基于無線網絡的塔式起重機安全監測系統設計

崔浩杰，段晨東

（長安大學電子與控制工程學院，陜西西安 710064）

塔式起重機是建筑施工中廣泛應用的運輸設備。但是，塔式起重機傾翻、人員墜落、墜物砸人等事故時有發生。據統計，2016—2020 年間，我國共發生塔機安全事故343 起，造成了嚴重的人員傷亡與財產損失。導致塔機發生故障的隱患絕大部分都能通過塔機的狀態和生產環境監測提前進行排除[1-4]，因此，塔機狀態監測對安全生產具有重要意義。

目前，塔式起重機電氣控制系統中的安全裝置大都獨立運行，系統性差。塔式起重機無線安全監測系統解決了這個問題，它綜合電氣控制系統中的各項數據來判斷故障狀況。然而，由于安全裝置在故障發生后才動作，現有的塔機安全監測系統不能防止故障的發生，只能在故障發生后及時止損。此外，這些塔機安全監測系統少有涉及塔機運行的最關鍵部分——電機[5-13]。事實上，通過電信號更能敏銳地發現塔機電機運行過程中的故障[14]。另外，現有塔機安全監測多采用有線數據傳輸的方式，這是由于生產現場環境復雜，有線監測成本高、難度大，有線電纜在施工環境下容易損壞，引發安全隱患。

該文針對現有塔式起重機安全監測系統的缺陷提供了一套無線遠程管理系統，該系統首先通過現場傳感器讀取塔機的相關數據，分時地將多臺塔機的數據遠程上傳到監控主機，以電機的輔助觸點信號來確定塔機的運行過程，實時進行故障監測和數據分析。與傳統塔機監測系統相比，該系統有三大優勢：第一，以無線方式傳輸數據，更經濟、更安全。第二，綜合分析各項數據，準確率高。第三，對塔機電動機電信號進行統計量和頻率的監測，能夠預警故障。

1 塔式起重機監測需求分析

1.1 現有塔式起重機監測系統缺陷

目前塔式起重機監測系統一般通過讀取塔機電氣控制系統安全裝置的信號進行安全監測，這種方式有四大缺陷：

1）目前塔式起重機電氣系統的安全裝置只有在狀況發生時才會動作，達不到預防故障的目的。

2）塔式起重機的各監測裝置獨立運行，若事故發生時監測的單項參數沒有明顯超限，就不會報警，事實上，如果系統分析監測數據，這些故障是可以被監測的。

3）有線監測線路冗長，容易損壞。

4）對電機的監測不全面、監控內容不全面，只安裝電機的過載、過壓、相序保護裝置。

1.2 塔式起重機監控內容

如表1 所示，針對以上問題，并根據GB/T6067.1及相關標準的要求，塔機的監測可以分兩個層次。第一，塔機電氣控制系統安全裝置的報警信號。第二，對塔機電動機電信號的監測，實時監控塔機電信號的有效值和頻率分量，出現有效值超標或出現故障頻率，應該提前預警故障[15]。

表1 塔式起重機監控內容

2 系統總體設計

2.1 系統的設計目標

1）完成塔機電氣控制系統的監測。系統能實時監測塔機電氣控制系統的狀態，并在電氣控制系統安全裝置動作時報警。

2）完成塔機電機狀態預警。系統能讀取塔機的動作狀態和電信號數據并進行分析，預警塔機故障，為故障決策提供支持。

3）實現遠程數據采集傳輸并設計相應的監測軟件。系統能遠程傳輸塔機的各種數據并合理地進行存儲、顯示、分析。

2.2 系統的設計方案

如圖1 所示，系統主要由三部分組成，第一部分為電流電壓傳感器，負責信號采集和信號預處理與發送。第二部分是由網絡運營商提供的通信及數據管理服務。第三部分是遠程監測中心，負責信號的實時顯示與數據庫的交互。如果施工現場有多臺塔機需要同時監測，則每臺塔機都需要安裝現場監測系統，通過無線網關發送傳感器的讀取數據。遠程監控機分時地接收多臺塔機的數據，同時監測這些塔機的運行狀態。

圖1 系統體系結構

現場監測系統需監測塔機電氣系統安全裝置的報警狀態和塔機的電機電信號，這些數據由相應的傳感器進行讀取并連接到現場監測系統的指定通道。塔機動作電機的電流和電壓信號由其相應的輔助觸點確定，需要發送的觸點信息包括回轉機構的觸點狀態、變幅機構的觸點狀態、起升機構的觸點狀態。這些數據在網關中進行預處理后，被發送至監測中心。

監控機運行時，首先分時接收各塔機發送的數據，然后把需要顯示的信號在界面上顯示出來。顯示的同時對信號進行分析，如果發現信號長時間超過限位或塔機本身的安全裝置出現動作，及時進行報警。另外，遠程監控機把接收到的數據實時存入遠程數據庫中，以數據庫中的數據長線分析塔機的運行狀況，如果電流、電壓信號的頻譜中出現故障頻率，則根據統計量和頻率分析進行故障診斷，預警塔機故障，為故障決策提供支持。

3 硬件設計

如圖2 所示，施工現場可能有多臺塔機進行作業，這些塔機均需配備一套現場采集系統，所有采集系統共用與遠程監控機連接的通道。一臺塔式起重機有三大電機驅動機構：回轉機構、變幅機構和起升機構，根據GB/T6067.1 及相關標準的要求，在塔機運行過程中，回轉電機、變幅電機和起升電機在同一時間段只能運行一臺，所以這三臺電機的電壓、電流信號可以每相合用一路通道，一共占用6 路通道，而到底是哪一臺電機在運行可以通過對應電機接觸器的輔助觸點狀態來判斷。起重量感器、高度傳感器、幅度傳感器、回轉角傳感器、傾角傳感器、風速傳感器各占用一路模擬通道，合計12 路模擬信源。目標塔機回轉機構狀態、變幅機構狀態、起升機構狀態以及報警信號各占用一路數字信源，合計4 路數字信源。

圖2 系統硬件設計示意圖

根據以上要求，使用EM9118B2-12 數據采集卡作為現場數據監控。它是一種高速并行、高精度的數據采集設備，帶有模擬輸入、數字量輸入、數字量輸出、計數、測頻、離線采集等功能，最多可以采集12路模擬信源，4 路模擬信號源。使用時，將各信號接至對應通道即可。

得到采集數據后，使用InGateWay502無線網關將數據及時發送至監控機進行處理。InGateWay502是工業物聯網領域的一款邊緣計算網關，可以通過多種方式上網，除支持主流的Modbus TCP/RTU 等協議外，它還支持用戶二次開發，可以在這個網關上運行編寫好的Python App 進行邊緣計算。將EM9118B2-12數據采集卡和InGateWay502無線網關通過光纖進行連接，就能通過這個功能調用EM9118B2-12 開發人員提供的API接口，讀到相應數據同時對數據進行預處理，降低通信壓力提高通信速度。在InGateWay502無線網關中插入SIM 卡，將網關與互聯網相連接，數據預處理完成后，在App 中運行TCP 服務端，向監控機指定接口循環發送采集的數據。

4 軟件設計

如圖3 所示，該監控系統的軟件主要分為兩部分：第一部分是運行在InGateWay502 無線網關上的邊緣計算Python App，主要完成信號采集和數據預處理、發送的功能。第二部分是運行在遠程監控機上的Java 監控程序，Java 具有多線程功能，可以并行接收數據、分析數據并報警、與MySQL 數據庫交互并進行長時間的數據分析，完成塔機故障的提前預警。數據采集模塊和數據處理模塊采用可以在不同語言間通信的Open TCP 協議來完成，多個數據采集模塊分時地占用數據處理模塊。

圖3 塔機無線監測系統軟件體系結構圖

4.1 信號采集部分

如圖4 所示，信號采集部分程序運行在InGateWay502 無線網關上，由邊緣計算Python App 調用EM9118B2-12 的開發者動態鏈接庫來采集數據。首先，讀取起重量、高度、幅度、回轉角度、風速、傾角、三相電流、三相電壓這12 路模擬信號，然后，讀回轉機構、變幅機構、起升機構的工作狀態及安全裝置的狀態這4 路數字信號。最后，以16 進制字符串的形式將采集到的數據通過開放TCP 協議從服務端發送到遠程指定IP 端口。

圖4 采集程序流程圖

4.2 信號處理部分

監控程序流程如圖5 所示，信號處理部分由Java主程序完成，主要功能包括數據標定、顯示、存儲、追憶和塔機狀態顯示與報警。程序運行時首先要對程序進行設置，初始化操作主要包括設定報警閾值和超限報警時間、格式化數據庫等。進入循環部分后，程序先使用TCP客戶端接收塔機的數據字符串，并對相應數據進行分割，并行進行數據顯示、數據存庫及數據分析。

圖5 監控程序流程圖

數據顯示主要包括顯示當前運行的塔機序號和動作機構，以標簽顯示起重量、高度、幅度等數據，以曲線顯示電壓、電流波形及其對應的有效值。顯示的同時將數據存入MySQL 數據庫中，以便后期長期分析數據，預警未來故障。當前運行電機的電壓、電流任何一相超過設定閾值或數據庫中的電信號，做FFT 分析后發現除工頻信號外的其他大量邊頻信號時，程序進行報警并記錄故障信息。

4.3 管理及監控4.3.1 程序運行

圖6 為數據顯示界面，圖7 為故障記錄界面。

圖6 數據顯示界面

圖7 故障記錄界面

4.3.2 故障頻率分析與故障預測

如圖8 所示，在程序運行過程中會調取大量數據庫的數據進行故障頻率的監測，如果發現除工頻外的大量邊頻信號，說明電機運行狀態異常[16-17]。異常狀態出現后，通過統計量、時域波形和頻譜分析進行故障分析，診斷潛在故障。

圖8 故障診斷

5 結束語

電機的狀態監測對塔式起重機的安全穩定運行至關重要。該文通過電氣控制系統安全裝置監測和電機電信號分析判斷塔機運行狀態，實現了一種無線遠程塔式起重機安全監測系統，能及時發現塔機運行過程中的危險狀況，保障了塔機的安全穩定運行。與傳統塔機監測系統相比，該系統具有明顯優勢，首先，它整合了有關塔機安全運行的所有信息，使用簡潔的單通道結構讀取了大量數據。其次，它不僅監測了塔機的起重量、高度等傳統信息，還分析了塔機運行電機的電信號頻譜，能更敏銳地察覺到塔機故障。最后，該系統大部分信號使用無線傳輸的方式，減少了監測成本和安全隱患。