海上平臺起重機狀態監測系統設計

(中海油能源發展裝備技術有限公司，天津 300452)

2014年1月1日《中華人民共和國特種設備安全法》開始施行，海上平臺起重機屬于特種設備，提高安全性是法規的強制要求。海上平臺起重機現有狀態監測系統技術落后、監控數據不完全，需要對海上平臺起重機狀態檢測系統進行優化和功能擴展[1]。對徐州重工、三一重工、華南船舶機械廠、利勃海爾、TTS、KENZ等幾個著名的起重機生產廠家的調研分析表明，現有的狀態監控系統僅僅針對力矩、限位和電氣系統等參數，系統具有簡單的數據存儲功能，但不具備狀態監測分析能力，更不能為起重機評估提供有價值的數據，不具備預防事故的功能?；谝陨显?，對起重機狀態監測系統進行設計，將現代自動化技術引用到海上平臺起重機狀態監測系統中，采集起重機各項參數，組建大數據系統，通過數據分析實現故障預防，達到保障人身和財產安全的目的。

1 起重機狀態監測方法

起重機使用過程中的載況、實時變幅角度、回轉角度、吊臂與平臺其他設備距離(預防碰撞)、液壓系統和動力系統的狀態等都關乎起重機的正常、安全使用[2-4]；起重機頻繁地起吊加上海上惡劣的工作環境(海風、潮濕等)，起重機有可能發生疲勞破壞或者其他故障，尤其是液壓系統、動力系統以及起重機結構薄弱部位，因而開展起重機狀態監測、故障診斷和壽命評估對平臺起重機的日常應用、維修和維護具有重要的指導意義[5]。起重機狀態數據復雜、數據類型繁多、數據不規律，通常采用多元統計分析方法和瞬態檢測方法。

1.1 多元統計分析方法

為了完整地獲得起重機的運行狀態，通常需要從起重機的不同部位來采集信號進行多通道監測，因此目前海上平臺起重機在線監測與故障診斷系統中廣泛地采用了多測點、多傳感器的采集方式，而這就需要采用多元統計分析方法[6]來對多維測量數據進行分析處理。

1.2 基于ICA的瞬態檢測方法

通過分析一維測量信號的ICA基特征，提出了一種新的瞬態檢測方法，包括3個步驟:首先，一維信號的分割段用于訓練ICA基特征；其次，用最大后驗概率估計推導出收縮函數，應用到稀疏的ICS系數上進行去噪；最后，收縮的系數通過基函數重建瞬態信號段[7]。經過ICA變換，分割信號被表達為獨立非高斯系數的線性組合。

2 技術路線

系統設計采取理論分析、軟件應用、數值計算相結合的方法，并注重成果的理論先進性和工程實用性。

設計工作主要包含以下幾項內容：設計制造起重機本地數據監測和基本處理標準化集成化終端設備，利用各種現場傳感器，采集起重機重要狀態參數；設計并編制狀態監測軟件，構建數據處理器；通過無線局域網絡、海油局域網絡以及INTERNET網絡將現場終端與數據處理器進行鏈接，組成大系統。在數據處理器上對各起重機的實時參數進行分析處理，得到各類有效報表，建立正常狀態模型、異常狀態模型、故障列表、故障處理建議列表等。利用上述有效數據指導起重機操作、保養、維修、評估等工作。系統組成見圖3。

圖1 系統組成

2.1 狀態監測軟件設計

利用狀態監控軟件對起重機運行參數進行綜合分析，從而獲取起重機正常運行狀態；再利用對比分析軟件分析運行狀態變化趨勢，得到起重機異常狀態；通過異常狀態與預設條件的對比，判斷出故障源；根據故障可能性分析報告產生故障處理建議。

狀態監測軟件功能：實時分析功能、故障預警功能、故障追溯功能、數據加工存儲功能、人工參與功能、處理報表查閱修改打印。

2.2 監控終端集成化設計

監控終端計劃分為2種，分別是基于西門子S7-1200系列PLC產品形成的室內型T2系列和基于西門子S7-1500系列PLC產品形成的室內外兼用型T3系列。

2.3 數據網絡傳輸方案設計

主要開展高頻無線局域網的基本應用技術及拓展使用，將起重機運行參數從監控終端產品上傳輸到平臺網絡，在平臺進行數據的本地化處理；同時利用海油局域網將數據傳回陸地，對數據進行遠程處理，納入Internet網絡，傳輸到任何需要的地方[8]。

2.4 采集方案設計

起重機上應用的傳感器比較多，重量及角度傳感器是必須的，但這些傳感器對于起重機運行中的障礙物規避沒有指引性作用。所以考慮應用電子羅盤、磁性金屬探測、激光測距傳感器；而對于遠程判斷分析故障來說，液壓油流量壓力、鋼絲繩繩長、滾筒轉速等參數起決定性作用，因此，增加流量、壓力、旋轉編碼器等傳感器的應用。各種傳感器均采用4～20 mA標準信號進行傳輸。

3 系統功能

海上平臺起重機狀態監測系統在陸地終端起重機及海上平臺起重機上成功應用，系統軟件主界面以及功能和傳感器結構見圖2、3。

圖2 系統軟件

圖3 監控系統功能及傳感器結構

3.1 防傾覆功能

主要對起重機的振動和變形角度進行實時檢測，選用陀螺儀實時顯示A架或基座振動加速度和變形幅度，與監控系統軟件設計結合進行極限幅度預警，實現防傾覆功能。

3.2 吊機、吊鉤位置檢測功能

平臺起重機位置檢測包括吊機運行位置檢測和吊鉤狀態數字化測量。具體功能對應的測試方案見表1。

表1 位置檢測功能及測試方式對應表

3.3 液壓系統壓力、流量、溫度檢測

在起升絞車、變幅絞車和回轉機構3個液壓系統回路泵進出口分別布置壓力和溫度傳感器，并安裝流量傳感器，檢測液壓系統的壓力、流量和溫度，將傳感器數值在液壓圖上做出相應參數的動態顯示，可以直觀查看設備運轉狀況，同時可以與吊機系統監控軟件設計相結合，對液壓系統故障進行識別和預警。

3.4 吊重及起吊力矩實時顯示

方式1。采用板環式拉力傳感器安裝于吊臂前端鋼絲繩固定位置處。

方式2。采用銷軸式重量傳感器，適用于測量小鉤的吊重。

方式3。通過吊機起升絞車液壓系統回路泵進出口壓力測量結果及壓力面積，根據力平衡方程反求吊鉤鋼絲繩拉力，進而計算吊物重量。

3.5 吊機起吊的次數及噸位數據記錄

吊機一個起吊循環周期包括變幅、回轉、鋼絲繩收放等動作，每個動作執行都需要一定的時間來完成。完整的起吊過程中，吊重載荷起始由0逐漸增大，中期載荷穩定并產生局部波動，末期載荷逐漸減少為0，起吊過程載荷曲線類似梯形。相應的液壓系統壓力變化也呈現類似的梯形曲線。

因而，通過設置最小起吊周期時間，結合濾波、數據分析手段，計算載荷曲線中梯形的個數和對應的峰值，實時記錄起吊次數、噸位和時間。

3.6 關鍵部位應力顯示

采用自溫補光纖光柵應變傳感器(FBG)對吊臂、A架及基座等關鍵部位進行應力應變測量，實時監控起吊過程相應位置的受力情況，結合吊機監控軟件設計，當關鍵部位應力值超出設定值時發出聲光或者語音報警。

3.7 電機電壓/電流實時顯示

對于采用電機作為動力的起重機，需要實時監測電機電流及電壓，防止發生過載，分別采用電壓轉換器和電流轉換器對電壓電流進行實時監測。

3.8 吊機剩余使用壽命預測

根據API-2C-2012規范要求海上吊機疲勞壽命預測采用熱點應力法[10]，載荷譜和循環次數是評估的重要數據。吊機結構疲勞壽命評估時，熱點應力采用距離焊趾前一定范圍內2點線性外推或者采用3點二次外推方法，獲得焊趾處的熱點應力，精度較高。挪威船級社推薦在距離0.5 t和1.5 t處進行2點線性外推，應力應變測試采用吊機“關鍵部位應力測試”系統[11]，傳感器布置見圖4。

圖4 應變片貼片位置示意

3.9 吊機防碰撞及區域保護功能

主要對起重機吊臂的左右兩側及下面進行防碰撞保護，考慮到與平臺其他安全監測設備的兼容性，采用超聲波距離傳感器，起重機吊臂左、右及下面3個面上各布置2個傳感器，當吊臂接近障礙物時進行預警，超過設定的安全距離后停機。

4 結論

1)系統實現了故障預警功能，能夠滿足《中華人民共和國特種設備安全法》對加強特種設備安全工作，預防特種設備事故，保障人身和財產安全的要求。

2)系統實現了對海上平臺起重機多項參數的采集存儲功能，與現有的監控系統相比，增加了壓力、流量、應力、電流、電壓等參數的監控。

3)防碰撞功能中采用的傳感器存在盲區，因此，在進行防碰撞功能設計時，傳感器盡量選取測量范圍大、精度高的設備。

4)系統為起重機狀態監測需測量的數據提供了詳細的說明，可供后續研究應用提供參考。

5)為保障起重機的安全，進一步深入研究起重機狀態監測系統，建議將實際發生的故障原因與理論相結合，不斷積累故障現象，擴大故障庫，從而提高故障排除的效率及準確性。