起重設備遠程在線監控及安全管理系統的研制

李 駿

中鐵二十四局集團貴溪橋梁廠有限公司 江西 貴溪 335400

1 項目研究的意義和目的

隨著國內經濟與各大行業的蓬勃發展，針對起重機械的技術需求也不斷提高，安全性、穩定性、高效率已成為它的主要發展目標。

據國家特種設備安全監察局統計，2014年我國起重機發生的安全事故共計44起，其中違章作業或操作不當導致的事故35起，設備質量安全隱患導致的事故9起；在冶金、機電、鐵路、港口、建筑等生產部門，在各類設備事故中起重機發生的事故高達25%左右。八成的故障是因為違規操作和監管不善造成的。

當前起重機安全監控系統多為本地監控，僅有國標強制規定的一些要求，對部分數據的狀態監控，實現少量的報警功能以及歷史數據的復現，且不能對設備進行有效管理，僅是被動的監控，不能滿足企業現代化發展的需求。因而，研制出一種自動化程度極高的起重機遠程監控系統，能夠跟蹤監測并存儲信息，借助無線傳輸計算機技術完成對起重機所有指標的監測，實現實時數據監控與可視化監視，同時引入設備管理概念，將監控和管理良好地結合在一起，具有智能分析與預警控制、故障診斷等一系列管理功能，是企業監管部門、工地管理人員以及起重機操作人員共同的愿望。

鑒于此，針對我公司的實際需求，開發了起重設備遠程在線監控及安全管理系統。本課題主要研究內容如下：

1）起重設備遠程在線安全監控及管理系統的規劃、系統結構搭建、云服務平臺的研發。

2）起重設備監控數據的采集、無線傳輸、與系統平臺的對接。

3）起重設備監控數據及視頻，利用互聯網，在遠程系統平臺呈現的功能實現。

4）實時監控和設備管理在系統平臺的結合，實現多地區、多機型的集中監控及管理。

5）起重設備重要安全監控信息的采集分析。

6）通過軟件系統實現起重設備管理流程化、標準化、系統化，設備維修、管理責任人監管到位。

2 系統組織架構、原理及實現方案

起重設備遠程在線監控及安全管理系統由系統電源、數據采集、數據傳輸、遠程監控平臺、本地監控平臺、視頻監控等組成（圖1），整體分為以下3個部分：數據采集、中間層數據處理和傳輸、頂層數據平臺數據顯示及管理[1-2]。

1）數據采集：通過對設備安全狀態、運行狀態的研究分析，在原有傳感器的基礎上，增加必要的安全監控、數據監控傳感器，通過監控機及PLC對設備數據進行全面的、系統性的采集。

2）數據處理和傳輸：在本地監控機上，對所有采集數據進行分析處理，根據起重機的運行參數、安全參數評估及設備性能參數的系統邏輯分析及運算，通過無線方式將處理后的數據上傳到系統服務器，包括視頻的傳輸。

3）系統平臺：將由監控機上傳到服務器的數據進行平臺展示，同時對數據進行整合分析，代表性的數據形成多種形式的趨勢曲線。平臺還增加了管理功能，對設備的點檢、維修、改造等都做了系統的流程處理，也對預警、報警、操作人員等進行記錄存儲。

圖1 系統組織架構

3 主要技術內容及創新點

本系統主要是針對起重機的特點而開發完成，系統基于BS架構，無需插件，用戶采用瀏覽器進行操作，支持手機、平板電腦、PC機進行訪問。基于H5和Ajax的Web框架應用平臺，達到網頁界面無刷的效果。利用Web瀏覽器可以實時查看起重機現場的工作狀況，及時了解現場實時數據、報警信息、歷史記錄、視頻在線監控、視頻歷史回放、遠程故障診斷等。

本項目創新點在于將Wi-Fi數據以Modbus通信的方式引入起重機監控系統，利用物聯網技術和機器視覺技術實現起重機運行狀態實時監控、預警報警、故障診斷、設備點檢、維修改造、統計分析、遠程監控功能。為管理人員提供科學有效的管理方法和處理事故所需的數據，提高起重機遠程監控信息化水平，有效減少施工傷亡事故的發生。

由系統平臺和硬件終端產品組成的起重設備遠程在線監控及安全管理系統，主要實現信息采集、信息處理、網絡傳輸、分析記錄、數據統計以及遠程監控等功能。

主要技術創新點有：

1）關鍵特殊項點的監測，即如何實時監測工作級別、液位法測主梁下撓度和軌道高差、下滑量檢測、歪拉斜吊檢測等技術。

2）獨有的設備管理系統，包括設備信息管理、工作流程、監控數據顯示、預警、報警、設備點檢、潤滑保養、設備改造、參數設置、故障診斷、數據報表、工作日志、指紋采集識別等功能。

3.1 整機工作級別的監測

通過采集起重機的工作起止時間、循環次數、起重量等相關運行數據，根據GB 3811—2008《起重機設計規范》，利用推導算法，編程由軟件計算起重機整機的工作級別。

3.2 下滑量檢測

下滑量是指相應起升機構由下降變為操作零位的瞬間開始在3 s內相應高度的變動值。下滑量值過大將直接影響現場工作的安全。

目前下滑量測量的方法主要有以下幾種：目測、采用行程開關控制的檢測方法、采用光控繼電器取代行程開關檢測、基于單片機的智能測量等。

以上這些方法需要特定的機械結構和電路控制作輔助設施，其機械部分及電路控制部分安裝較繁瑣，僅適用于起重機的生產廠家在其出廠時檢測其性能，或者需要在特定環境下對制動下滑量進行檢測的場合，而不適用于起重機在生產現場安裝后檢驗人員對其的安全檢測。

為完美解決下滑量的檢測問題，本系統通過安裝在卷揚機上的編碼器，根據特定算法計算解決。下滑量檢測的目的是看下滑量的發展趨勢，根據趨勢圖及時采取相應措施，將可能發生的事故消除在萌芽狀態。

3.3 液位法測主梁下撓度和軌道高差

預制梁場采用的提梁起重機額定起重量大，使用年限長，存在銹蝕的情況，安全風險嚴峻。考慮到門吊鋼主梁在交變應力下，易發生疲勞，許用應力降低，主梁剛度能否滿足使用要求，檢測主梁下撓度就顯得尤為重要，并根據檢測數據趨勢預判設備的壽命或采取相應措施。同時在安裝時軌道不平整以及后續的沉降也給設備安全帶來了隱患，監測軌道高差并根據監測數據采取相應的措施也是一個關鍵項點。

為此，我們研發了液位傳感器（圖2）用于起重機下撓度和軌道的監測，分別設置在端部、中部，根據液位差計算撓度與軌道傾斜。

該裝置的優點是有效可靠、結構簡單、成本低、維護方便。

3.4 歪拉斜吊檢測

起重機歪拉斜吊易產生橫向分力，起吊中引發猛烈搖擺，導致鋼絲繩纏繞滑出，加劇鋼絲繩、卷筒及滑輪的磨損，使大、小車機電設備嚴重過載，這些非常容易引發安全事故。因此需限制歪拉斜吊。目前國內通用的做法是分別安裝旁壓式起重量限制器和斜吊限制器，或者是特制的傾角傳感器。本系統采用一種新型的起重量斜吊一體化限制器（圖3），包括旁壓式拉力傳感器、U形卡、雙軸傾角傳感器模塊、報警裝置等，設置于控制儀表內。

起重量斜吊一體化限制器通過U形卡安裝在起重機的鋼絲繩末端（或平衡滑輪處的鋼絲繩），安裝時應將傾角傳感器的y軸向（或x軸向）平行于起重機的卷筒軸。

當起重量達到額定起重量的90%時，觸發報警裝置預警，起重機仍可起升和下降；當起重量達到起重機額定起重量的105%時，控制儀表發出報警，起升控制斷電，起重機只能下降不能起升。

限制起重機在使用中歪拉斜吊，控制3個角度：與卷筒截面的斜角αx，與卷筒鉛垂法面的斜角αy，總斜角α。任一個達到相應的預警閥值時（本系統設置為5°），將觸發報警裝置發出預警，起重機仍可操作；當歪拉斜吊的角度達到8°時，系統將發出報警，起重機的起升控制斷電，起重機只能下降不能起升，起重機的小車和大車只能向減小總斜角α的方向動作。

3.5 系統的主要管理功能

系統平臺通過對設備實時數據的在線監控（包含視頻），增加了設備管理功能，主要功能模塊有：預警、報警、設備體檢、設備點檢、維修改造、操作人員指紋身份識別等，實時記錄并儲存對應的管理數據，并生成相關報告，為提高設備管理提供有效的數據基礎。

管理人員通過互聯網，無論身處何處都能掌握設備的運行情況，也能實時了解設備的故障情況、事件的處理進度及設備的工作效率等。

4 效益分析

起重設備遠程在線監控和安全管理系統的應用，強化了起重機的安全管理，降低了安全事故率。為設備及安全管理部門監察起重機這一特種設備，提供了監察平臺。不同層級管理人員通過本系統可以有效監察、管理起重機，如起重機年審、操作人員持證上崗、設備遷移、起重機安全狀態監控等。給起重機操作增加了一道保護屏障，能夠快速地掌握設備當前運行的狀況，有效地排查出設備的安全隱患，使因操作失誤而造成安全事故的情況得到規避。同時給設備管理人員遠程管理提供了一個平臺，預警、報警郵件、短信推送功能可以使設備管理人員及時發現設備的故障、隱患，給設備管理工作提供了堅實的保障，具有良好的市場推廣價值和應用前景。

隨著起重機安全監控系統的投入，使用單位對設備的安全管理也有了明顯的針對性，對于人工現場檢查的頻率降低了，但是監管效果得到了提高。同時通過安全監控系統的投入使用，減少了使用單位的現場監管人員，降低了設備維護人工成本，同時降低了安全檢查頻次。

5 結語

本系統是基于Web的起重機的本地監控與遠程監控管理系統平臺，經過現場測試，各項參數的采樣頻率和測量精度均滿足國家相關標準的要求，系統運行穩定，工作數據采集顯示準確可靠。能通過Wi-Fi連接互聯網，上傳起重機工作數據，實現工作數據的Web顯示，為管理者對起重機運行狀態的評估和事故的判定提供有力的數據支持。該系統具有良好的市場推廣價值和應用前景[3-4]。