塔式起重機監控技術研究

程江濤

[摘 要]文章對塔式起重機的監控技術國內外研究現狀進行了系統闡述，并分析了我國起重機監控系統的需求分析和設計要求，研究了基于WinCC的監控技術、基于OPC技術的數據通信功能設計、基于GPRS技術的無線數據傳輸系統這三大監控技術的特點及主要功能。

[關鍵詞]塔式起重機；監控技術；WinCC技術；OPC技術；GPRS技術

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2016.32.078

1 前 言

塔式起重機是一種由動臂、塔身和底座等構件組成的垂直運輸貨物的機械設備，包括金屬結構、工作機構和電氣系統三部分，一般具有起升高度大、工作效率高、作業范圍廣、安裝撤除方便、工程造價低等諸多優點，因此在高層建筑、橋梁工程、水利工程、港口工程等領域中得到了廣泛的應用，從而使得施工效益得到成倍增加。然而在工程應用中由于操作人員的不規范操作、職能部門的監管不力等因素造成運行中塔機存在諸多安全隱患，致使安全事故時有發生。近年來，隨著工程建設規模的擴大及社會對塔機事故關注度的不斷提高，因此，有必要對運行中的塔機加強安全監控，分析塔機的結構安全，加大政府的監管力度，從而有效規避塔機的安全風險，達到降低事故發生率的目的，以便使塔機安全、高效、平穩地服務于各行業。

塔機起源于歐洲，經過近120年的發展，先后形成了以WOLEE公司、意大利SIMMA公司為代表的一大批生產廠家。其代表性的塔機監控系統有：德國LIEBHERR起重機監控系統、法國MD系統塔機監控系統、英國起重機監控系統。而我國的塔式起重機的監控系統研究較晚，且大部分是仿照日本20世紀90年代前的設備產品，并存在可靠性差、功能單一、控制中心與塔式起重機間缺乏實時通信等諸多缺陷。隨著近年來國家科技綜合實力增強，已逐漸形成了具有中國自主知識產權的塔吊監控技術，如：上海交通大學對PLC進行了現場的數據采集，同時他們還利用了無線傳輸的技術，通過無線傳輸技術使起重機與監控中心整合在一起，同時他們還使用TCP/IP網絡數據傳輸協議，實現了起重機與監控中心的無障礙傳輸，實現了所有起重機的實時監測、診斷。

目前國外塔機監控技術處于電子式安全監控階段，而國內正處于機械安全監控向電子式安全監控的過渡階段，因此，我國的塔機監控技術還有很大的發展空間。從目前塔機監控技術的發展趨勢來看，塔式起重機已經呈現系統集成化程度高、微型化、模塊化、無線化和網絡化等技術特點，在對硬件方面進行改進的同時，應逐步對軟件進一步改善，從而使得塔機監控技術更加簡單、智能、安全，增加的語音功能和自診斷功能能夠提高操作的安全性，從而提高塔式起重機監控系統的高速數據處理能力、可視化的人機界面等智能化的能力，能夠全天候地對塔機的運行過程進行監控。

2 起重機監控系統的需求分析和設計要求

起重機按照結構特點和使用工況分為：橋式起重機、門式起重機、門座起重機、塔式起重機、流動式起重機、架橋機、纜索起重機、桅桿起重機和升船機九大類別，其中門式起重機是工業現場使用最為廣泛，對工作最為重要的一類起重機。

門式起重機主要是由門架結構、主梁結構、機構傳動、驅動裝置、控制系統以及吊具等共同組成。門式起重機主要包括四大機構，分別為起升機構、小車行走機構、大車行走機構、吊具。門式起重機用于船臺拼裝船體，常備有兩臺起重小車：一臺有兩個主鉤，在橋架上翼緣的軌道上運行；另一臺有一個主鉤和一個副鉤，在橋架下翼緣的軌道上運行，以便翻轉和吊裝大型的船體分段。起重量一般為100～1500噸；跨度達185米；起升速度為2～15米/分，還有0.1～0.5米/分的微動速度。

因此，其監控系統應具有以下技術特點：系統可靠性高；具備技術先進性；便于操作和使用；系統具有可擴展性；成本合理。需監控的內容包括：運行數據監控；實時顯示；數據存儲；故障記錄及歷史追溯；遠程監控。

起重機遠程監控系統由數據釆集單元、起重機監控系統主機（包括起重機監控系統軟件）、無線傳輸單元、數據中心服務器和遠程監控平臺軟件五部分組成。數據釆集和處理單元通過現場總線采集起重機原有控制系統的數據信息；起重機監控系統主機運行起重機監控系統軟件，通過組態軟件設計人機界面系統，顯示起重機的各種運行數據和故障報警信息；無線傳輸單元接收監控系統主機的監控數據，通過GPRS網絡與遠程的數據中心服務器建立數據連接，將數據發送到數據中心服務器；數據中心服務器運行由數據庫系統接收來自無線傳輸單元的監控數據，將數據進行解析、處理和存儲，并與遠程監控平臺軟件建立數據連接；遠程監控平臺軟件通過后臺程序與數據中心服務器進行數據通信，將起重機的監控數據進行顯示。

3 基于WinCC的監控技術

SIMATIC WinCC是西門子公司的視窗控制中心組態軟件。它具有SCADA系統和人機界面（HMI）系統的完整功能，同時還提供了OPC數據通信和腳本編程等強大功能，用戶可以在Windows操作系統中運行和使用WinCC。其具有以下特點：與控制系統的緊密結合；完備的設計功能；控件接口功能；腳本程序功能；系統的開放性。軟件的系統結構包括：圖形編輯系統；報警信息系統；變量管理系統；報表編輯系統；全局腳本系統；用戶管理系統；標準接口。

畫面設計采用了WinCC的“畫面窗口”方式，其設計主要包括：權限管理功能設計；實時監控功能設計；歷史數據回放功能設計；數據趨勢曲線分析功能設計；報警故障記錄與查詢功能設計；運行維護和設備信息查詢功能設計；視頻監控功能設計。

4 基于OPC技術的數據通信功能設計

OPC（OLE for Process Control）即用于過程控制的OLE，OLE（Object Linking and Embedding）即對象的鏈接和嵌入。其實質是在硬件設備和軟件系統之間建立了統一的標準接口規范，只要遵循這套規范進行通信，就可以實現透明的數據交換。其具有以下特點：開放的標準；互聯性；高效的數據傳輸；產業性。

本系統WinCC與S7-1200PLC之間采用OPC數據通信方式，S7-1200PLC通過SIMATIC NET OPC Server軟件功能作為OPC服務器，WinCC作為客戶機，應用西門子公司的STEP7 V5.5、STEP 7 Basic V10.5、SIMATIC NET V7.1編程軟件對S7-1200PLC進行硬件組態和程序設計，并應用WinCC V7.0組態軟件進行OPC通信和變量創建。其硬件環境為：S7-1200PLC、CPU 1214；一體式工控機。軟件環境為：STEP7 V5.5；STEP 7 Basic VI0.5；SIMATIC NET V7.1；WinCC V7.0。

5 基于GPRS技術的無線數據傳輸系統

通用分組無線服務技術（General Packet Radio Service）的簡稱，它是GSM移動電話用戶可用的一種移動數據業務。它通過利用GSM網絡中未使用的TDMA信道，提供中速的數據傳遞。GPRS是一種以全球手機系統（GSM）為基礎的數據傳輸技術，和以往連續在頻道傳輸的方式不同，它是以封包（Packet）式來傳輸，具有以下優點：覆蓋范圍廣；數據傳輸速率高；系統的傳輸容量大；投資成本低；良好的實時響應與處理能力。

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