集裝箱橋吊NetCMAS 系統技術應用分析

(深圳赤灣港口發展有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

隨著集裝箱運輸船舶的大型化發展，集裝箱橋吊機型尺寸大型化，工作速度參數高值化，作為集裝箱碼頭的核心設備，橋吊長時間在重載荷、高沖擊環境下工作，如何有效地對其進行在線監測、控制、評估與報警，越來越受到港口設備管理部門的重視。

NetCMAS[Crane Monitoring anc Assessment System (including network and infrastructure)]是基于TCP/IP網絡協議的起重機械實時工作狀態的在線監測、控制、評估與報警的系統，由上海海事大學研發，獲得由德國TUV NORD頒發的國內首張《歐盟工業控制系統安全等級合規認證書》，達到工業4.0生產基礎設施級別企業管理的標準要求。目前該系統在上海、寧波、海南、深圳等集裝箱碼頭橋吊上已投入使用，使用效果良好。

1 NetCMAS系統3種典型配置

為了滿足港口設備管理部門對集裝箱橋吊在線監測、控制、評估與報警的不同需求，一般可以選擇 NetCMAS系統以下3種典型配置，應用在集裝箱橋吊上。

1.1 NetCMAS(Ⅰ)型——基本配置型

建立現場CPS系統(信息物理系統)，針對監測問題，實施相適應的傳感系統的布置、信號的可靠傳輸和采集、信號調理和分析，以及狀態參數的評價和通信(與CMS系統)等。

1.2 NetCMAS(Ⅱ)型——遠程服務型

在完成基本配置NetCMAS(Ⅰ)的基礎上，擴展為具有遠程監測、控制和數據管理的能力，并提供專家分析報告等。

1.3 NetCMAS(Ⅲ)型——云端服務型

在完成遠程服務能力NetCMAS(Ⅱ)的基礎上，擴展為具有工業大數據的智能分析平臺，并通過APP設備提供云端服務，如現場實時健康評估、健康分析報告與維修策略、性能狀態的趨勢分析等。

2 NetCMAS(Ⅰ)型系統的主要技術指標

2.1 NetCMAS 傳感系統的主要技術指標

1)金屬結構布置14個測點位置，配置11個振動傳感器、6點應變傳感單元。其中，應變測點沿最大主應力方向粘貼。振動和應變傳感:連接導線采用4芯屏蔽線，在每個測點附近(<0.5 m)應安裝接線盒。傳感器和應變傳感單元的測點布置圖如圖1所示。

圖1 金屬結構振動傳感器和應變傳感單元的測點布置圖

2)起升機構布置9個測點位置(測點布置見圖2)，配置11個振動傳感器、4個溫度傳感器。其中齒輪箱有3個振動傳感器、2個溫度傳感單元；2套起升電機各有2個振動傳感器和1個溫度傳感單元； 高速制動器2個振動傳感器、2個溫度傳感單元；低速軸制動器2個振動傳感器。其中，振動和溫度測點要盡量安置在軸承支撐座上，振動和溫度傳感器連接導線均采用4芯屏蔽線。

圖2 起升機構的振動與溫度傳感器測點布置圖

3)小車牽引機構布置3個測點位置(測點布置見圖3)，配置5個振動傳感器、1個溫度傳感器。其中齒輪箱2個、電機2個、制動器1個。其中，振動測點要盡量安置在軸承支撐座上，振動傳感器連接導線采用4芯屏蔽線。

圖3 小車牽引機構的振動傳感器測點布置

4)俯仰機構布置4個測點位置(測點布置見圖4)，配置6個振動傳感器、1個溫度傳感器。其中齒輪箱2個振動傳感器、電機2個振動傳感器、高速制動器1個振動傳感器、1個溫度傳感單元；低速制動器1個振動傳感器。其中，振動測點要盡量安置在軸承支撐座上，振動傳感器連接導線采用4芯屏蔽線。

5)大車運行機構布置8個測點位置，配置8個振動傳感器。其中，海側選擇4個主動輪電機各裝1個振動傳感器，陸側選擇4個主動輪電機各裝1個振動傳感器。其中，振動測點要盡量安置在軸承支撐座上，振動傳感器連接導線采用船用4芯雙屏蔽線。

6)振動傳感器采用穩定性好的進口工業傳感器，傳感單元采用電流方式輸出振動信號至信號調理/采集裝置。

7)信號線鋪設和信號線接頭要求具有良好的抗干擾和防潮能力，盡量避免日曬雨淋，并且線路具有良好的可維護性。

8)按照NetCMAS系統信號線的布線工藝要求對所有通道信號線進行敷設。

9)信號調理/采集裝置具有供電、信號調理(電流環與電壓轉換、抗混濾波和放大等功能)和AD轉換功能，能提供標準信號，具有64路信號同時采樣的能力，信號采樣速率能達到信號分析的要求。

2.2 NetCMAS主機站的主要技術指標與性能要求

1)NetCMAS系統獨立配置機柜(600×600×2 000)，并安裝在電氣控制室內。機柜內包括工控機、傳感測點布位及狀態自檢顯示模塊、傳感系統的接入端口和采集調理裝置等。

2)采集裝置與計算機的連接采用PCI接口方式，虛擬儀器具有32-64路同時信號監測與分析的功能。

3)確定監測工況、調零位置，提供測點布置圖，確定并建立狀態評估標準，提供新機器工作載荷譜的樣本。

4)NetCMAS主機站按照監測要求對所要求被檢測對象的傳感點進行振動、應變、溫度、噪聲等動態信號實時采集、信號調理和狀態的基本分析計算，提取并保存狀態參數。主要技術指標如下：

實時評價速度：平均不超過10 s完成所有狀態的評價和存儲，并可把狀態評估結果發送到遠程服務器或云端APP進行實時顯示，該功能必須要部分配置NetCMAS(II)型才能實現。

標準的采樣：評價標準參照現有的ISO或國家或行業標準，提供狀態評價與預警。

實時網絡通信：具有狀態參數的局域網通信功能，數據包可實時發送到網上，供上位機的CMS系統進行實時的狀態數據和評價結果的顯示。

黑匣子功能：能按評價級別的設置要求，實時打開黑匣子，提供預警狀態下的原始信號的實時存儲，供故障診斷和機器動態性能特征分析用。

載荷譜管理功能：具有狀態參數與評估級別的實時可分類顯示、存儲和管理功能，以及當日歷史狀態的回放功能。

信息查詢功能：傳感測點的布置、傳感參數的定義等圖文信息查詢，便于用戶現場對數據的閱讀理解。

5)系統軟件提供中文方式的虛擬儀器面板，并實現常規動態信號處理分析儀器的功能，具有常用的信號分析功能，如時域分析功能、功率譜分析功能、無量剛參數估計功能、積分功能和各類信號濾波功能等，同時具有對波形曲線和譜圖的讀圖和可編格式打印的功能，等等。所以，NetCMAS系統也是一臺通用的高性能多通道信號采集處理分析系統，為黑匣子記錄的原始動態信號提供故障診斷或動態性能分析的手段和方法。

3 NetCMAS(Ⅱ)型系統的主要技術指標和性能要求

在NetCMAS(Ⅰ)型的基礎上，NetCMAS(Ⅱ)型擴展和增加的主要技術指標與性能要求如下。

1)NetCMAS主機站擴展功能具有實時采集與分析任務能實現遠程被控，具有多任務遠程切換控制能力。多任務可擴充到：臺風等災害天氣下的結構應力監測與損傷評估；結構動態剛度的監測分析等。

2)遠程監評采用TCP/IP協議，通過碼頭光纖技術實現網絡通信，碼頭如果沒有網絡，則要求從NetCMAS主機站的控制柜鋪設一條網線至后大梁尾部端梁處。

3)遠程站服務平臺具有遠程控制測試任務、實時顯示工作狀態及其歷史變化趨勢，以及設備狀態的進一步分析和管理功能，具體有：

從主機站實時發送數據到遠程站，提供遠程監控評價功能。

建立海量載荷譜(工業大數據)的數據管理系統。

提供單機相對評價標準。

以此相對標準，提供2年的岸橋健康狀態的分析報告。

報告提供維修保養建議。

4 NetCMAS(Ⅲ)型系統的主要技術指標和性能要求

在NetCMAS(Ⅱ)型的基礎上，NetCMAS(Ⅲ)型擴展和增加的主要技術指標與性能要求如下。

1)提供監控對象的性能可靠性、健康狀態的趨勢分析等，并提高相應的分析報告和維修保養策略。

2)通過瀏覽器(或iPad或手機等)，實時監視設備的實時狀態變化、趨勢分析、可靠性分析等報告。

5 NetCMAS(Ⅰ)系統軟硬件

NetCMAS(I)系統軟硬件包含：溫度傳感單元、應變傳感單元、ICP振動傳感單元、電容式振動傳感單元、噪聲傳感單元、主機控制柜、信號采集調理裝置、工控機系統(主機)、不間斷電源、實時監評軟件模塊(Host)、CMS數據通信軟件、相對標準分析與生成、系統現場安裝與調試、接線盒、管路、4芯屏蔽信號線等。

6 NetCMAS(Ⅱ)系統軟硬件

NetCMAS(Ⅱ)系統軟硬件包含NetCMAS(Ⅰ)之外，另外增加遠程端工作站、無線通信裝置、遠程總控與狀態實時監測評估模塊(Remote)、載荷譜分析、相對標準生成與數據庫管理平臺等。

7 NetCMAS(Ⅲ)系統軟硬件

NetCMAS(Ⅲ)系統軟硬件包含NetCMAS(I)、NetCMAS(Ⅱ)之外，另外增加工業大數據分析平臺、云桌面APP服務平臺等。