橋式起重機安全監控管理系統設計與開發

袁 容, 袁卓異, 朱紅求

(1.中南大學 自動化學院，湖南 長沙 410083； 2.湖南華博信息技術有限公司，湖南 長沙 410035)

0 引言

橋式起重機是一種架設在工業生產車間或貨運碼頭等場地的常用重型搬運裝備，操作人員也常習慣上稱其為行車[1]。在2020年全國特種設備安全狀況的通告中，起重機械事故起數排名前三，且指出多是因為使用管理不當、維修檢修及運行過程中產生的質量安全缺陷導致，可見，解決起重機的管控問題非常重要。在起重機械安全監控管理系統國家標準中，對起重機械的安全監控管理系統提出了新的、具體的要求[2]。為了提高行車作業的安全性和自動化程度，開發起重機的安全監控管理系統十分必要。

傳統的有色金屬電解車間是離散生產模式的典型代表，生產設備之間的信息非互聯互通，執行生產作業時聯動性較差。近些年來，隨著計算機技術、網絡通信技術和數據處理技術的迅速發展，以計算機為核心的集中監控管理系統日益發展，并逐步獲得了認可及應用[3-4]。何好平等以金隆銅業的銅電解車間為對象，介紹了過程級、生產級和企業級為架構的三層信息管理系統[5]。王志勇介紹了用于港口起重機械上的無線起重機監控管理系統，提高了信息化管理水平[6]。于智超、潘健華將圖像處理、視頻監控等技術應用于門式橋式起重機中，減少了安全事故的發生[7,8]。馬志鵬等采用系統工程的方法，使監控管理系統的整體與局部之間的關系能協調配合，實現系統的最優運行[9]。

本文以電解車間橋式起重機為對象，貫徹"標準化提升管理，信息化減人增效"理念，實現對電解行車控制的可視化、可量化和故障可預防[10]，以提高其安全性能和作業效率、改善車間智能化水平為目標，采集了電解行車實時運行數據并進行科學的數據分析，構建與生產作業信息相適應的安全監控及信息管理系統。系統能實時地監控行車運行情況，進行故障監測及預警，進一步提升行車的安全性能，保障作業人員的人身安全，且能提高工作效率，達到資源效益最大化。結合電解生產的工況，搭建以PLC為核心的硬件系統，開發設計一套電解橋式起重機的安全監控管理系統，以保證起重機的無事故、高效穩定運行，提高作業的安全性和智能化。

1 系統總設計

安全監控管理系統主要實現橋式起重機重要運行參數及安全狀態的記錄，以及相關數據信息的分析顯示，必須具有信號采集及信號處理單元、控制輸出及數據存儲單元、信號顯示及信號導出單元。系統總體架構圖如下圖1所示，主要由運動控制硬件系統和監控管理軟件系統組成，硬件系統包括設備采集及控制處理單元，用來控制及感知起重機的運行工況，數據經由通信網絡進行可靠性傳輸，通過軟件系統實現圖形化分析與展示，并根據需求進行報警、數據備份等處理。

圖1 系統總體架構圖

1.1 下位機系統

下位機是系統中的智能采集設備，其與行車運行過程所需的傳感及控制設備結合，實時采集重要參數并轉換為數字信號經由通信網絡上傳至上位機。PLC選用德國Siemens的S7系列產品，并根據系統的輸入輸出點數及存儲容量等要求，對電源模塊PM1507 、CPU 1513-1PN、MMC存儲卡、數字量輸入/輸出、TP1500觸摸屏等進行選型和組態。

此外，構建完整的下位機系統，其他檢測和控制設備也是必不可少的。起重機各運行機構均為恒轉矩負載，選用瑞士高性能特點的ABB變頻器，提供高效率及高精度的速度控制；根據位移測量精度及距離的要求，大小車選用勞易測AMS系列激光測距儀，起升選擇測量范圍大的多圈絕對值編碼器。其中，可編程邏輯控制器PLC進行控制并采集傳感及驅動設備的數據進行上傳；激光測距儀用于大車位置感知，絕對值編碼器用于吊具位置，這些傳感設備直接監測被控對象的數據，并與采集控制設備相連上傳數據；變頻器和交流異步電機等驅動設備通過現場總線通信，保障起重機工作運行；觸摸屏和監控管理系統可用于監控與控制，實現人機交互，如圖2所示。

圖2 系統硬件結構圖

1.2 上位機系統

上位機系統位于中控室，主要由PC機、服務器、網絡通信設備等硬件組成。PLC與變頻器、擴展模塊等通過現場總線協議進行通信，完成對起重機各個機構的控制，并將處理后生成的信息上傳給上位機，上位機接收信息后，進行進一步加工、處理并顯示在人機界面上，供用戶管理分析。上位機與PLC則可通過以太網模塊進行工業以太網通信，安全監控管理系統實時將獲取到的數據進行處理、分析和組織，并通過圖像、報表等形式呈現給用戶，實現監控管理系統的首要基本功能。同時，上位機可以接受作業人員的指示，達到監測數據和遠程控制管理的目的，且主要參數可根據需求，經過處理后保存在系統數據庫，便于歷史查詢分析使用，為優化調度及生產管理提供數據支撐。

根據現場工況及需求分析可知，系統需要采集和監控的主要參數包括起重量、起升高度以及速度、大小車運行狀態及其運行行程、制動器狀態及累計工作時長等，通過分析處理后可上傳顯示，供作業人員及管理人員及時掌握起重機運行狀態，也可為進一步提高起重機自動化及智能化提供支撐，便于后續實現對電解行車的定位防擺及防滑等控制。

2 軟件設計

安全監控管理系統主要由數據訪問層、傳輸接入層、業務邏輯層和應用層等幾部分組成。其中，數據訪問層主要完成下位機數據的采集、轉換等功能，實現數據的訪問和存儲；傳輸接入層主要實現數據信息的穩定及可靠性傳輸；業務邏輯層主要實現系統整體的監控、管理及控制等功能，分清各模塊之間的功能及主要任務，為系統的核心和主要部分；應用層則實現人機交互和相應的控制功能。橋式起重機的運行工況通過數據采集與分析，網絡傳輸與控制應用等功能，將數據結果圖形化顯示出來，實現起重機運行狀態、工作內容的監控和工作量的統計，有效提高生產管理水平。

2.1 數據庫概要設計

數據庫概要設計是為了在系統需求的基礎上，將起重機具體的研究對象抽象為一種數據模型，幫助后續開發設計理清數據的組織架構及數據之間的內在關系。通過前期調研及分析可得出如圖3的E-R圖，其反映了主要對象之間的聯系，顯示了各實體與屬性之間的關系。當用戶登錄系統時，系統判斷并提供相應的權限，通過選定對應的起重機查看各實時狀態信息及報警日志，也可通過歷史查詢查看特定時間內的對應數據。

圖3 數據庫結構E-R圖

2.2 數據通信實現

通信網絡在系統中具有重要作用，系統中的各設備都依靠通信網絡實現數據的互聯互通。本文的安全監控管理系統采用層次化的設計方案，分為現場總線網絡、控制系統網絡及車間管理網絡，其中，控制站與從站之間采用PROFIBUS-DP通信；控制站與激光測距儀、變頻器等控制系統之間通過工業以太網進行連接，使用PROFINET通信協議；控制站與中控室上位機則通過工業以太網通信。該方式可根據監控管理及工業控制對網絡速度及傳輸可靠性的不同要求進行相應配置，滿足監控數據的可靠性以及控制信號傳輸的實時性與準確性。

系統硬件組態中，外設的絕對值編碼器信號、激光測距儀信號以及限位開關等信號控制變頻器的輸出，使行車的大小車、吊具按給定的速度和路徑規劃運行，安全高效地進行出裝槽作業。PLC模塊則需要將電源、CPU、開關量輸入輸出、模擬量輸入輸出及通信等模塊進行配置，并給每個模塊分配其物理地址，以方便后續按需使用，進行相應端口的數據交換傳輸。其中，中控室上位機通過HslCommunication組件庫實現與下位機的數據通信，其讀寫關鍵程序如下：

1.HslCommunication.OperateResult tmp = siemensTcpNet.Read(adr[i], 4);

2. if (tmp.IsSuccess)

3.{Value[i]=siemensTcpNet.ByteTransform.TransInt32(tmp.Content, 0);

4.SaveData_db(); }

5.else

6. {read=HslCommunication.OperateResult.CreateFailedResult(tmp);

7. failed++;

8.ShowFailedMessage(failed); }

2.3 功能設計

系統軟件設計開發采用模塊化設計思想， 根據電解行車的實際工況需求設計了行車狀態監測、槽面信息監測、故障報警、歷史查詢、報表管理及用戶管理等模塊。每個模塊下又分設多個子模塊，通過這些子模塊可以實現大小車、起升、電解槽的監測、起重機故障報警、數據查詢與分析及用戶登錄權限等功能。系統功能結構設計如圖4所示。

圖4 系統功能結構圖

系統整體的主要功能如下：

(1)用戶管理：包括登錄和多權限用戶的分類，實現了同一個系統不同用戶所能使用功能的不同；

(2)監控功能：主要包括行車監控和機組設備的監控，故障報警功能可以對系統故障的產生和原因進行查看；

(3)信息處理功能：包括槽位信息的處理顯示和報表功能。

其中，行車狀態監測主要實現行車實時作業的參數信息監控的功能，界面顯示實時情況下起重機的運行狀態及大車運行速度曲線，并可進行導出打印存檔，如圖5所示；歷史查詢界面主要實現各監控數據的歷史查詢功能，并可對數據進行備份或刪除等操作，便于對生產監控及故障數據進行復檢和追溯，為后續管理及控制提供數據支撐，保障風險可控，如圖6所示；槽面信息界面可與電解槽短路檢測設備進行通信連接，通過上位機實時顯示各槽的工況，判斷是否存在短路情況，并對檢測出的故障極板報警；用戶管理界面則主要是對系統內的登錄用戶進行管理，可以進行刪除、添加、修改等操作，對不同用戶的權限進行管理，以實現系統的安全高效管理。

圖5 橋式起重機監控界面

圖6 歷史數據查詢界面

作為橋式起重機安全監控管理系統，重點在于能實現實時數據監控，及時提供故障位置及相關故障信息，并對可能出現的故障進行預警及已出現的故障進行報警。實現的前提是建立完善的故障庫，并針對重要的故障進行保存，便于事后分析原因，進行相應改進，減少故障的發生，保障作業的安全性。

3 結語

本系統以電解車間橋式起重機為對象，分析了現場工況的需求、運行機理和運行現狀，設計了電解橋式起重機安全監控管理系統的總體架構及系統的軟件架構，開發了起重機安全監控管理系統軟件，實現了電解車間橋式起重機運行狀態的實時監控與安全管理，提高了其安全性能，并能實現生產數據信息的統計分析，為生產調度和管理提供了便利。