架橋機安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計*

龔成周，張?zhí)沓?，張光?/p>

（中鐵十一局集團漢江重工有限公司，湖北 襄陽 441046）

0 引言

架橋機是國家規(guī)范管理的重大危險源，根據(jù)國家市場監(jiān)督管理總局最新發(fā)布的《起重機械型式試驗規(guī)則》（TSG Q7002-2019）中指出：7類12種起重機械必須安裝安全監(jiān)控管理系統(tǒng)，其中架橋機在強制要求范圍內(nèi)。如何有效保證架橋機作業(yè)安全、預(yù)防事故發(fā)生是架橋機安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計重點。

近年來，針對架橋機安全監(jiān)控系統(tǒng)的研究逐漸成為研究熱點。如梁霖浩[1]研究的架橋機主梁安全監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)主梁應(yīng)力和撓度變形的監(jiān)測；卞永明[2]等設(shè)計了基于CAN總線的架橋機安全監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了架橋機實時監(jiān)控；鄭曉雯[3]等利用433 MHz無線通訊構(gòu)建了一種架橋機無線傳輸?shù)陌踩O(jiān)控系統(tǒng)。本文以千噸級分體式架橋機為研究對象，建立一套滿足國標(biāo)、性能優(yōu)異的架橋機安全監(jiān)控系統(tǒng)，并且借助目前日益發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)架橋機的遠程端監(jiān)控，為架橋機施工作業(yè)中的安全監(jiān)管提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 總體方案設(shè)計

千噸級分體式架橋機[4]由主梁、前支腿、后支腿、輔助支腿、起升機構(gòu)、前小車、后小車等組成，如圖1所示。根據(jù)功能需求，架橋機安全監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)包含以下3個部分。

圖1 分體式架橋機

（1）架橋機安全監(jiān)控終端。通過安裝各類監(jiān)控儀表、傳感器等采集得到架橋機動態(tài)信息，實現(xiàn)工作過程全程監(jiān)控[5]；通過PLC控制器對各機構(gòu)重要的運行參數(shù)和狀態(tài)進行記錄和管理；通過人機界面（觸摸屏）顯示設(shè)備實時狀態(tài)及故障報警提示。

（2）架橋機遠程監(jiān)控系統(tǒng)。利用物聯(lián)網(wǎng)、云平臺技術(shù)，將安全監(jiān)控終端上傳的狀態(tài)信息進行解碼并存儲，對采集數(shù)據(jù)進行實時分析，實現(xiàn)遠程監(jiān)控及故障預(yù)警。

（3）架橋機視頻監(jiān)控系統(tǒng)。通過在架橋機關(guān)鍵部位裝設(shè)攝像頭，作業(yè)人員可實時監(jiān)控架橋機關(guān)鍵部位和施工工況，同時通過4G/5G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)移動端遠程視頻監(jiān)控。

2 安全監(jiān)控終端設(shè)計

2.1 監(jiān)控內(nèi)容選定

根據(jù)國標(biāo)《GB28264-2017起重機械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》，架橋機監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)包含架橋機過孔、架梁等各種工作狀態(tài)參數(shù)。結(jié)合國標(biāo)要求及現(xiàn)場需要，擬定了以下監(jiān)控內(nèi)容：

（1）所有操作輸入、輸出點，所有限位點監(jiān)控；

（2）小車的位置和運行速度，吊鉤的起升高度和運行速度，前支腿位置和運行速度，后支腿速度；

（3）變頻器運行狀態(tài)監(jiān)控，采集變頻器控制輸入、故障、輸出電流、電機轉(zhuǎn)速、輸出扭矩、輸入和輸出電壓、用電統(tǒng)計等參數(shù)；

（4）所有接觸器狀態(tài)、熱繼電器狀態(tài)；

（5）液壓系統(tǒng)操作和電磁閥動作；

（6）重量傳感器數(shù)據(jù)、實時風(fēng)速、支腿/主梁傾斜角度；

（7）設(shè)備故障和報警信息、以及出現(xiàn)和消除的時間記錄。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

架橋機電氣控制系統(tǒng)和安全監(jiān)控系統(tǒng)一般采用可編程控制器（PLC）+工業(yè)人機界面（HMI）的模式[6]。千噸級架橋機安全監(jiān)控系統(tǒng)終端采用西門子S7-200 SMART PLC作為控制中心，配合昆侖通態(tài)觸摸屏做人機界面顯示報警。通過PLC實現(xiàn)信息采集、運算處理、控制輸出等功能，通過觸摸屏實現(xiàn)狀態(tài)顯示、存儲、報警預(yù)警等。

2.3 傳感器選型

千噸級架橋機主體結(jié)構(gòu)龐大、運行機構(gòu)多、布線距離長、線纜多且復(fù)雜，受布線方式的制約很難做到強弱電分離。另外，對信號傳輸穩(wěn)定性、抗干擾性也提出了較高要求。在選擇傳感器時，要充分考慮安裝位置、距離、監(jiān)控系統(tǒng)上位機接口等因素。

架橋機所使用傳感器有旋轉(zhuǎn)編碼器、接近傳感器、光電傳感器、壓力傳感器、傾角傳感器、重量傳感器、風(fēng)速傳感、限位開關(guān)等。按傳感器信號輸出類型可分為開關(guān)量、模擬量和數(shù)字量。

設(shè)計中安全監(jiān)控系統(tǒng)所使用的S7-200 SMART CPU具有RS485和Profibnet通信接口，優(yōu)先考慮這兩種信號類型的傳感器。但要注意PLC接口的通信距離，一般超過50 m要加裝中繼或路由器進行延長。

2.4 終端軟件功能

架橋機安全監(jiān)控終端需實現(xiàn)功能[7]：對架橋機運行數(shù)據(jù)進行實時顯示、存儲、查詢；故障時立即發(fā)出報警信號，并能按預(yù)設(shè)的處理方式停止相應(yīng)機構(gòu)動作。架橋機安全監(jiān)控終端軟件顯示界面至少應(yīng)有工作狀態(tài)頁面、歷史記錄頁面、報警查詢頁面、參數(shù)設(shè)置頁面、數(shù)據(jù)導(dǎo)出頁面等，如圖2所示。

圖2 監(jiān)控終端界面組成

3 架橋機遠程監(jiān)控系統(tǒng)

架橋機遠程監(jiān)控系統(tǒng)[8]需建立在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上，對設(shè)備進行遠程預(yù)警和在線監(jiān)管，提高設(shè)備智能化程度、降低作業(yè)安全風(fēng)險，還可及時診斷設(shè)備故障。架橋機遠程監(jiān)控系統(tǒng)需要實現(xiàn)如下功能[9]：（1）采集數(shù)據(jù)實時回傳，如地理位置信息、設(shè)備運行狀況信息等及時回傳云平臺[10]，并將數(shù)據(jù)存儲；（2）遠程監(jiān)控分析，為用戶提供非正常狀態(tài)信息，為設(shè)備維修保養(yǎng)提供依據(jù)；（3）對設(shè)備運行數(shù)據(jù)進行處理，根據(jù)已設(shè)定規(guī)則進行報警。

遠程監(jiān)控系統(tǒng)主要有設(shè)備端、服務(wù)器端和客戶端組成。設(shè)備端包括安全監(jiān)控終端，如PLC、HMI和儀表等；還包括物聯(lián)網(wǎng)關(guān)，如各種IOT無線通訊模塊。服務(wù)器端（即監(jiān)控云平臺）分為公有云服務(wù)器或自建私有云服務(wù)器?？蛻舳藶镻C客戶端/WEB客戶端、手機App等。通過互聯(lián)網(wǎng)（以太網(wǎng)、4G、5G等），把架橋機數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h端云數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控、設(shè)備診斷、故障報警等功能，其系統(tǒng)架構(gòu)[11-12]如圖3所示。

圖3 遠程監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

設(shè)計中選取了施耐德機器顧問云平臺及物聯(lián)網(wǎng)關(guān)作為千噸級架橋機的遠程監(jiān)控的軟件和硬件。在軟件設(shè)計方面，通過Web組態(tài)將物聯(lián)網(wǎng)關(guān)上傳的架橋機數(shù)據(jù)靈活地在遠程監(jiān)控窗口顯示，并提供數(shù)據(jù)分析和報警等。

4 架橋機視頻監(jiān)控系統(tǒng)

架橋機視頻監(jiān)控主要是為了輔助駕駛室操作人員及時了解重點位置情況，為操作提供參考，同時還可以記錄現(xiàn)場作業(yè)情況，給發(fā)生意外或事故提供原因分析資料。架橋機視頻監(jiān)控應(yīng)實現(xiàn)功能：（1）監(jiān)控過孔、喂梁、吊梁狀態(tài)，小車及支腿運行狀態(tài)以及卷揚機構(gòu)運行狀態(tài)（鋼絲繩排繩）；（2）用戶在插入4G流量卡后通過螢石云，可實現(xiàn)遠程PC電腦實時查詢監(jiān)控，視頻回放功能；（3）可實現(xiàn)手機App遠程實時查詢設(shè)備狀態(tài)，視頻畫面抽取查詢等功能。

千噸級架橋機共配置10個攝像頭來監(jiān)控重點區(qū)域的運行情況，相關(guān)畫面可以在司機室大屏監(jiān)視器查看，也可以通過手機、電腦遠程查看。

5 應(yīng)用效果分析

千噸級架橋機安全監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了架橋機本機和遠程端的運行狀態(tài)監(jiān)控和故障報警，有效保障了架橋施工作業(yè)安全。該系統(tǒng)已在設(shè)備上進行了相關(guān)的測試和試驗驗證，功能滿足設(shè)計要求，遠程數(shù)據(jù)和視頻傳輸穩(wěn)定可靠。如圖4～5所示。

圖4 安全監(jiān)控終端顯示

圖5 遠程監(jiān)控網(wǎng)頁顯示

6 結(jié)束語

千噸級分體式架橋機安全監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了架橋機各作業(yè)工況下的運行狀態(tài)采集和實時監(jiān)控預(yù)警，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將架橋機關(guān)鍵參數(shù)、工作狀態(tài)以及故障信息接入遠程監(jiān)控平臺，實現(xiàn)了遠程訪問和遠程故障預(yù)警等。架橋機本機和遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)有效提高了設(shè)備自動化程度，幫助現(xiàn)場操作人員和設(shè)備管理單位及時掌握設(shè)備狀態(tài)，降低了故障安全風(fēng)險。