裝過程的回放； 電池電壓區(qū)可以實時顯示工作狀態(tài)下各單元的電池使用情況，方便傳感器的更換； 面積最大的則是監(jiān)控實施顯示區(qū)域，吊裝過程中，各傳感單元的實時數(shù)據(jù)則會顯示在該區(qū)域。

圖5 系統(tǒng)界面圖

4 分布式能源站大型設備數(shù)字化吊裝安全監(jiān)控系統(tǒng)實施

4.1 現(xiàn)場安裝調(diào)試

發(fā)電機卸車后，將各傳感器按照布設方案分別布設在相應位置上，如圖6所示。同時，拉力傳感器分別布設在四個倒鏈上，在吊裝井的四邊分別布設風力計及溫度濕度計，中繼器布設在在吊裝井井口，上位機位于終端軟件附近。

圖6 系統(tǒng)現(xiàn)場安裝

傳感器安裝完成后，打開各傳感器單元、中繼器、上位機，打開起重終端軟件，實現(xiàn)設備聯(lián)調(diào)、通訊暢通，解決聯(lián)調(diào)中的軟硬件問題。不能正常工作的傳感器需要及時更換，并根據(jù)系統(tǒng)應用中顯示的傳感器實時電壓，及時更換傳感器電池； 另外，針對系統(tǒng)應用中發(fā)現(xiàn)的問題，及時調(diào)整設備的工作狀態(tài)，優(yōu)化定位算法，完善系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)等，通過上述措施確保系統(tǒng)的正常運行，從而對現(xiàn)場吊裝進行實時監(jiān)控。

4.2 數(shù)據(jù)采集及分析

登錄系統(tǒng)后，對系統(tǒng)進行調(diào)試，然后進行吊裝數(shù)據(jù)采集，具體操作步驟如下：

(1)選定串口號，并根據(jù)實際情況選定采樣周期；

(2)根據(jù)監(jiān)控方案設置傳感器模塊位置；

(3)打開串口，激活系統(tǒng)，并啟動，開始吊裝監(jiān)控。

(4)檢查電池電壓，若小于4.5V，則更換電池；

(5)啟動系統(tǒng)，開始吊裝監(jiān)控。

本系統(tǒng)于2016年5月2日正式在某國博分布式能源站進行使用。提取系統(tǒng)1號激光(發(fā)電機底部)及角度傳感器及3(發(fā)電機前側(cè))、5(發(fā)電機左側(cè))、7(發(fā)電機后側(cè))、9號(發(fā)電機前側(cè))超聲波傳感器在13:25:00-13:25：20吊裝過程中的實時數(shù)據(jù)，各傳感單元的變化趨勢如圖7～8所示。

圖7 發(fā)電機吊裝實時距離數(shù)據(jù)

圖8 發(fā)電機吊裝實時角度數(shù)據(jù)

由圖7可知，在吊裝過程中發(fā)電機的吊裝的四周距離一直處于安全狀態(tài)，均未有小于50cm需要警報的情況出現(xiàn)，但可以看到位于左側(cè)的5號傳感顯示發(fā)電機的左側(cè)與井壁的距離為在220cm左右，是發(fā)電機四邊在這段時間內(nèi)距離井壁最近的一邊，需要引起一定的注意，以免發(fā)生碰撞。由圖8所知，吊裝過程中發(fā)電機的三個角度不斷發(fā)生變化，說明發(fā)電機這段時間內(nèi)存在擾動，處于不斷晃動的狀態(tài)，因此需要在吊裝過程中不斷調(diào)整四個倒鏈，以至發(fā)電機平穩(wěn)地下吊。在以后的數(shù)據(jù)采集和分析中，還可以結(jié)合倒鏈的拉力傳感器數(shù)據(jù)來分析各角度的變化與不同方位拉力變化的關(guān)系，從而通過檢測出晃動狀態(tài)就能達到精準調(diào)整吊裝倒鏈。

5 結(jié)論

分布式能源站大型設備吊裝的主要安全風險來源于在設備體積重量過大，吊裝井口尺寸較小的情況下，設備在下吊過程中容易發(fā)生碰撞以及鋼絲繩斷裂的安全隱患，因此筆者提出了基于物聯(lián)網(wǎng)理論，利用超聲波測距傳感器、激光與角度傳感器、拉力傳感器、風速計以及溫度濕度計進行分布式能源站大型設備吊裝行為的安全管控，構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式能源站大型設備吊裝安全監(jiān)控系統(tǒng)并應用于實際工程中，得到以下主要結(jié)論：

(1)通過分析分布式能源站發(fā)電機吊裝的步驟及風險，采用超聲波及激光方式對調(diào)轉(zhuǎn)過程中的安全距離及角度進行跟蹤，對防碰撞預報警，對吊裝索具的拉力以及實時的風速進行監(jiān)控，并將這些信息集成到物聯(lián)網(wǎng)中，從而構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式能源站大型設備吊裝安全監(jiān)控系統(tǒng)；

(2)應用結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠及時地反映吊裝過程中設備的實時吊裝姿態(tài)，使吊裝過程可視化及數(shù)字化；

(3)限于該系統(tǒng)是第一次應用于工程項目，現(xiàn)場傳感器的布設無法有效地監(jiān)控到全部的安全隱患，對于傳感器化布設方法的優(yōu)化，是下一步研究的重點。