橋式起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

袁 容, 袁卓異, 朱紅求

(1.中南大學(xué) 自動化學(xué)院，湖南 長沙 410083； 2.湖南華博信息技術(shù)有限公司，湖南 長沙 410035)

0 引言

橋式起重機是一種架設(shè)在工業(yè)生產(chǎn)車間或貨運碼頭等場地的常用重型搬運裝備，操作人員也常習(xí)慣上稱其為行車[1]。在2020年全國特種設(shè)備安全狀況的通告中，起重機械事故起數(shù)排名前三，且指出多是因為使用管理不當(dāng)、維修檢修及運行過程中產(chǎn)生的質(zhì)量安全缺陷導(dǎo)致，可見，解決起重機的管控問題非常重要。在起重機械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)國家標(biāo)準(zhǔn)中，對起重機械的安全監(jiān)控管理系統(tǒng)提出了新的、具體的要求[2]。為了提高行車作業(yè)的安全性和自動化程度，開發(fā)起重機的安全監(jiān)控管理系統(tǒng)十分必要。

傳統(tǒng)的有色金屬電解車間是離散生產(chǎn)模式的典型代表，生產(chǎn)設(shè)備之間的信息非互聯(lián)互通，執(zhí)行生產(chǎn)作業(yè)時聯(lián)動性較差。近些年來，隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的迅速發(fā)展，以計算機為核心的集中監(jiān)控管理系統(tǒng)日益發(fā)展，并逐步獲得了認(rèn)可及應(yīng)用[3-4]。何好平等以金隆銅業(yè)的銅電解車間為對象，介紹了過程級、生產(chǎn)級和企業(yè)級為架構(gòu)的三層信息管理系統(tǒng)[5]。王志勇介紹了用于港口起重機械上的無線起重機監(jiān)控管理系統(tǒng)，提高了信息化管理水平[6]。于智超、潘健華將圖像處理、視頻監(jiān)控等技術(shù)應(yīng)用于門式橋式起重機中，減少了安全事故的發(fā)生[7,8]。馬志鵬等采用系統(tǒng)工程的方法，使監(jiān)控管理系統(tǒng)的整體與局部之間的關(guān)系能協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)運行[9]。

本文以電解車間橋式起重機為對象，貫徹"標(biāo)準(zhǔn)化提升管理，信息化減人增效"理念，實現(xiàn)對電解行車控制的可視化、可量化和故障可預(yù)防[10]，以提高其安全性能和作業(yè)效率、改善車間智能化水平為目標(biāo)，采集了電解行車實時運行數(shù)據(jù)并進行科學(xué)的數(shù)據(jù)分析，構(gòu)建與生產(chǎn)作業(yè)信息相適應(yīng)的安全監(jiān)控及信息管理系統(tǒng)。系統(tǒng)能實時地監(jiān)控行車運行情況，進行故障監(jiān)測及預(yù)警，進一步提升行車的安全性能，保障作業(yè)人員的人身安全，且能提高工作效率，達到資源效益最大化。結(jié)合電解生產(chǎn)的工況，搭建以PLC為核心的硬件系統(tǒng)，開發(fā)設(shè)計一套電解橋式起重機的安全監(jiān)控管理系統(tǒng)，以保證起重機的無事故、高效穩(wěn)定運行，提高作業(yè)的安全性和智能化。

1 系統(tǒng)總設(shè)計

安全監(jiān)控管理系統(tǒng)主要實現(xiàn)橋式起重機重要運行參數(shù)及安全狀態(tài)的記錄，以及相關(guān)數(shù)據(jù)信息的分析顯示，必須具有信號采集及信號處理單元、控制輸出及數(shù)據(jù)存儲單元、信號顯示及信號導(dǎo)出單元。系統(tǒng)總體架構(gòu)圖如下圖1所示，主要由運動控制硬件系統(tǒng)和監(jiān)控管理軟件系統(tǒng)組成，硬件系統(tǒng)包括設(shè)備采集及控制處理單元，用來控制及感知起重機的運行工況，數(shù)據(jù)經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò)進行可靠性傳輸，通過軟件系統(tǒng)實現(xiàn)圖形化分析與展示，并根據(jù)需求進行報警、數(shù)據(jù)備份等處理。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

1.1 下位機系統(tǒng)

下位機是系統(tǒng)中的智能采集設(shè)備，其與行車運行過程所需的傳感及控制設(shè)備結(jié)合，實時采集重要參數(shù)并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò)上傳至上位機。PLC選用德國Siemens的S7系列產(chǎn)品，并根據(jù)系統(tǒng)的輸入輸出點數(shù)及存儲容量等要求，對電源模塊PM1507 、CPU 1513-1PN、MMC存儲卡、數(shù)字量輸入/輸出、TP1500觸摸屏等進行選型和組態(tài)。

此外，構(gòu)建完整的下位機系統(tǒng)，其他檢測和控制設(shè)備也是必不可少的。起重機各運行機構(gòu)均為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，選用瑞士高性能特點的ABB變頻器，提供高效率及高精度的速度控制；根據(jù)位移測量精度及距離的要求，大小車選用勞易測AMS系列激光測距儀，起升選擇測量范圍大的多圈絕對值編碼器。其中，可編程邏輯控制器PLC進行控制并采集傳感及驅(qū)動設(shè)備的數(shù)據(jù)進行上傳；激光測距儀用于大車位置感知，絕對值編碼器用于吊具位置，這些傳感設(shè)備直接監(jiān)測被控對象的數(shù)據(jù)，并與采集控制設(shè)備相連上傳數(shù)據(jù)；變頻器和交流異步電機等驅(qū)動設(shè)備通過現(xiàn)場總線通信，保障起重機工作運行；觸摸屏和監(jiān)控管理系統(tǒng)可用于監(jiān)控與控制，實現(xiàn)人機交互，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

1.2 上位機系統(tǒng)

上位機系統(tǒng)位于中控室，主要由PC機、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備等硬件組成。PLC與變頻器、擴展模塊等通過現(xiàn)場總線協(xié)議進行通信，完成對起重機各個機構(gòu)的控制，并將處理后生成的信息上傳給上位機，上位機接收信息后，進行進一步加工、處理并顯示在人機界面上，供用戶管理分析。上位機與PLC則可通過以太網(wǎng)模塊進行工業(yè)以太網(wǎng)通信，安全監(jiān)控管理系統(tǒng)實時將獲取到的數(shù)據(jù)進行處理、分析和組織，并通過圖像、報表等形式呈現(xiàn)給用戶，實現(xiàn)監(jiān)控管理系統(tǒng)的首要基本功能。同時，上位機可以接受作業(yè)人員的指示，達到監(jiān)測數(shù)據(jù)和遠程控制管理的目的，且主要參數(shù)可根據(jù)需求，經(jīng)過處理后保存在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，便于歷史查詢分析使用，為優(yōu)化調(diào)度及生產(chǎn)管理提供數(shù)據(jù)支撐。

根據(jù)現(xiàn)場工況及需求分析可知，系統(tǒng)需要采集和監(jiān)控的主要參數(shù)包括起重量、起升高度以及速度、大小車運行狀態(tài)及其運行行程、制動器狀態(tài)及累計工作時長等，通過分析處理后可上傳顯示，供作業(yè)人員及管理人員及時掌握起重機運行狀態(tài)，也可為進一步提高起重機自動化及智能化提供支撐，便于后續(xù)實現(xiàn)對電解行車的定位防擺及防滑等控制。

2 軟件設(shè)計

安全監(jiān)控管理系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)訪問層、傳輸接入層、業(yè)務(wù)邏輯層和應(yīng)用層等幾部分組成。其中，數(shù)據(jù)訪問層主要完成下位機數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換等功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的訪問和存儲；傳輸接入層主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的穩(wěn)定及可靠性傳輸；業(yè)務(wù)邏輯層主要實現(xiàn)系統(tǒng)整體的監(jiān)控、管理及控制等功能，分清各模塊之間的功能及主要任務(wù)，為系統(tǒng)的核心和主要部分；應(yīng)用層則實現(xiàn)人機交互和相應(yīng)的控制功能。橋式起重機的運行工況通過數(shù)據(jù)采集與分析，網(wǎng)絡(luò)傳輸與控制應(yīng)用等功能，將數(shù)據(jù)結(jié)果圖形化顯示出來，實現(xiàn)起重機運行狀態(tài)、工作內(nèi)容的監(jiān)控和工作量的統(tǒng)計，有效提高生產(chǎn)管理水平。

2.1 數(shù)據(jù)庫概要設(shè)計

數(shù)據(jù)庫概要設(shè)計是為了在系統(tǒng)需求的基礎(chǔ)上，將起重機具體的研究對象抽象為一種數(shù)據(jù)模型，幫助后續(xù)開發(fā)設(shè)計理清數(shù)據(jù)的組織架構(gòu)及數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在關(guān)系。通過前期調(diào)研及分析可得出如圖3的E-R圖，其反映了主要對象之間的聯(lián)系，顯示了各實體與屬性之間的關(guān)系。當(dāng)用戶登錄系統(tǒng)時，系統(tǒng)判斷并提供相應(yīng)的權(quán)限，通過選定對應(yīng)的起重機查看各實時狀態(tài)信息及報警日志，也可通過歷史查詢查看特定時間內(nèi)的對應(yīng)數(shù)據(jù)。

圖3 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)E-R圖

2.2 數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)

通信網(wǎng)絡(luò)在系統(tǒng)中具有重要作用，系統(tǒng)中的各設(shè)備都依靠通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。本文的安全監(jiān)控管理系統(tǒng)采用層次化的設(shè)計方案，分為現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)、控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及車間管理網(wǎng)絡(luò)，其中，控制站與從站之間采用PROFIBUS-DP通信；控制站與激光測距儀、變頻器等控制系統(tǒng)之間通過工業(yè)以太網(wǎng)進行連接，使用PROFINET通信協(xié)議；控制站與中控室上位機則通過工業(yè)以太網(wǎng)通信。該方式可根據(jù)監(jiān)控管理及工業(yè)控制對網(wǎng)絡(luò)速度及傳輸可靠性的不同要求進行相應(yīng)配置，滿足監(jiān)控數(shù)據(jù)的可靠性以及控制信號傳輸?shù)膶崟r性與準(zhǔn)確性。

系統(tǒng)硬件組態(tài)中，外設(shè)的絕對值編碼器信號、激光測距儀信號以及限位開關(guān)等信號控制變頻器的輸出，使行車的大小車、吊具按給定的速度和路徑規(guī)劃運行，安全高效地進行出裝槽作業(yè)。PLC模塊則需要將電源、CPU、開關(guān)量輸入輸出、模擬量輸入輸出及通信等模塊進行配置，并給每個模塊分配其物理地址，以方便后續(xù)按需使用，進行相應(yīng)端口的數(shù)據(jù)交換傳輸。其中，中控室上位機通過HslCommunication組件庫實現(xiàn)與下位機的數(shù)據(jù)通信，其讀寫關(guān)鍵程序如下：

1.HslCommunication.OperateResult tmp = siemensTcpNet.Read(adr[i], 4);

2. if (tmp.IsSuccess)

3.{Value[i]=siemensTcpNet.ByteTransform.TransInt32(tmp.Content, 0);

4.SaveData_db(); }

5.else

6. {read=HslCommunication.OperateResult.CreateFailedResult(tmp);

7. failed++;

8.ShowFailedMessage(failed); }

2.3 功能設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計開發(fā)采用模塊化設(shè)計思想， 根據(jù)電解行車的實際工況需求設(shè)計了行車狀態(tài)監(jiān)測、槽面信息監(jiān)測、故障報警、歷史查詢、報表管理及用戶管理等模塊。每個模塊下又分設(shè)多個子模塊，通過這些子模塊可以實現(xiàn)大小車、起升、電解槽的監(jiān)測、起重機故障報警、數(shù)據(jù)查詢與分析及用戶登錄權(quán)限等功能。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)整體的主要功能如下：

(1)用戶管理：包括登錄和多權(quán)限用戶的分類，實現(xiàn)了同一個系統(tǒng)不同用戶所能使用功能的不同；

(2)監(jiān)控功能：主要包括行車監(jiān)控和機組設(shè)備的監(jiān)控，故障報警功能可以對系統(tǒng)故障的產(chǎn)生和原因進行查看；

(3)信息處理功能：包括槽位信息的處理顯示和報表功能。

其中，行車狀態(tài)監(jiān)測主要實現(xiàn)行車實時作業(yè)的參數(shù)信息監(jiān)控的功能，界面顯示實時情況下起重機的運行狀態(tài)及大車運行速度曲線，并可進行導(dǎo)出打印存檔，如圖5所示；歷史查詢界面主要實現(xiàn)各監(jiān)控數(shù)據(jù)的歷史查詢功能，并可對數(shù)據(jù)進行備份或刪除等操作，便于對生產(chǎn)監(jiān)控及故障數(shù)據(jù)進行復(fù)檢和追溯，為后續(xù)管理及控制提供數(shù)據(jù)支撐，保障風(fēng)險可控，如圖6所示；槽面信息界面可與電解槽短路檢測設(shè)備進行通信連接，通過上位機實時顯示各槽的工況，判斷是否存在短路情況，并對檢測出的故障極板報警；用戶管理界面則主要是對系統(tǒng)內(nèi)的登錄用戶進行管理，可以進行刪除、添加、修改等操作，對不同用戶的權(quán)限進行管理，以實現(xiàn)系統(tǒng)的安全高效管理。

圖5 橋式起重機監(jiān)控界面

圖6 歷史數(shù)據(jù)查詢界面

作為橋式起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)，重點在于能實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)監(jiān)控，及時提供故障位置及相關(guān)故障信息，并對可能出現(xiàn)的故障進行預(yù)警及已出現(xiàn)的故障進行報警。實現(xiàn)的前提是建立完善的故障庫，并針對重要的故障進行保存，便于事后分析原因，進行相應(yīng)改進，減少故障的發(fā)生，保障作業(yè)的安全性。

3 結(jié)語

本系統(tǒng)以電解車間橋式起重機為對象，分析了現(xiàn)場工況的需求、運行機理和運行現(xiàn)狀，設(shè)計了電解橋式起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)及系統(tǒng)的軟件架構(gòu)，開發(fā)了起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)了電解車間橋式起重機運行狀態(tài)的實時監(jiān)控與安全管理，提高了其安全性能，并能實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息的統(tǒng)計分析，為生產(chǎn)調(diào)度和管理提供了便利。