港口起重機(jī)電氣故障可視化策略

上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司 徐志平

對于起重機(jī)安全管理工作而言，最為主要的內(nèi)容就是電氣控制系統(tǒng)的安全與可靠，因?yàn)槊恳粋€起重機(jī)機(jī)構(gòu)之間，整體呈現(xiàn)出的工況都較為復(fù)雜化，促使系統(tǒng)線路在控制方面也變得越來越復(fù)雜，給維護(hù)與維修工作帶來不利的影響。結(jié)合實(shí)際分析，筆者通過借助PLC控制系統(tǒng)，探索了提高電氣故障可視化水平的方案，通過深入探索，有利于控制系統(tǒng)故障的診斷，同時也有利于排除故障。

起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)當(dāng)中，非常重要的一項(xiàng)內(nèi)容是安全與可靠。因?yàn)槠鹬貦C(jī)的機(jī)構(gòu)之間存在著相對復(fù)雜的工況，促使控制系統(tǒng)線路變得更為復(fù)雜化，不利于調(diào)試工作的積極開展，也不利于維護(hù)與維修工作的順利實(shí)施[1]。從傳統(tǒng)故障當(dāng)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)發(fā)生故障的時候，需要立即采取停機(jī)操作，并且要由專業(yè)工作人員，詳細(xì)排查復(fù)雜的電氣控制系統(tǒng)中存在的故障。所以，眾多傳統(tǒng)電氣故障檢修，對于現(xiàn)場電氣維修技術(shù)，以及維修人員的要求都比較高，發(fā)現(xiàn)故障不能迅速準(zhǔn)確的進(jìn)行排除，對起重機(jī)正常運(yùn)行也有一定的影響。而運(yùn)用直觀可視化技術(shù)，把起重機(jī)電氣故障產(chǎn)生的時間，產(chǎn)生的本質(zhì)原因和具體位置呈現(xiàn)給技術(shù)人員，并且依據(jù)故障給出可行性的維修建議，這一點(diǎn)是至關(guān)重要的內(nèi)容[2-3]。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外早在60年代就已經(jīng)研究了機(jī)械設(shè)備，還有電氣設(shè)備的故障診斷技術(shù)，而我國電氣故障診斷技術(shù)的發(fā)展是在70年代末期，相比國外就比較晚。在不斷的努力下，有的故障推理方法和國外沒有太多的差異性，在應(yīng)用理論方法上也沒有得到良好的應(yīng)用。當(dāng)前的形勢下，國內(nèi)產(chǎn)品故障已經(jīng)找到相應(yīng)的方法，形成監(jiān)測診斷的產(chǎn)品[4-6]。

在電氣設(shè)備開展運(yùn)行工作的時候，故障診斷與狀態(tài)監(jiān)測充分發(fā)揮著較為重要性的作用，能夠隨時對監(jiān)測機(jī)器狀態(tài)，運(yùn)行參數(shù)的浮動進(jìn)行全方位監(jiān)測，有效減少發(fā)生意外的問題，從而全面提高系統(tǒng)安全和作業(yè)效率，也讓維修成本得到降低。但設(shè)備控制系統(tǒng)屬于復(fù)雜化的情況，運(yùn)行狀態(tài)同參數(shù)所處環(huán)境有關(guān)系，而且也同工作人員的操作習(xí)慣有關(guān)系，無法在故障診斷當(dāng)中應(yīng)用模糊算法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等。基于此，可視化故障診斷，不管是國內(nèi)還是國外都不是特別的成熟，仍然處于研究開發(fā)的初級階段。

2 起重機(jī)的電氣故障類型

起重機(jī)電氣故障問題在研究的整個過程中，應(yīng)該充分掌握電氣故障的基本類型。(1)有效解決可視化原始數(shù)據(jù)如何獲得的問題。PLC大量運(yùn)用在工業(yè)控制現(xiàn)場，可以適應(yīng)不良工作環(huán)境，還能讓運(yùn)行要求變得更為持久化。所以，應(yīng)該把PLC控制的起重機(jī)電氣系統(tǒng)重視起來，進(jìn)一步深入研究故障的諸多類型。(2)對于起重機(jī)電氣系統(tǒng)而言，其組成主要是由PLC控制形成，能夠全方位采集現(xiàn)場設(shè)備的基本狀態(tài)，還能反饋控制系統(tǒng)本身的情況。(3)下層設(shè)備層。控制系統(tǒng)的故障可以分為電動機(jī)、制動器、變動器等，能夠接近工業(yè)控制的現(xiàn)場。(4)中間控制層是系統(tǒng)控制中心，該中心利用現(xiàn)場總線同設(shè)備層進(jìn)行有效連接。而上位機(jī)同PLC構(gòu)成信息層后，再利用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)連接(如圖1所示)。

圖1 可視化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.1 Network topology diagram of the visualization system

具體而言，在PLC控制的起重機(jī)電氣故障類型當(dāng)中，可以分成以下幾個主要類型。(1)系統(tǒng)控制的核心，PLC能不能正常運(yùn)行，與系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)直接相關(guān)。像這樣的PLC系統(tǒng)故障主要包括硬件和軟件兩種故障類型。在研究故障的過程中，又包括了PLC 控制系統(tǒng)的軟件故障，軟件程序運(yùn)行的時候會產(chǎn)生運(yùn)行停止，以及死循環(huán)的問題。另外，還有可能由于外界環(huán)境的不同程度變動，致使產(chǎn)生偶然性故障，唯有重新對系統(tǒng)進(jìn)行啟動才可以恢復(fù)正常工作狀態(tài)。其中，引起問題的主要原因是系統(tǒng)缺乏穩(wěn)定性。(2)變頻器故障和遠(yuǎn)程分布模塊產(chǎn)生的故障，這種故障就是智能從站故障。而智能從站包括自我診斷，以及自我修復(fù)的基本功能。發(fā)現(xiàn)有故障存在的時候，負(fù)責(zé)維護(hù)的工作人員需要依據(jù)廠家提供的手冊來做詳細(xì)的排查以及有效的故障處理。(3)起重機(jī)工作現(xiàn)場總會有多個起重機(jī)同時在啟動，外界環(huán)境又比較復(fù)雜化，容易受到很大的干擾。所以，通信電纜若是有不錯的屏蔽效果，通信故障就不容易出現(xiàn)。另外，因網(wǎng)卡、插頭和集線器等，整體上會存在接觸不良的故障問題。(4)繼電器、接觸器、斷路器、傳感器等，這些會產(chǎn)生外部設(shè)備的故障，與PLC整體控制能力有關(guān)。如果遇到外部設(shè)備存在故障，會致使系統(tǒng)出現(xiàn)癱瘓的現(xiàn)象，而產(chǎn)生這種現(xiàn)象的基本原因其實(shí)就是由于設(shè)備的質(zhì)量問題，或者是設(shè)備壽命帶來的不良影響[7]。

3 起重機(jī)的電氣故障可視化

3.1 可視化技術(shù)

結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)，開展圖像處理，并將結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)化，以圖形、圖像的方式展示，這樣能準(zhǔn)確的進(jìn)行可視化分析，并根據(jù)具體的交互理論應(yīng)用，得到更加有效的結(jié)果，通過這種方式實(shí)現(xiàn)了故障分析的可視化。(1)可視化過程需要根據(jù)技術(shù)的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)良好的監(jiān)控，要應(yīng)用圖像處理方式，根據(jù)圖形學(xué)等相關(guān)內(nèi)容，全面的開展技術(shù)的交叉應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域技術(shù)在電氣故障中的運(yùn)用，保證起重機(jī)可視化分析效率。(2)伴隨著計(jì)算機(jī)的日益發(fā)展，以及可視化的深入研究，可視化的面積開始不斷擴(kuò)大，比如有知識可視化的內(nèi)容。(3)人們運(yùn)用可視化技術(shù)有利于直觀性的觀察到數(shù)據(jù)信息，從而深入發(fā)掘潛在的發(fā)展趨勢，為運(yùn)維人員工作的開展帶來便利，切實(shí)也全面提高了工作效率。

3.2 可視化方法選擇

PLC控制系統(tǒng)，整體而言，要想充分發(fā)揮出應(yīng)有的價(jià)值，不僅要重視硬件設(shè)備與軟件設(shè)備，而且還要將人機(jī)交互可視化界面全面重視起來，從而對用戶實(shí)施有效的查詢與全方位的監(jiān)測。目前，很多顯示技術(shù)采用的基本方式都是觸摸，利用觸摸能夠讓監(jiān)測控制系統(tǒng)運(yùn)行的基本情況得到實(shí)時監(jiān)測，在遇到真正問題的時候，維護(hù)工作人員還可以利用觸屏發(fā)送控制指令，從而更好地實(shí)施人工處理環(huán)節(jié)。所以控制系統(tǒng)同人的信息進(jìn)行交換，操作人員可運(yùn)用觸摸屏向PLC控制系統(tǒng)輸入科學(xué)指令，從而實(shí)現(xiàn)對信息的有效反饋。

本質(zhì)上來講，觸摸屏存在諸多不足，在數(shù)據(jù)運(yùn)算能力和數(shù)據(jù)處理能力方面有所欠缺，唯有簡單化的顯示系統(tǒng)運(yùn)行的基本狀態(tài)才有利于整體運(yùn)行。(1)生產(chǎn)觸摸屏和PLC，廠商相對比較多，不同廠家生產(chǎn)出來的設(shè)備型號有差異性，所以PLC與HMI存在著兼容問題。(2)觸摸屏點(diǎn)數(shù)與組態(tài)軟件需要實(shí)施授權(quán)，給整個企業(yè)的發(fā)展增加了經(jīng)濟(jì)成本，也讓觸摸屏的范圍得到不斷降低。(3)選擇應(yīng)用VisualBasic語言開發(fā)OPCServer，讓PLC控制系統(tǒng)與IPC數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)得到實(shí)現(xiàn)。(4)利用VisualBasic把上位機(jī)當(dāng)中出現(xiàn)的可視化界面同OPC服務(wù)器做數(shù)據(jù)的有效性連接，以此讓故障實(shí)時監(jiān)控得到良好實(shí)現(xiàn)。(5)VisualBasic能夠讓高級語言編譯直接譯成機(jī)器語言，這樣很容易被計(jì)算機(jī)識別到。最為主要的是VisualBasic能夠把高級語言編譯成機(jī)器語言，從而對計(jì)算機(jī)進(jìn)行科學(xué)化，合理化的識別。VisualBasic能將程序以執(zhí)行文件的形式生成，實(shí)現(xiàn)高效的兼容，通過借助VisualBasic監(jiān)控組件，能全方位進(jìn)行動態(tài)控制，并實(shí)現(xiàn)起重機(jī)電氣監(jiān)控，利于促使可視化系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行[8]。

3.3 港口門座式起重機(jī)電氣故障可視化的實(shí)現(xiàn)

多數(shù)港口起重機(jī)都采用門座式，由于結(jié)構(gòu)立體化，能夠在很大程度上讓碼頭面積得到節(jié)省。另外，門架也比較高，具有高速靈活，安全可靠的基本特點(diǎn)，能夠讓裝卸生產(chǎn)率得到提高，對于體力勞動的減輕有著積極意義。

依據(jù)起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)圖來看，需要選擇電動機(jī)，變頻器、繼電器等部件，再利用PLC內(nèi)部定時器，計(jì)數(shù)器等功能，讓邏輯控制功得到有效實(shí)現(xiàn)。而且還可依據(jù)PLC各個點(diǎn)的輸出數(shù)據(jù)，對關(guān)鍵點(diǎn)運(yùn)行進(jìn)行科學(xué)化，合理化的控制。除此之外，PLC還能夠定時掃描對應(yīng)點(diǎn)的相關(guān)工作，并且能夠把采集的數(shù)據(jù)信息直接存入到PLC數(shù)據(jù)庫，從而供組態(tài)軟件來調(diào)用。

關(guān)于VisualBasic不僅提供可視化設(shè)計(jì)的專業(yè)工具，而且還能把Windows界面設(shè)計(jì)的復(fù)雜性進(jìn)行有效封裝。負(fù)責(zé)開發(fā)的工作人員，不需要界面設(shè)計(jì)就能夠?qū)⒊绦虼a全部編寫好，只要依據(jù)設(shè)計(jì)的基本要求進(jìn)行合理化的布局，就能促使用系統(tǒng)的工具畫出圖形對象，并將屬性全面設(shè)置好，從而自動產(chǎn)生界面設(shè)計(jì)的相關(guān)代碼信息。面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)法是VisualBasic運(yùn)用的重點(diǎn)，也是關(guān)鍵所在，把程序與數(shù)據(jù)進(jìn)行全面封裝，可以形成一個對象，并且還能賦予對象相應(yīng)的屬性。利用連接方式的建立，使用操作后臺的數(shù)據(jù)庫，并在其中存放PLC I/O點(diǎn)地址及對應(yīng)元件的名稱，從而實(shí)現(xiàn)對故障的詳細(xì)記錄。發(fā)現(xiàn)對應(yīng)值的時候要利用查找的方法，將對應(yīng)故障號準(zhǔn)確地找到。因此，可以建立主窗體，機(jī)構(gòu)窗體、用戶登錄窗體等。針對于起重機(jī)應(yīng)該實(shí)施可視化監(jiān)控。(1)監(jiān)測鉤是否達(dá)到設(shè)計(jì)需要的高度，或者是監(jiān)控能否達(dá)到最低的位置，這是起升機(jī)構(gòu)電氣監(jiān)控與故障的可視化。該工作環(huán)節(jié)要看吊起的貨物能否在最大重量，從而有效避免因?yàn)槌?fù)荷引發(fā)的整機(jī)傾翻和人身傷亡事故。(2)變幅機(jī)構(gòu)把變幅中產(chǎn)生的外載荷傳遞，直接給變幅驅(qū)動裝置，為吊中幅度的改變提供運(yùn)動軌跡，這種可視化系統(tǒng)能夠讓變幅機(jī)構(gòu)的電氣監(jiān)控得到可靠性運(yùn)行。(3)故障監(jiān)控與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)電氣管理。該環(huán)節(jié)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)有支撐裝置和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置，能夠讓旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)正常安全運(yùn)行得到保證。(4)行走機(jī)構(gòu)通常會依據(jù)情況對工作地點(diǎn)加以合理改變，進(jìn)一步將作業(yè)范圍不斷擴(kuò)大化，從而讓起重機(jī)水平行進(jìn)得以良好實(shí)現(xiàn)。(5)四大機(jī)構(gòu)監(jiān)控畫面是顯示起重機(jī)各個機(jī)構(gòu)監(jiān)控點(diǎn)的基本狀態(tài)，而針對于起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)，PLC監(jiān)控目標(biāo)具體還體現(xiàn)在I/O狀態(tài)監(jiān)控畫面，從而也讓PLC模塊的I/O狀態(tài)實(shí)時監(jiān)視，同時也能對現(xiàn)場設(shè)備工作狀態(tài)有充分了解。

4 總結(jié)

總體而言，起重機(jī)電氣故障可視化意義重大，怎樣將起重機(jī)電氣存在的故障，迅速發(fā)現(xiàn)并科學(xué)有效的排除非常重要，提高工作效率，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益，需要全面研究。而通過直觀，迅速的形式將港式起重機(jī)電氣故障可視化問題解決也顯得越來越重要，因?yàn)榭蓪唧w方法和原理做詳細(xì)化的分析，從而也為工程系統(tǒng)故障診斷提供工作開展與實(shí)施的參考依據(jù)。