淺析港口機(jī)械設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)

王亞夢，韓溫金

（山東煙臺市煙臺港股份有限公司，山東煙臺 264000）

0 引言

港口機(jī)械具有數(shù)量多、布置分散且種類不一等特點，隨著航運業(yè)的發(fā)展和節(jié)能工作的不斷推進(jìn)，港口機(jī)械的性能水平已成為衡量各港口企業(yè)能源綜合利用的一個重要參數(shù)。為了使港口企業(yè)正常生產(chǎn)，必須保證港口機(jī)械設(shè)備具有良好的工作狀態(tài)。

近年來，港口機(jī)械監(jiān)控技術(shù)突飛猛進(jìn)，然而由于不同的機(jī)械系統(tǒng)實際需求存在著很大差異，系統(tǒng)不能充分反映設(shè)備的運行情況。目前性能參數(shù)的測試只能通過將測試儀器連接到配電室進(jìn)行，這種方式既不利于實時監(jiān)測，也存在一定的安全隱患。港口機(jī)械性能采集分析網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建立，可以有效、實時地查看和統(tǒng)計機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)，并通過大數(shù)據(jù)模式的捕捉提高生產(chǎn)效率。各領(lǐng)域?qū)崟r在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，不僅減少了人力投入，而且還提高了實時監(jiān)測的穩(wěn)定性和收集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，可以為設(shè)備分析和控制提供有效的歷史信息。隨著我國工業(yè)技術(shù)和信息化水平的進(jìn)步，遠(yuǎn)程控制技術(shù)的開發(fā)越來越成熟，近年來一些港口已經(jīng)有效應(yīng)用其對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和管理。該系統(tǒng)能夠有效降低港口設(shè)備的維護(hù)成本，保證系統(tǒng)運行的可靠性和安全性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 設(shè)計理念

港口機(jī)械性能采集系統(tǒng)主要通過各種傳感器收集港口機(jī)械的各種指標(biāo)。經(jīng)過信號處理和數(shù)據(jù)采集過程后，通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，對終端的信息平臺進(jìn)行匯總和處理，并將數(shù)據(jù)顯示在系統(tǒng)軟件中。該系統(tǒng)應(yīng)具有以下5 個設(shè)計特點。

（1）用戶友好界面。為了讓各級用戶充分利用該系統(tǒng)，需要設(shè)計一個用戶友好界面，點擊用戶界面上的按鈕完成所有操作，不需要了解系統(tǒng)的操作就可在后臺運行。

（2）智能系統(tǒng)。通過主機(jī)對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以確定該值是否超過預(yù)先設(shè)定的范圍，如果超出設(shè)定值則應(yīng)及時報警。

（3）拓展系統(tǒng)。系統(tǒng)應(yīng)具有結(jié)構(gòu)化、標(biāo)準(zhǔn)化、功能擴(kuò)展、系統(tǒng)互聯(lián)、模塊化等功能，主要設(shè)備應(yīng)滿足拆遷重組的要求。

（4）系統(tǒng)容錯。系統(tǒng)設(shè)計采用星形結(jié)構(gòu)，當(dāng)遠(yuǎn)程終端故障時不影響其他遠(yuǎn)程監(jiān)測點數(shù)據(jù)傳輸。

（5）系統(tǒng)可靠性。系統(tǒng)具有自檢能力，硬件和軟件設(shè)計也保證了系統(tǒng)的可靠性。

1.2 系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)的功能主要有兩大類：一類是信息管理，包括查詢歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)、故障報告、用戶信息、維護(hù)計劃等功能；另一類是遠(yuǎn)程監(jiān)控，包括狀態(tài)監(jiān)測、信息統(tǒng)計、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、遠(yuǎn)程傳輸?shù)裙δ堋?/p>

1.3 系統(tǒng)構(gòu)架

依據(jù)煙臺港的運行情況和對機(jī)械監(jiān)測的需求，將監(jiān)測系統(tǒng)劃分為3 個功能層，分別為客戶端、主機(jī)以及設(shè)備端。其中，主機(jī)與客戶端之間的通信通過有線局域網(wǎng)（LAN）進(jìn)行，設(shè)備端與主機(jī)之間的通信通過有線局域網(wǎng)（WLAN）進(jìn)行；設(shè)備終端的功能層數(shù)據(jù)傳輸與采集主要依靠PLC 系統(tǒng)、傳感器和無線網(wǎng)橋來進(jìn)行；主機(jī)的功能層通過對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲和輸出，分析系統(tǒng)的健康狀態(tài)并實時顯示出監(jiān)控機(jī)械的健康狀態(tài)；一定權(quán)限下，客戶端功能層可以監(jiān)控設(shè)備終端。

監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)架的設(shè)計方案一般有兩種，一種是通過監(jiān)測系統(tǒng)的主機(jī)對客戶端和終端設(shè)備的數(shù)據(jù)粗傳輸進(jìn)行控制反饋，將所收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后按照權(quán)限傳遞給客戶端，該方案的缺點是當(dāng)客戶端用戶較多時，容易造成網(wǎng)絡(luò)擁堵；另一種是將客戶端與設(shè)備終端對接、數(shù)據(jù)直接傳輸，這樣能有效避免網(wǎng)絡(luò)擁堵，但缺點是當(dāng)客戶端不在線或出現(xiàn)故障時，該系統(tǒng)的功能失效，無法實現(xiàn)有效監(jiān)控。

2 數(shù)據(jù)采集和處理

數(shù)據(jù)信息需要采集各種傳感器傳來的測量信號，包括重量傳感器、角位移傳感器、水平位移傳感器、電壓傳感器、電流傳感器等。

（1）重量傳感器：可將質(zhì)量信號轉(zhuǎn)化為電信號從而實現(xiàn)測量功能。用于機(jī)械設(shè)備的負(fù)荷測量。

（2）角位移傳感器：與其他傳統(tǒng)類型的傳感器相比，該類傳感器采用非接觸設(shè)計，性能更可靠。

（3）水平位移傳感器：將所測量的物理信號轉(zhuǎn)換為電信號的形式，用于測量機(jī)器擺動時的距離。

（4）電壓傳感器：當(dāng)電網(wǎng)中出現(xiàn)失真嚴(yán)重的波形信號時，該傳感器可以實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換。

（5）電流傳感器：電流傳感器是一種檢測裝置，可以滿足輸出信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。

港口機(jī)械的數(shù)據(jù)傳輸和處理，是通過安裝在設(shè)備上的PLC 系統(tǒng)和對應(yīng)的模塊來完成的。不同類型的數(shù)據(jù)采集后傳送到PLC，通過相應(yīng)的模塊轉(zhuǎn)發(fā)，數(shù)據(jù)類型主要有狀態(tài)數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)和健康數(shù)據(jù)：通過設(shè)備和傳感器的PLC 獲得設(shè)備的運行狀態(tài)稱為狀態(tài)數(shù)據(jù)；應(yīng)用攝像頭采集視頻數(shù)據(jù)傳送到PLC；應(yīng)用應(yīng)變采集儀將監(jiān)測設(shè)備的應(yīng)力/應(yīng)變數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號成為健康數(shù)據(jù)。港口機(jī)械所產(chǎn)生的信號類型主要有兩種：模擬信號和開關(guān)信號，而采用傳感器采集到的信號主要以模擬信號為主，這些信號通過無線或有限傳送到服務(wù)器，這一過程受電磁干擾較為嚴(yán)重直接影響到數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。而本設(shè)計采用PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和傳輸，所產(chǎn)生的信號為數(shù)字信號，可以有效避開模擬信號傳輸?shù)谋锥耍▓D1）。

圖1 功能架構(gòu)

3 通信網(wǎng)絡(luò)

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸通常采用有線和無線通信結(jié)合的方式。

（1）在港口搭建有限局域網(wǎng)（LAN）和無線局域網(wǎng)（WLAN），港口設(shè)備通過WLAN 聯(lián)網(wǎng)，客戶端和服務(wù)器之間通過LAN 聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)的處理。港口機(jī)械一般布置分散但有序，因此通過設(shè)備上安裝的無線網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，這樣能使距離服務(wù)器較遠(yuǎn)的機(jī)械設(shè)備同樣被并入互聯(lián)網(wǎng)中。

（2）在機(jī)械設(shè)備的局域網(wǎng)接口上設(shè)置無線電橋，與安裝在最近的設(shè)備上的無線電橋通信。這種方法搭建出的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的優(yōu)點是，即使距離主機(jī)較遠(yuǎn)處的設(shè)備也可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，當(dāng)繼電橋連續(xù)上電時離線的設(shè)備不會影響其他機(jī)械設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對簡單、成本較低。缺點是數(shù)據(jù)傳輸是串聯(lián)的，當(dāng)熱點中繼失效后數(shù)據(jù)將無法正常傳輸。

4 人機(jī)交互界面

針對港口機(jī)械設(shè)備的需求和特點，設(shè)計了基于Kingview 軟件的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)交互可視化界面。該界面不僅簡潔方便而且具有機(jī)械設(shè)備的健康監(jiān)測系統(tǒng)管理、控制和監(jiān)測等必備功能，具有開放性，界面的操作主要包含狀態(tài)監(jiān)控界面、實時報警、過程曲線、歷史曲線、以及查詢歷史數(shù)據(jù)等（圖2）。在該界面不僅可以觀察港口區(qū)域內(nèi)機(jī)械設(shè)備的在線狀態(tài)和分布情況，而且可以通過各個設(shè)備的入口進(jìn)入到監(jiān)測主界面。主界面具有健康監(jiān)測、實時監(jiān)測和超限報警的功能。

圖2 人機(jī)交互界面

例如，針對港口門式起重機(jī)實時監(jiān)測功能監(jiān)測的主要參數(shù)有重量、時間、風(fēng)速、高度、門限位等；超限報警功能通過預(yù)設(shè)的報警值來實現(xiàn)實時的狀態(tài)監(jiān)測，當(dāng)發(fā)生操作故障、設(shè)備故障及其他故障狀態(tài)時進(jìn)行報警警示，同時對門機(jī)動作進(jìn)行鎖定，以確保工作狀態(tài)安全。同時，應(yīng)用SQL 庫可以實現(xiàn)監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)的存儲與分析，通過歷史數(shù)據(jù)制作統(tǒng)計報表、繪制統(tǒng)計柱狀圖等，實現(xiàn)實時的信息化管理。

5 健康水平評估與預(yù)測

港口設(shè)備機(jī)械零部件在工作時承受的荷載是隨機(jī)并連續(xù)的，對于機(jī)械零部件健康水平的預(yù)測應(yīng)基于機(jī)械結(jié)構(gòu)的特點來進(jìn)行，因此應(yīng)用Miner 損傷理論來預(yù)測設(shè)備的使用壽命D。

其中，l 為運行過程中循環(huán)的種類，Ni為在該種循環(huán)作業(yè)的應(yīng)力下港口機(jī)械所具有的壽命，ni為一次作業(yè)中所能承受的所有的循環(huán)次數(shù)。不同的應(yīng)值對應(yīng)的應(yīng)力等級如表1 所示。

表1 應(yīng)力等級

根據(jù)大型港口機(jī)械的實際磨損情況以及在工作過程中產(chǎn)生的測點應(yīng)力，計算各構(gòu)件的健康水平及剩余壽命。

為了驗證該系統(tǒng)，在煙臺港型號為MQ4040 的門式起重機(jī)上進(jìn)行應(yīng)用。將應(yīng)變儀和PLC 安裝在司機(jī)控制室內(nèi)，按照上文方案將各傳感器監(jiān)測信號傳輸?shù)絇LC，并通過全向網(wǎng)橋?qū)⑹占降男盘柊l(fā)射出去。調(diào)試后系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實時的數(shù)據(jù)采集與傳輸，網(wǎng)絡(luò)信號穩(wěn)定且能對信息快速響應(yīng)。在機(jī)械健康水平方面，通過分析得到該門機(jī)工作時各構(gòu)件產(chǎn)生的應(yīng)力值，根據(jù)Miner 損傷理論的計算結(jié)果，起重機(jī)的主要構(gòu)件在焊縫無裂紋且保持歷史應(yīng)用水平的情況下，相關(guān)構(gòu)件至少可安全使用0.6142×105次，安全運行約10 年。因此，該遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)能夠預(yù)測構(gòu)件使用壽命，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障并報警，有助于提高設(shè)備管理水平，為安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。

6 總結(jié)

港口企業(yè)和機(jī)械設(shè)備的使用相當(dāng)復(fù)雜，機(jī)械設(shè)備的安全運行是企業(yè)運營的基礎(chǔ)。通過收集各種機(jī)械設(shè)備的性能信息，開發(fā)了港口機(jī)械設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可以實時控制設(shè)備的使用情況，更清楚地發(fā)現(xiàn)運行過程中出現(xiàn)的問題。該系統(tǒng)提供了狀態(tài)實時監(jiān)測、故障診斷預(yù)警、歷史數(shù)據(jù)查詢、用戶管理、維護(hù)管理、信息統(tǒng)計、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能，基于WLAN 實現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息采集、人機(jī)界面交互、信息通信等，保障港口機(jī)械設(shè)備的可靠運行，促進(jìn)港口貿(mào)易的發(fā)展。