大型起重機(jī)分布式安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

徐　夢(mèng)，凌張偉，夏珺芳，王黎明，蔡偉勇

(浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，浙江杭州310020)

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大型起重機(jī)分布式安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

徐夢(mèng)，凌張偉，夏珺芳，王黎明，蔡偉勇

(浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，浙江杭州310020)

針對(duì)大型起重機(jī)已有安全監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀，采用低成本、高性能的ARM-Linux嵌入式開(kāi)發(fā)技術(shù)和分布式無(wú)線傳感器組網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套大型起重機(jī)分布式安全監(jiān)控管理系統(tǒng)，可快捷、低成本地實(shí)現(xiàn)對(duì)大型起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)的改造，以滿(mǎn)足GB/T28264-2012的有關(guān)監(jiān)控管理要求。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)通過(guò)安全監(jiān)控儀讀取原有的PLC監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)并無(wú)線接入風(fēng)速儀等數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)起重機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)控、記錄和歷史回放；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)起重機(jī)工況和分析，快速危險(xiǎn)報(bào)警。設(shè)計(jì)的新系統(tǒng)具有低成本、快速組網(wǎng)改造的特點(diǎn)，在某船廠600T龍門(mén)吊中得到應(yīng)用。

ARM-Linux大型起重機(jī)分布式安全監(jiān)控系統(tǒng)改造

起重機(jī)是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的工程機(jī)械。起重機(jī)在起吊和搬運(yùn)重物時(shí)存在很多的危險(xiǎn)因素，事故時(shí)有發(fā)生。近幾年起重機(jī)的事故率一直居高不下，導(dǎo)致人員傷亡的絕對(duì)數(shù)字高居八大類(lèi)特種設(shè)備之首[1-2]。國(guó)家對(duì)大型起重機(jī)的安全監(jiān)控系統(tǒng)也提出了多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)和管理要求[3]。但是目前已有的通用起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)還難以滿(mǎn)足國(guó)家要求，特別是對(duì)于大型起重機(jī)自帶的或早期安裝的安全監(jiān)控系統(tǒng)需要進(jìn)行改造與升級(jí)。本系統(tǒng)就是在兼容原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，對(duì)600 T龍門(mén)吊進(jìn)行了低成本的改造升級(jí)。

1　監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和模型

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)的目標(biāo)是針對(duì)目前起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，在不更改原有控制系統(tǒng)程序的基礎(chǔ)上，增加監(jiān)控模塊，讀取原有監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，進(jìn)行老舊系統(tǒng)整合，以實(shí)現(xiàn)最低成本、高性能的改造與升級(jí)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本系統(tǒng)不修改原系統(tǒng)的PLC程序代碼，根據(jù)已有的PLC源碼和電氣圖紙分析大車(chē)行程、大車(chē)糾偏、高度、重量、小車(chē)行程、操作指令等數(shù)據(jù)地址。通過(guò)MODBUS-TCP協(xié)議，新裝安全監(jiān)控儀與CP343-1 LEAN的以太網(wǎng)接口來(lái)獲取原PLC數(shù)據(jù)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求及綜合企業(yè)的生產(chǎn)安全需求，需要監(jiān)控的內(nèi)容如圖2所示。

圖2　監(jiān)控系統(tǒng)模型圖

信息采集單元主要讀取包括重量、角度、高度、位移及風(fēng)速等傳感器信號(hào)，并將采集的信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，傳輸?shù)叫畔⑻幚砟K[4-5]。信息經(jīng)過(guò)系列的處理后，可以實(shí)時(shí)傳輸給監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)械設(shè)備的全方面監(jiān)控。

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由傳感器、無(wú)線采集盒、監(jiān)控記錄儀、控制器等組成，根據(jù)GB/T 28264-2012《起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》所要求的有關(guān)內(nèi)容進(jìn)行布點(diǎn)設(shè)置，特別是兼容采用已有監(jiān)控系統(tǒng)中存在的傳感器信號(hào)來(lái)設(shè)計(jì)新的傳感器布置方案。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境，在老系統(tǒng)原有的基礎(chǔ)上，通過(guò)分布式無(wú)線方式布置加裝傳感器，基于嵌入式開(kāi)發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)，以低成本高性能實(shí)現(xiàn)中央控制器[6]。系統(tǒng)框架如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架圖

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是綜合傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息技術(shù)及無(wú)線通信技術(shù)的新型網(wǎng)絡(luò)[7]。它可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)各種監(jiān)控信息，并通過(guò)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行信息處理，最后傳送到終端用戶(hù)[8]。該系統(tǒng)采用分布式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)各個(gè)傳感器進(jìn)行組網(wǎng)。

其中，起重量、風(fēng)速、水平度通過(guò)AI信號(hào)采集盒采集模擬信號(hào)。起升高度和大、小車(chē)行程通過(guò)SSI信號(hào)采集盒采集絕對(duì)值編碼器輸出的SSI信號(hào)。DI開(kāi)關(guān)量信號(hào)采集盒采集門(mén)限位、機(jī)構(gòu)間聯(lián)鎖、制動(dòng)器狀態(tài)、操作指令(例：小車(chē)1提升、小車(chē)1剎車(chē)、小車(chē)1放降)等無(wú)源觸點(diǎn)信號(hào)。基于ARM的嵌入式監(jiān)控儀安裝在駕駛室，監(jiān)控管理系統(tǒng)軟件則是在基于LINUX操作系統(tǒng)平臺(tái)下進(jìn)行開(kāi)發(fā)。實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的圖形顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢(xún)與分析、以及聲光報(bào)警等功能。

3　功能實(shí)現(xiàn)

圖4　系統(tǒng)運(yùn)行界面

該系統(tǒng)主要功能模塊包括系統(tǒng)設(shè)置、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)處理、輔助功能這四大模塊。如圖4為系統(tǒng)界面圖。

用戶(hù)管理模塊，主要實(shí)現(xiàn)了兩級(jí)權(quán)限管理，管理人員和操作人員，擁有密碼修改，賬戶(hù)管理等功能。

參數(shù)設(shè)置模塊，主要實(shí)現(xiàn)了設(shè)備信息查看，可現(xiàn)場(chǎng)選取多個(gè)監(jiān)控對(duì)象，可簡(jiǎn)單方便地設(shè)定控制條件，并生成參數(shù)報(bào)表，可方便地標(biāo)定現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

數(shù)據(jù)處理模塊，主要實(shí)現(xiàn)了主、副起升重量、高度等重要參數(shù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)；能繪制某一批次的載荷譜，能查詢(xún)主、副起升的循環(huán)次數(shù)、超載次數(shù)、限位次數(shù)和超過(guò)某一噸位的循環(huán)次數(shù)；并且提供數(shù)據(jù)庫(kù)手動(dòng)和定期備份功能，防止數(shù)據(jù)的意外丟失。可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)和起重機(jī)運(yùn)行參數(shù)，并進(jìn)行相應(yīng)的控制以保證起重機(jī)工作于安全狀態(tài)。

輔助模塊，主要實(shí)現(xiàn)了用戶(hù)修改控制條件和設(shè)備標(biāo)定時(shí)會(huì)自動(dòng)生成修改日志，便于用戶(hù)查詢(xún)。

圖5　安全監(jiān)控儀現(xiàn)場(chǎng)圖

系統(tǒng)在某船廠600 T龍門(mén)吊安全監(jiān)控系統(tǒng)改造升級(jí)中得到應(yīng)用，圖5為監(jiān)控儀實(shí)際安裝圖。

4　結(jié)束語(yǔ)

安全監(jiān)控對(duì)于大型起重機(jī)的安全運(yùn)行具有十分重要的意義。本系統(tǒng)可快速對(duì)原起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行快速改造升級(jí)，滿(mǎn)足有關(guān)安全管理要求。采用ARM-Linux設(shè)計(jì)具有功能強(qiáng)大、系統(tǒng)穩(wěn)定的特點(diǎn)，采用無(wú)線分布式組網(wǎng)，可快速對(duì)風(fēng)速儀、限位器等傳感信息組網(wǎng)通訊，便于現(xiàn)場(chǎng)安裝。本系統(tǒng)在船廠龍門(mén)吊中成功應(yīng)用，對(duì)大型起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)改造升級(jí)具有良好借鑒作用。

[1]Yu Y, Zhao Z L, Chen L. Research and design of tower crane condition monitoring andfault diagnosis system[C]//2010 International Conference on Artificial Intelligence and Computation Intelligence. IEEE,2010:405-408.

[2]高金花.安全監(jiān)控管理系統(tǒng)在門(mén)式起重機(jī)中推廣探討[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2014，27(2):117-119.

[3]黃國(guó)健，劉金，李鋈春，等.廣州造船龍門(mén)起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)檢驗(yàn)情況[J].中國(guó)特種設(shè)備安全，2014，30(11):44-48.

[4]計(jì)三有，張偉健，仇艷麗.基于ARM-Linux的門(mén)座起重機(jī)作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].工程機(jī)械，2013，44(6):6-12.

[5]林衛(wèi)國(guó).造船門(mén)式起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)[J].港口裝卸，2013(3)：26-28.

[6]于浩，李捍東.基于ARM/Linux的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代機(jī)械，2014(4)：38-40.

[7]習(xí)琨.基于ZigBee的簡(jiǎn)單無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南開(kāi)大學(xué)，2008.

[8]潘健華.大型船廠造船門(mén)式起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)[J].機(jī)電工程，2014,31(1):72-75.

Design of the distributed safety monitoring system for large-scale cranes

XU Meng, LING Zhangwei, XIA Junfang, WANG Liming, CAI Weiyong

Considering the present situation of crane safety monitoring system, we adopted the high-performance, lowcost ARM-Linux embedded development technology and the distributed wireless sensor network technology, and designed a distributed safety monitoring system for large-scale cranes, which could improve the old safety monitoring system quickly and at low cost. The new system meets the demand of GB/T 28264-2012. The new system reads the original PLC records through a new safety monitor, and accesses the anemometer wirelessly to get the data. It realizes the monitoring, recording and playback of the operation data of the crane, the analysis of the conditions of the carne, and rapid alarm. The new system is lowcost and fast to improve, and has been successfully applied to the 600T gantry crane in a shipyard.

ARM-Linux，large-scale crane，distributed，safety monitoring system，improvement

TP277

B

1002-6886(2016)04-0091-03

國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015QK091)。

徐夢(mèng)(1990-)，女，本科，浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，從事電梯、起重機(jī)等特種設(shè)備檢驗(yàn)與評(píng)估。

2016-01-15