淺析港口機械設備遠程監控系統開發

王亞夢，韓溫金

（山東煙臺市煙臺港股份有限公司，山東煙臺 264000）

0 引言

港口機械具有數量多、布置分散且種類不一等特點，隨著航運業的發展和節能工作的不斷推進，港口機械的性能水平已成為衡量各港口企業能源綜合利用的一個重要參數。為了使港口企業正常生產，必須保證港口機械設備具有良好的工作狀態。

近年來，港口機械監控技術突飛猛進，然而由于不同的機械系統實際需求存在著很大差異，系統不能充分反映設備的運行情況。目前性能參數的測試只能通過將測試儀器連接到配電室進行，這種方式既不利于實時監測，也存在一定的安全隱患。港口機械性能采集分析網絡系統的建立，可以有效、實時地查看和統計機械設備的狀態，并通過大數據模式的捕捉提高生產效率。各領域實時在線監測技術的發展，不僅減少了人力投入，而且還提高了實時監測的穩定性和收集數據的準確性，可以為設備分析和控制提供有效的歷史信息。隨著我國工業技術和信息化水平的進步，遠程控制技術的開發越來越成熟，近年來一些港口已經有效應用其對機械設備進行監控和管理。該系統能夠有效降低港口設備的維護成本，保證系統運行的可靠性和安全性。

1 系統總體設計

1.1 設計理念

港口機械性能采集系統主要通過各種傳感器收集港口機械的各種指標。經過信號處理和數據采集過程后，通過無線網絡進行傳輸，對終端的信息平臺進行匯總和處理，并將數據顯示在系統軟件中。該系統應具有以下5 個設計特點。

（1）用戶友好界面。為了讓各級用戶充分利用該系統，需要設計一個用戶友好界面，點擊用戶界面上的按鈕完成所有操作，不需要了解系統的操作就可在后臺運行。

（2）智能系統。通過主機對收集到的數據進行分析，以確定該值是否超過預先設定的范圍，如果超出設定值則應及時報警。

（3）拓展系統。系統應具有結構化、標準化、功能擴展、系統互聯、模塊化等功能，主要設備應滿足拆遷重組的要求。

（4）系統容錯。系統設計采用星形結構，當遠程終端故障時不影響其他遠程監測點數據傳輸。

（5）系統可靠性。系統具有自檢能力，硬件和軟件設計也保證了系統的可靠性。

1.2 系統功能

該系統的功能主要有兩大類：一類是信息管理，包括查詢歷史監測數據、故障報告、用戶信息、維護計劃等功能；另一類是遠程監控，包括狀態監測、信息統計、數據導出、遠程傳輸等功能。

1.3 系統構架

依據煙臺港的運行情況和對機械監測的需求，將監測系統劃分為3 個功能層，分別為客戶端、主機以及設備端。其中，主機與客戶端之間的通信通過有線局域網（LAN）進行，設備端與主機之間的通信通過有線局域網（WLAN）進行；設備終端的功能層數據傳輸與采集主要依靠PLC 系統、傳感器和無線網橋來進行；主機的功能層通過對采集的數據進行處理、存儲和輸出，分析系統的健康狀態并實時顯示出監控機械的健康狀態；一定權限下，客戶端功能層可以監控設備終端。

監測系統構架的設計方案一般有兩種，一種是通過監測系統的主機對客戶端和終端設備的數據粗傳輸進行控制反饋，將所收集的數據進行分析處理后按照權限傳遞給客戶端，該方案的缺點是當客戶端用戶較多時，容易造成網絡擁堵；另一種是將客戶端與設備終端對接、數據直接傳輸，這樣能有效避免網絡擁堵，但缺點是當客戶端不在線或出現故障時，該系統的功能失效，無法實現有效監控。

2 數據采集和處理

數據信息需要采集各種傳感器傳來的測量信號，包括重量傳感器、角位移傳感器、水平位移傳感器、電壓傳感器、電流傳感器等。

（1）重量傳感器：可將質量信號轉化為電信號從而實現測量功能。用于機械設備的負荷測量。

（2）角位移傳感器：與其他傳統類型的傳感器相比，該類傳感器采用非接觸設計，性能更可靠。

（3）水平位移傳感器：將所測量的物理信號轉換為電信號的形式，用于測量機器擺動時的距離。

（4）電壓傳感器：當電網中出現失真嚴重的波形信號時，該傳感器可以實現信號的轉換。

（5）電流傳感器：電流傳感器是一種檢測裝置，可以滿足輸出信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。

港口機械的數據傳輸和處理，是通過安裝在設備上的PLC 系統和對應的模塊來完成的。不同類型的數據采集后傳送到PLC，通過相應的模塊轉發，數據類型主要有狀態數據、視頻數據和健康數據：通過設備和傳感器的PLC 獲得設備的運行狀態稱為狀態數據；應用攝像頭采集視頻數據傳送到PLC；應用應變采集儀將監測設備的應力/應變數據轉換為電信號成為健康數據。港口機械所產生的信號類型主要有兩種：模擬信號和開關信號，而采用傳感器采集到的信號主要以模擬信號為主，這些信號通過無線或有限傳送到服務器，這一過程受電磁干擾較為嚴重直接影響到數據傳輸的準確性。而本設計采用PLC 進行數據的采集和傳輸，所產生的信號為數字信號，可以有效避開模擬信號傳輸的弊端（圖1）。

圖1 功能架構

3 通信網絡

本系統的數據傳輸通常采用有線和無線通信結合的方式。

（1）在港口搭建有限局域網（LAN）和無線局域網（WLAN），港口設備通過WLAN 聯網，客戶端和服務器之間通過LAN 聯網，實現遠程控制和數據的處理。港口機械一般布置分散但有序，因此通過設備上安裝的無線網橋實現監控數據的接收和發送，這樣能使距離服務器較遠的機械設備同樣被并入互聯網中。

（2）在機械設備的局域網接口上設置無線電橋，與安裝在最近的設備上的無線電橋通信。這種方法搭建出的網絡通信系統的優點是，即使距離主機較遠處的設備也可以實現數據的傳輸，當繼電橋連續上電時離線的設備不會影響其他機械設備的數據傳輸，網絡結構相對簡單、成本較低。缺點是數據傳輸是串聯的，當熱點中繼失效后數據將無法正常傳輸。

4 人機交互界面

針對港口機械設備的需求和特點，設計了基于Kingview 軟件的遠程監控系統人機交互可視化界面。該界面不僅簡潔方便而且具有機械設備的健康監測系統管理、控制和監測等必備功能，具有開放性，界面的操作主要包含狀態監控界面、實時報警、過程曲線、歷史曲線、以及查詢歷史數據等（圖2）。在該界面不僅可以觀察港口區域內機械設備的在線狀態和分布情況，而且可以通過各個設備的入口進入到監測主界面。主界面具有健康監測、實時監測和超限報警的功能。

圖2 人機交互界面

例如，針對港口門式起重機實時監測功能監測的主要參數有重量、時間、風速、高度、門限位等；超限報警功能通過預設的報警值來實現實時的狀態監測，當發生操作故障、設備故障及其他故障狀態時進行報警警示，同時對門機動作進行鎖定，以確保工作狀態安全。同時，應用SQL 庫可以實現監測歷史數據的存儲與分析，通過歷史數據制作統計報表、繪制統計柱狀圖等，實現實時的信息化管理。

5 健康水平評估與預測

港口設備機械零部件在工作時承受的荷載是隨機并連續的，對于機械零部件健康水平的預測應基于機械結構的特點來進行，因此應用Miner 損傷理論來預測設備的使用壽命D。

其中，l 為運行過程中循環的種類，Ni為在該種循環作業的應力下港口機械所具有的壽命，ni為一次作業中所能承受的所有的循環次數。不同的應值對應的應力等級如表1 所示。

表1 應力等級

根據大型港口機械的實際磨損情況以及在工作過程中產生的測點應力，計算各構件的健康水平及剩余壽命。

為了驗證該系統，在煙臺港型號為MQ4040 的門式起重機上進行應用。將應變儀和PLC 安裝在司機控制室內，按照上文方案將各傳感器監測信號傳輸到PLC，并通過全向網橋將收集到的信號發射出去。調試后系統能夠實現實時的數據采集與傳輸，網絡信號穩定且能對信息快速響應。在機械健康水平方面，通過分析得到該門機工作時各構件產生的應力值，根據Miner 損傷理論的計算結果，起重機的主要構件在焊縫無裂紋且保持歷史應用水平的情況下，相關構件至少可安全使用0.6142×105次，安全運行約10 年。因此，該遠程監控系統能夠預測構件使用壽命，及時發現設備故障并報警，有助于提高設備管理水平，為安全生產保駕護航。

6 總結

港口企業和機械設備的使用相當復雜，機械設備的安全運行是企業運營的基礎。通過收集各種機械設備的性能信息，開發了港口機械設備遠程監控系統，可以實時控制設備的使用情況，更清楚地發現運行過程中出現的問題。該系統提供了狀態實時監測、故障診斷預警、歷史數據查詢、用戶管理、維護管理、信息統計、數據導出等功能，基于WLAN 實現了數據信息采集、人機界面交互、信息通信等，保障港口機械設備的可靠運行，促進港口貿易的發展。