大型船廠造船門式起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)研究與開發(fā)

潘健華

(廣州市特種機電設備檢測研究院，廣東廣州510000)

0 引 言

起重機械在國民經濟生活中是一個應用相當廣泛的機械設備，為我國國民經濟的發(fā)展提供了強有力的支持，作出了重大的貢獻。起重機械品種多、類型雜、應用廣，使用的場合也比較復雜、惡劣，使用過程中存在各種安全隱患［1］，在起重機行業(yè)里有GB 6067.1《起重機械安全規(guī)程第 1 部分:總則》［2］、GB/T3811《起重機設計規(guī)范》、GB5226.2《機械安全機械電氣設備第32部分:起重機械技術條件》等相關國家標準和一批產品標準，起重機械的設計和安裝都有明確的要求和標準，但是針對起重機械安全監(jiān)控方面的標準卻尚不全面，行業(yè)內安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的研究與開發(fā)是多種多樣的，功能設計也各不相同，監(jiān)控的范圍不夠全面，不僅不能及時預警、風險提示乃至緊急制動而導致事故發(fā)生，同時還因為缺少起重機運行記錄數據，造成事故技術原因分析困難。

2012年7月1號GB/T28264《起重機械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》標準正式實施，為了能實時有效地監(jiān)控特種設備的運行狀況，又要符合安全監(jiān)控標準的要求，本研究介紹GB/T28264對大型起重機械安全監(jiān)控管理的要求，針對大型船廠門式起重機械的安全使用要求，設計一套不但能診斷故障、預測潛在的隱患，而且在故障發(fā)生時能實時有效地響應，還能把安全運行記錄數據存儲起來，以便于事故追蹤的安全監(jiān)控管理系統(tǒng)。

1 起重機械安全管理現狀

近年來政府一直強調要采取法律、行政、經濟、技術等措施，加強特種設備的管理，堅決遏止重特大事故的發(fā)生［3］，但由于各種原因，其事故率近幾年一直居高不下，導致人員傷亡的絕對數字一直高居八大類特種設備之首［4］。

從事故原因分析，由于人為原因，例如無證操作、人為過載、操作不規(guī)范等違章操作引起的事故約占事故總數的57%［5］;起重機控制裝置失靈或鋼絲繩質量差等制造質量引起的事故約占29%［6］;還有14%的事故原因是風速大、地基下沉等自然災害引發(fā)的事故［7］。引起事故的主要原因有:違規(guī)操作、設計缺陷、制造缺陷、維修缺陷、管理缺陷等。其中，違規(guī)操作主要原因包括:起重機操作人員未經安全與操作培訓直接上崗;無視起重機的承載上限，放松警惕，導致起重機過載;未有可依的操作章程，操作人員無章可循等。

鑒于以上結果，安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的研究與開發(fā)非常必要，通過將現代自動化控制、計算機網絡技術、無線通訊等多種技術相結合，改變原來自我封閉的單一控制方式，實現起重機智能化和管理網絡化，這是起重機，尤其是船廠特種起重機的發(fā)展方向。

2 安全監(jiān)控管理系統(tǒng)研究目標與內容

2.1 研究目標

起重機械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)主要是為保證起重機械運行的安全性、可控性以及可管理性而設計研發(fā)的一套設備管理解決方案，主要用于反映起重機械實時和有效的運行狀況，并能夠對這些狀況和司機的操作指令進行實時地監(jiān)控、記錄和歷史回放;實時監(jiān)控檢測起重機工況，自帶診斷功能，快速危險狀況報警以及安全控制。系統(tǒng)具有黑匣子功能，自動記錄作業(yè)時的危險工況，為事故分析處理提供依據。

2.2 安全監(jiān)控信息采集要求

根據GB/T28264標準的要求，大型起重機械安全監(jiān)控系統(tǒng)信息采集源有18項［8］，但針對門式起重機，其所要求采集的信息源為11項，分別是:起重量限制器、起升高度限位器/下降深度限位器、運行行程限位器、偏斜限位器、聯(lián)鎖保護安全裝置、抗風防滑裝置、風速儀裝置、同一或不同一軌道運行機構防碰撞裝置、超速保護裝置、供電電纜卷筒安全限位、起升機構制動器。當有遠程監(jiān)控要求時，還要增加遠程視頻監(jiān)控。

3 安全監(jiān)控管理系統(tǒng)設計

3.1 總體構思和模塊劃分

起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)主要由兩個子系統(tǒng)組成，分別是數據信息系統(tǒng)、視頻信息系統(tǒng)，其硬件設備安裝位置如圖1所示。

圖1 起重機械信息采集源

數據信息系統(tǒng)將起重機運行時的數據信息實時地采集進來，并且對其進行處理和存儲，然后控制起重機的運行，此外，系統(tǒng)還將故障信號和危險信號反映出來，提醒操作人員和維修管理員。該系統(tǒng)包括信息采集單元(限位、重量傳感器、編碼器等)，信息處理單元(PLC)，信息存儲單元和控制輸出單元(CMS)。

視頻信息系統(tǒng)采集起重機行走區(qū)域和吊點的圖像畫面，并顯示在司機室內的顯示器上，供司機查看，同時存儲72 h。

3.2 數據信息系統(tǒng)

3.2.1 信息采集單元

信息采集單元用于讀取信息源數據。它由機械限位、感應限位、紅外線光電限位、超速開關、重量傳感器、測速編碼器、絕對值編碼器、PLC的輸入模塊等組成，信息采集模塊示意圖如圖2所示，它們將采集的信號送至信息處理單元。

圖2 信號采集模塊

PLC模塊用于接收操作站和機上各個傳感器的信號，并進行相應地運算和處理，然后輸出控制指令，控制相關機構的運行。其具有開機自診斷功能，當檢測到模塊故障或通訊問題時，紅色的 Error指示燈會亮起。

3.2.2 信息處理單元

信息處理單元將采集到的數據進行計算和處理，同時根據起重機工況的要求，執(zhí)行邏輯控制。它由可編程序控制器和工控機組成。PLC的I/O及模擬量模塊將造船門式起重機上安裝的各種限位、編碼器、重量傳感器、風速儀等信號實時地采集進來，然后通過PLC的CPU對信號進行處理，控制相關機構運行，并作出邏輯處理和故障報警等判斷。對于極限限位和超速開關這類信號，則采取同時進入硬件控制回路和PLC模塊，這樣可以起到雙保險的作用;而對于有些不會造成損失的信號則直接進PLC模塊。并且極限限位等一類故障中，系統(tǒng)設計時通常使用的常態(tài)為常閉觸點，這樣，只要信號丟失，就認為極限動作，或者線路有問題，提高了安全性。工控機用于實時讀取PLC程序內相應的信息，并且通過監(jiān)控軟件將造船門式起重機的各種監(jiān)控信息實時顯示在電腦上，是信息處理單元和CMS單元的連接紐帶。該軟件還提供了接口，可以將數據導出成Excel通用形式。

3.2.3 信息存儲單元和控制輸出單元(CMS)

CMS的功能是實時存儲所采集的信息，并記錄操作指令和起重機實時工況，輸出控制信號和報警信號。它主要由PLC的輸出模塊、驅動器和數字硬盤等組成，CMS子系統(tǒng)結構圖如圖3所示。

CMS和PLC通過以太網交換機相聯(lián)，實時讀取PLC內相應的信息，并且通過監(jiān)控軟件，將各種監(jiān)控信息實時顯示在電腦上，同時存儲在硬盤內。無線設備又將工控機、PLC、硬盤錄像機接入地面局域網，將信息傳輸至服務器。局域網又與公網相連，用戶可以通過公網訪問起重機上的CMS。

圖3 CMS子系統(tǒng)結構圖

當數據庫存儲的容量大于2 GB的時候系統(tǒng)會自動進行壓縮數據，并根據程序設置，自動刪除最早的歷史數據，刪除的數量在程序中可以定義。故障記錄達到設定數量時，會在CMS的故障畫面上，提醒用戶備份。

PLC擁有700 MHz的CPU，采樣速度為0.14 ms內可以處理1 000個布爾量，其滿足“標準的運行周期內采用周期不大于100 ms”的要求。

3.3 視頻信息系統(tǒng)

視頻信號采集系統(tǒng)由前端、傳輸、控制和后端組成，前端主要由高性能攝像機組成;傳輸采用數字式光端機;控制由小型控制鍵盤和四畫面分割器組成，鍵盤用于控制前端球機的旋轉和變焦，四畫面分割器用于整合多路視頻，將它們組合成一個畫面;后端為2臺監(jiān)視器和一臺高性能硬盤錄像機。司機通過司機室內的2臺監(jiān)視器，觀察到大車行走區(qū)域，吊點區(qū)域的環(huán)境情況，硬盤錄像機提供存儲視頻和Web瀏覽功能，遠程監(jiān)控系統(tǒng)結構圖如圖4所示。

圖4 遠程監(jiān)控系統(tǒng)結構圖

目前，系統(tǒng)上用的的信號接口如下:無源開關量信號接口有110 V輸入/輸出模塊，用于接收限位、光控開關，溫控開關等信號。模擬量信號接口有4 mA～20 mA的模擬量輸入模塊，用于接收重量傳感器，風速等信號。脈沖量信號接口有，在驅動器的主控板上有編碼器信號輸入板，它可以接收來自脈沖編碼器的信號。整機的數據采用PROFIBUS和GPRS通訊，這些滿足國家現行的標準規(guī)定，是對外開放的協(xié)議［9］。

采用GPRS無線接入Internet的方式，雖然比較靈活、方便，但是這種方式也存在著一定的缺陷［10］。數據傳送速率相對較慢，當工業(yè)現場產生大量的報警信息和狀態(tài)信息時，無法滿足數據傳送的要求［11］。由于GPRS無線接入方式自身條件的限制，為了降低網絡開銷，可以在服務器端建立存儲過程。這主要是由于存儲過程的以下優(yōu)點:

(1)可以與其他應用程序共享應用程序的邏輯，從而確保一致的數據訪問和操縱;

(2)提供了一種安全機制;

(3)執(zhí)行速度快，便于提高系統(tǒng)的性能;

(4)可以減少網絡傳輸時間。

通過使用服務器端存儲過程，可極大地降低網絡開銷，使用過程存儲前、后，數據量的對比如表1所示。通過對比可以發(fā)現，雖然在建立連接時，使用存儲過程的網絡開銷比較大，但是每條數據的傳送開銷，存儲過程的優(yōu)勢則十分明顯，這十分適合工業(yè)現場大量數據傳送的需求。

表1 使用存儲過程前、后網絡開銷的比較

4 結束語

安全監(jiān)控系統(tǒng)對于保障生產安全和方便生產管理具有重要意義。設計一套先進、方便實用的數字化安全監(jiān)控系統(tǒng)，對于實現人們的安全生產、提高監(jiān)控質量、實現科學有效的管理都具有十分重要的意義。本研究設計的安全監(jiān)控與管理系統(tǒng)具有以下特點:

(1)完全按照國家標準GB/T28264的要求進行設計;

(2)增加了遠程視頻監(jiān)控設計，整個安全監(jiān)控系統(tǒng)在起重機6個重要部位都安裝了視頻監(jiān)控。另外通過Internet還可以實現遠程監(jiān)控中心對起重機的安全管理和交互;

(3)規(guī)范管理和操作，通過過程監(jiān)測，可將機械作業(yè)的過程以數字方式全部記錄下來，從而既可以為對操作人員進行工作量定量考核提供真實的數據，也可以規(guī)范操作，對違章作業(yè)提供記錄信息。

（References）:

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［11］錢志鴻，張曉帆，王義君，等.基于節(jié)點特性的 LR_WPAN網絡能量優(yōu)化路由算法［J］.通信學報，2010，31(10):238-243.