大型鑄造起重機運維系統功能

黃國棟

湖南華菱湘潭鋼鐵集團有限公司寬厚板廠 湘潭 411101

0 引言

鑄造起重機是鋼鐵冶煉流程中核心的物料搬運設備，如出現故障，輕者影響生產，重者造成人身傷亡事故。因此，幾乎所有鋼鐵企業的起重機維護、管理工作中，鑄造起重機都是重中之重。按照TSG Q7002—2019《起重機械型式試驗規則》的相關規定[1]，多臺鑄造起重機已安裝了安全監控系統并將系統聯網，構成運維系統。此系統除了符合GB/T 28264—2017《起重機械安全監控管理系統》[2]的要求外，還具有故障預警、設備管理、健康評估等功能，以及移動端的消息主動推送功能。以往當點檢人員在其他地方工作時，如果鑄造起重機出現異常，點檢人員無法了解起重機的實時情況，必須到起重機上實地查看，不能做到快速處理。每臺起重機均是獨立系統，沒有統一的平臺將不同起重機的運行狀況匯總，管理人員難以從系統中獲取所管理起重機的總體情況。運維系統投入使用后，很好地解決了上述的問題。本文針對起重機運維系統的使用經驗和多年的起重機維護、管理經驗，提出起重機運維系統應具備的架構、特點和功能。

1 起重機運維系統架構

起重機運維系統是以起重機安全監控系統為基礎，結合現代的物聯網技術、云計算技術，將多臺起重機的運行數據整合在一起，通過分類、匯總、分析，給用戶提供多層次、多維度的起重機運行狀況，幫助用戶更加高效地維護起重機。圖1是起重機運維系統的架構，整個系統分為3層：在行車層每臺起重機的安全監控系統都是獨立的，點檢人員必須要到起重機上，才能了解運行情況；車間層將行車層多臺起重機的安全監控系統聯網，每臺起重機上采集的數據可同步到地面服務器中，點檢人員在地面終端上即可查看起重機的運行狀況：移動層將地面服務器聯網，采集的數據同步到云端的服務器上，點檢人員可在任意1臺接入互聯網的計算機或者移動設備上，實時查看起重機的運行狀況，如果是移動設備，還可接收到系統推送的重要信息，包括故障和維護提醒等。運維系統的各個組成部分的功能為：

圖1 起重機運維系統的架構

1）車載系統 即起重機上安裝的安全監控系統，主要負責數據的采集和有限的實時分析；

2）地面服務器 通過無線網絡與車載系統組網，可實時將車載系統的數據同步到地面服務器數據庫中，方便用戶在地面查看起重機運行狀況，將數據通過互聯網同步到云端服務器；

3）云端服務器 具有強大的計算能力和近乎無限的存儲能力，可永久保存從地面服務器取得的數據，通過對歷史數據的分析，發現故障隱患。允許用戶遠程查看起重機運行狀況，同時將車載系統發現的故障和維護提醒等，推送給移動端的設備。

2 系統特點

2.1 車載系統

車載的安全監控系統除了滿足GB/T 2826—2017《起重機械 安全監控管理系統》要求之外，還應具備以下的功能：增加設備管理功能，即可為各種電氣、機械設備制定維護計劃；支持對采集到的信號進行實時分析，能對抱閘反饋超時、野蠻操作（短時間內主令在正反向全速擋來回切換）、危險操作（如大車未停穩就開門上車）等典型的違規行為進行監測和報警；具有一定的邊緣計算能力，可對采集到的信號進行初步處理，篩選有效數據上傳到云端。

2.2 時間一致性

在起重機運維系統中，所有起重機上的視頻監控系統、安全監控系統、地面服務器，以及云端服務器等，都必須要有統一的時間，且不允許隨意修改?，F有的起重機安全監控系統中，不同子系統、計算機之間的時間是完全獨立的。例如在進行故障分析時，根據工控機中記錄的故障時間，在視頻系統中查找相應的錄像時必須要考慮二者的時間差值，如果有人故意篡改系統時間，就會給故障分析帶來更多的困難。

云端服務器接收到的數據應當是準實時的，相對車載系統的滯后不能超過3 s，且數據的時序和車載系統是嚴格對應的。例如，車載系統中記錄到主起升的抱閘反饋信號比抱閘控制信號滯后600 ms，則在云端接收到的這2個信號之間的時間差也是600 ms，時序關系不因通信延遲和偶然中斷等發生變化，故在云端對數據分析得到的結果才能真實反映起重機的運行狀態。

2.3 制動監控

制動可靠性和安全性對鑄造起重機非常重要，現在已有一些設備，如QRL1智能高度限位器，可實現制動過程的實時監控。設備自身的存儲能力有限，只能對檢測到的故障進行記錄，而每一次制動的數據，包括制動瞬間的速度、制動時間、制動距離等，需要通過車載系統上傳到云端服務器。制動器的健康狀態直接關系到起重機的安全，而如何精確判斷制動器的健康狀態目前尚無實用的手段?？梢栽O想，隨著使用次數的增多，抱閘會日漸磨損，同樣條件下制動的距離會逐步增加。運維系統在記錄了大量制動數據后，可通過對每一次制動數據的分析，記錄制動性能的變化曲線，當制動性能下降到某個水平時進行預警，提示點檢人員進行檢查。相比根據制動器動作次數，起重機工作循環等判斷制動器是否有效，這種方法要更精確。除了正常的使用磨損外，司機不規范操作會導致制動器經常性的高速制動，帶來額外的磨損。通過大數據分析，不僅可統計高速制動的次數，還可根據制動發生的時間，定位到具體的司機，便于對司機操作的規范和管理。

2.4 安全性

運維系統是企業外部的云端運行，故系統的安全性是必須要考慮的。安全性包括操作安全和設備安全。

1）操作安全 用戶需要用手機號碼在系統中實名注冊，且后臺服務人員要與企業的管理人員（如車間主任）進行確認，確保只有本廠的專業人員可以查看起重機的運行狀態。

2）設備安全 車載系統中絕大部分參數只能在起重機上修改；車載系統與PLC的通信嚴格限制為只讀，即只從PLC讀取數據，不允許寫數據；PLC上進行數據隔離，即車載系統讀到的數據只是實際數據的鏡像，即使這部分數據被篡改，也不會影響PLC的控制，如圖2所示。

圖2 數據安全隔離

2.5 其他

從圖1中可以看出，運維系統中，車載系統、地面終端和遠程終端的用戶界面形式完全相同，用戶從一個終端切換到另一個終端時無需重新學習。移動端的界面也應和PC終端界面高度相似，便于用戶快速上手。

運維系統應最大限度利用現有的軟硬件，車載系統直接在現有系統基礎上升級。由于大量的數據存儲和分析工作放到云端服務器，對地面服務器和地面終端的軟硬件要求大為降低，選擇普通的工控機即可，無需額外的維護，尤其適合在車間現場部署。國內的互聯網企業，在云計算方面都已經建設了大量的基礎設施，在其上部署運維系統的云端服務器，不僅費用低，且無需專人維護IT系統，適合缺少專業IT人員的鋼鐵企業。

3 系統功能

運維系統和常規安全監控系統在使用上，最大的變化是增加了移動界面，點檢人員無論在何處都可實時查看起重機的運行狀況，移動端的操作界面應和計算機界面基本類似，主要分為實時監控、信號軌跡、報警管理和設備管理4部分。圖3是借鑒其他類型起重機的移動界面提出的鑄造起重機移動端界面設計。

如圖 3所示，起重機的運行概況分機構列出，如圖3a，可上下滾動顯示；界面最下面是報警信息，如圖3b；單擊查看按鈕，可查看報警的詳情信息，如圖 3c。在信號總覽界面圖 4中可以查看PLC輸入輸出點的實時變化情況，方便用戶通過信號變化情況查找故障。

圖3 鑄造起重機移動端界面

圖4 信號總覽界面

考慮到手機屏幕尺寸有限，信號軌跡以表格的方式展示信號的變化情況，如圖5所示，通過查詢多個信號的變化時間間隔，可分析這些信號的變化是否正常。

圖5 信號軌跡界面

移動端的報警管理和設備管理功能與車載系統的最大區別是，前者增加了信息推送功能，重要信息會直接推送到用戶的微信中，用戶通常很快就會注意到。起重機上的各種故障按照嚴重程度分級，不同等級的故障可推送到不同職位的點檢人員和管理人員。設備維護提醒也按照重要程度分級，推送給相應的用戶，管理人員既可隨時掌握起重機的運行情況，又不會被大量的無效信息干擾。

4 使用效果

上述特點和功能的起重機運維系統投入使用后，起重機的日常點檢和維護工作方式有了較大的變化：每天上班后，主管先在手機或計算機上查看前一天的起重機運行狀況，如果系統有提示嚴重故障的，優先安排點檢人員上車檢查，并可以根據系統提示的可能原因，安排點檢人員攜帶相應的工具或備件上車；對于起重機突發的異常，點檢人員通過移動端的信息推送，在故障發生的第一時間已得知情況，通過查詢歷史記錄，如果已經確定故障原因的，即可有針對性地攜帶工具上車處理。新系統還極大地方便了新員工培訓，經驗豐富的點檢人員可在手機上查看系統的信號變化，遠程指導新員工進行各種操作，讓新員工在一次次的實際操作中迅速積累經驗。

5 展望

運維系統積累的大量數據還可以用作更加深入的數據分析，比如通過檔位變化情況分析，評估司機的操作能力，指導司機提高操作水平，以及通過監控起重機的健康狀況，為生產調度提供決策支持，平衡每臺起重機的使用頻率，提高起重機的使用效率。