1 緒 論

1.1 研究目的和意義

隨著農(nóng)業(yè)、工業(yè)、建筑業(yè)和交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展,各行各業(yè)起重機(jī)械的應(yīng)用越來越多,目前起重機(jī)不斷朝著大型化、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化方向發(fā)展。由于起重作業(yè)是一種事故多發(fā)性的作業(yè),為了保證起重機(jī)在安全限度內(nèi)工作和操作人員能安全駕駛,起重機(jī)的安全運(yùn)行 則成為一大研究重點(diǎn)。

目前,起重機(jī)發(fā)生故障較多、監(jiān)管工作不足,而起重機(jī)作為重要 的起重設(shè)備,運(yùn)用又如此之廣,安全運(yùn)行則成為首要問題,同時(shí)提高作 業(yè)效率也是相當(dāng)必要?，F(xiàn)代監(jiān)控技術(shù)是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制技術(shù)為一體,也是對(duì)信息技術(shù)和監(jiān)控技術(shù)的集成。它不僅可以減少操作人員的工作強(qiáng)度、降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)率,且可以隨時(shí)監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)行狀況,給維護(hù)帶來極大的方便。如果起重機(jī)上應(yīng)用安全監(jiān)控管理系統(tǒng),則能高效快捷地監(jiān)控起重機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài),提高裝卸效率,增強(qiáng)安全性能,減少故障時(shí)間,這將顯著改善目前起重機(jī)械的監(jiān)管狀況,提高管理的現(xiàn)代化水平。所以,面對(duì)我國起重機(jī)以 及起重機(jī)械的現(xiàn)狀,開發(fā)起重機(jī)的監(jiān)控管理系統(tǒng)有著必要性和緊迫性。目前,起重機(jī)生產(chǎn)企業(yè)以及其他相關(guān)單位,在國家標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)程的強(qiáng)制 要求下,起重機(jī)安全監(jiān)控與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)給起重機(jī)安裝 各類安全保護(hù)裝置,比如:起升限制器、行程限位、超速保護(hù)裝置等。然而,在以上參數(shù)都滿足的情況下,起重機(jī)仍存在危險(xiǎn)區(qū)間;某些型 號(hào)起重機(jī)運(yùn)行的效率相對(duì)較低,無法發(fā)揮起重機(jī)的最佳作用;在施工過程中,為了提高效率、方便及提高吊載重量等原因,經(jīng)常使起重機(jī) 工作在缺少某種限制器甚至完全沒有限制器的狀態(tài)下;為了降低成本,提高起重機(jī)利用率,起重機(jī)通常運(yùn)行在滿載荷的工作狀態(tài)下,甚至于在一些惡劣天氣環(huán)境下要仍然工作,這些情形很容易導(dǎo)致起重機(jī)危 險(xiǎn)事故的發(fā)生。如果僅僅使用了各種被動(dòng)單一式的安全保護(hù)裝置,在起重機(jī)到達(dá)設(shè)計(jì)極限狀態(tài)時(shí)發(fā)出警報(bào),安全保護(hù)裝置便中斷起重機(jī) 的當(dāng)前工作停機(jī)避險(xiǎn),這就大大降低了起重機(jī)的使用效能。

本文以通用起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)為研究對(duì)象,要求故障時(shí) 間少、操作安全。所以本文提高起重機(jī)安全運(yùn)行性能,提高裝卸效率,加強(qiáng)對(duì)電氣故障的監(jiān)測(cè)和診斷功能為目標(biāo),經(jīng)過數(shù)據(jù)的積累可提高起 重機(jī)的效率完善優(yōu)化起重機(jī)的操作工藝和流程,提出起重機(jī)安全運(yùn) 行的最佳方式,即在保證安全的情況下盡量提高工作效率,希望起重 機(jī)有較強(qiáng)的自控能力及自動(dòng)錯(cuò)誤診斷能力,能夠在起重機(jī)由安全狀 態(tài)進(jìn)入臨界安全狀態(tài)時(shí),通過顯示、聲音等多種手段報(bào)警,使得操作 人員避免錯(cuò)誤操作,避免被動(dòng)停機(jī);采用監(jiān)控管理技術(shù),來減少操作人 員工作強(qiáng)度,提高生產(chǎn)率,實(shí)時(shí)監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行狀況和產(chǎn)生故障報(bào)警 功 能,加強(qiáng)起重機(jī)系統(tǒng)和操作人員的安全性,并提供歷史數(shù)據(jù)查詢,為維 護(hù)和修理 帶來極大的方便。

從長遠(yuǎn)的考慮,安全監(jiān)控管理系統(tǒng)對(duì)起 重機(jī)械的發(fā)展有長足的幫助,起重機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來源于理論計(jì)算和 設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),由于起重機(jī)械以安全第一為前提的特殊性,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往 滿足設(shè)計(jì)整體選 型偏大,造成資源浪費(fèi),或者由于工藝的改變導(dǎo)致部 分設(shè)計(jì)不合理,造成起重機(jī)械起重某部件選型不合理,與整個(gè)系統(tǒng)不 匹配,造成系統(tǒng)安全度下降或運(yùn)行效率下降。起重機(jī)械安全監(jiān)控提供對(duì)其完善的監(jiān)控,可長期直接或間接的測(cè)量起重機(jī)械運(yùn)行參數(shù),同時(shí)記錄操作員的輸人指令和起重機(jī)載重情況,根據(jù)這些長期的、實(shí)際投人使用的設(shè)備的詳細(xì)參數(shù),起重機(jī)的設(shè)計(jì)者、研究人員可獲取同批次類似型號(hào)起重機(jī)大量完整可靠的大量數(shù)據(jù),從而對(duì)在用起重機(jī)做出疲 勞分析、壽命評(píng)估,同時(shí)改進(jìn)、改善起重機(jī)的設(shè)計(jì),此項(xiàng)長期的工作功 在當(dāng)代,利在千秋。

1.2 起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展概況

目前起重機(jī)已廣泛應(yīng)用于農(nóng) 業(yè)、工業(yè)、建筑業(yè)和交通運(yùn)輸業(yè),但由于起重作業(yè)是一種事故多發(fā)性 的作業(yè),為了保證起重機(jī)的安全運(yùn)行,起重機(jī)的安全系統(tǒng)則成為一大研究重點(diǎn)。達(dá)到起重機(jī)的安全運(yùn)行系統(tǒng)重要的是能夠安全運(yùn)行和實(shí) 現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)。

1.安全運(yùn)行是指起重機(jī)操作后大車、小車、起升、吊具等每一機(jī) 構(gòu)能準(zhǔn)確運(yùn)行,達(dá)到安全駕駛的目的,要具有高性能高穩(wěn)定性的控制系統(tǒng)。

2.監(jiān)控系統(tǒng)是指監(jiān)視起重機(jī)的重要元器件,實(shí)時(shí)了解起重機(jī)的運(yùn) 行情況、工作狀況及重要數(shù)據(jù)。監(jiān)控系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)起重機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、動(dòng)態(tài)顯示、實(shí)時(shí)故障報(bào)警及歷史報(bào)警查詢、生產(chǎn)過程量報(bào)表生成和具 有自診斷功能,這些功能將使起重機(jī)運(yùn)行更加安全。

起重機(jī)中運(yùn)用監(jiān)控系統(tǒng)早已開始了,國外對(duì)于港口集裝箱起重 機(jī)已使用 P L C 控制、計(jì)算機(jī)軟件和無線局域網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)港口的調(diào)度以及對(duì)起重機(jī)的監(jiān)控,能夠隨時(shí)隨地監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng),其他應(yīng)用場(chǎng)合的起重機(jī)也都采用監(jiān)控系統(tǒng) 進(jìn)行操作、順利運(yùn)行。如德國漢堡港最為現(xiàn)代化的港口,采用了先進(jìn)的裝卸系統(tǒng)和智能化的監(jiān)控系統(tǒng)。國外的技術(shù)水平已相當(dāng)高,監(jiān)控系統(tǒng)很發(fā)達(dá),起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)向智能化、自動(dòng)化 方向發(fā)展。目前國內(nèi)起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)用也很廣,如中國的圳鹽田國際集裝箱碼頭早已采用遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),其他種類的龍門起重機(jī)和通 用橋式起重機(jī)的運(yùn)用場(chǎng)合也已采用監(jiān)控系統(tǒng),但只是實(shí)現(xiàn)基本的監(jiān) 視功能,主要都是在中心監(jiān)控室進(jìn)行監(jiān)控。運(yùn)用監(jiān)控系統(tǒng)能大大加強(qiáng) 系統(tǒng)安全,減少事故發(fā)生。

1.3 本課題研究開發(fā)的主要內(nèi)容

本課題主要研究起重機(jī)監(jiān)控管理系統(tǒng),采用西門子PLC 采集 架橋機(jī)信號(hào),通過實(shí)時(shí)性較好的V C + + 編寫實(shí)時(shí)性程序來實(shí)現(xiàn)監(jiān)控管 理功能,實(shí)現(xiàn)對(duì)起重機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控及數(shù)據(jù)管理,加強(qiáng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。本文主要內(nèi)容如下:

1.通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和相關(guān)文獻(xiàn)閱讀,了解架橋機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展概 況,掌握架橋機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

2.確定起重機(jī)監(jiān)控的變量,確定上位機(jī)與下位機(jī)、下位機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)備間采取的通訊方式,提出系統(tǒng)的控制方案和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

3.利用西門子PLC系統(tǒng)、編程軟件ST E P7完成起 重機(jī) P L C 下位監(jiān)控系統(tǒng)的程序設(shè) 計(jì)。

4.采 用 C + + 語 言實(shí)現(xiàn)上位監(jiān)控記錄功能。

2 安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1對(duì)安全監(jiān)控系統(tǒng)的要求

安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的信息來源于起重機(jī)原電控系統(tǒng),而起重機(jī) 種類繁多,非標(biāo)設(shè)計(jì)較多,控制回路種類各異且邏輯復(fù)雜,為了與實(shí) 現(xiàn)記錄功能的上位機(jī)相互通訊、實(shí)現(xiàn)連接,故需加入具備通用性模塊化的采集單元,并該單元也應(yīng)具備通用的連接技術(shù)。綜合通用起重機(jī)工藝特點(diǎn),監(jiān)控要求、數(shù)據(jù)采集求以及國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)安全監(jiān)控管 理系統(tǒng)提出以下功能要求:

(l)系統(tǒng)具備記錄起重機(jī)運(yùn)行參數(shù)的能力。

(2)系統(tǒng)信息的采集應(yīng)滿足實(shí)時(shí)性要求,儲(chǔ)存應(yīng)滿足原始完整性要求。

(3)系統(tǒng)儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)信息或圖像信息應(yīng)包含數(shù)據(jù)或圖像的編號(hào)、時(shí)間和日期。

(4)系統(tǒng)的信息存儲(chǔ)單元在關(guān)閉電源或供電中斷之后,其內(nèi)部的所有信息均應(yīng)被保留。

（5） 系統(tǒng)能在存儲(chǔ)容量達(dá)到設(shè)定的存儲(chǔ)時(shí)間前提示管理人員提前備份保存。

（6）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間不應(yīng)少于30個(gè)連續(xù)工作日,視頻存儲(chǔ)時(shí)間不應(yīng)少于72 h。

2.2 系統(tǒng)方案的選取

經(jīng)過多方討論和調(diào)研,課題組將系統(tǒng)分為四部分:

(1)電源單元

(2)下位采集單元

(3)上位記錄、數(shù)據(jù)處理單元

(4)視頻采集單元系統(tǒng)以通用起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計(jì),對(duì)各類起重機(jī)械做了深人的調(diào)研,做出通用型設(shè)計(jì),并針對(duì)各類起重機(jī)變化的工況,提出以模塊化設(shè)計(jì)為主,針對(duì)不同現(xiàn)場(chǎng)情況和市場(chǎng)情 況提出優(yōu)化。

下文以針對(duì)架橋機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的情況作為為例,介紹安全監(jiān)控管 理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

2.3 架橋機(jī)結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

架橋機(jī)是架橋機(jī)是在公路、鐵路軌道上行駛、用于整跨架設(shè)跨梁 的橋梁施工機(jī)械。架橋機(jī)屬于起重機(jī)范疇。但其與一般意義上的起重 機(jī)工藝特點(diǎn)有很大的不同。其工作環(huán)境條件惡劣,人員技術(shù)水平偏低,工況危險(xiǎn)風(fēng)險(xiǎn)高,重大安全事故較為多發(fā)。架橋機(jī)由于其使用環(huán)境惡 劣,由于其工藝和環(huán)境原因其配備的維護(hù)力量較差,所以很多其電控 系統(tǒng)采用了繼電器回路或低配 P L C,故而好多型號(hào)架橋機(jī)原電控系統(tǒng)基本不具備現(xiàn)代高速通訊能力。

架橋機(jī)具備以下特點(diǎn):

(1) 架橋機(jī)由于其工藝和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定,其使用上存在隱患。

(2) 由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣及相關(guān)條件缺乏，安裝調(diào)試人員安全隱患很大。

(3) 公路和鐵路普遍采用承包制，工期非常緊張。

(4) 架橋機(jī)使用特點(diǎn)：很依賴人員的專用非標(biāo)搬用設(shè)備。

架橋機(jī)設(shè)備環(huán)境有以下特點(diǎn):

(1) 現(xiàn)場(chǎng)為野外,環(huán)境極為惡劣,施工環(huán)境隱患多。

(2) 現(xiàn)場(chǎng)條件極差,即便在正常施工條件下,工裝采用現(xiàn)場(chǎng)制作,非標(biāo)性較強(qiáng)。

(3) 現(xiàn)場(chǎng)的電源不穩(wěn)定,完善接地很困難。

針對(duì)架橋機(jī)工藝特點(diǎn),對(duì)系統(tǒng)各個(gè)單元分別以下形

式實(shí)現(xiàn)。

 2 .3.1電源子單元

架橋機(jī)現(xiàn)場(chǎng)情況比較復(fù)雜,電源可從當(dāng)?shù)亟尤伺R時(shí)電源也可接入發(fā)電機(jī)電源,由于其環(huán)境影響,完善可靠地接地很困難。同時(shí)由于電源來源不穩(wěn)定,現(xiàn)場(chǎng)可能經(jīng)常斷電。

為 了保證監(jiān)控系統(tǒng)的正常運(yùn)行,對(duì)電源子單元提出以下優(yōu)化:

(1)電源子單元對(duì)做了隔離強(qiáng)化,從而保證系統(tǒng)不因?yàn)殡娫词芨?擾,是監(jiān)控得到的數(shù)據(jù)可信。

(2) 對(duì)系統(tǒng)采用不間斷電源供電,保證系統(tǒng)在意外斷電后仍然 可正常運(yùn)行一段時(shí)間,并記錄當(dāng)時(shí)情況。

2 3.2 下位采集單元

由于架橋機(jī)工藝、使用環(huán)境特點(diǎn)因素決定,其控制回路為老式 繼 電器回路,經(jīng)過選型和多方對(duì)比,最終選用西門子S7300PLC作為下位采集單元,上位機(jī)采用自主開發(fā)的監(jiān)控軟件來實(shí)現(xiàn) 監(jiān)控記錄等功能,上位機(jī)與下位機(jī)之間采用工業(yè)以太網(wǎng)連接,通訊協(xié)議采用具備通用 性的OPC( OLE for Proeess Control,用于 過程控制的OLE )協(xié)議。

采用西門子PLC可實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)和較為簡單的維護(hù)操作,下 位采集單元的接人與架橋機(jī)采用硬接線方式連接。該單元作為監(jiān)控 管理系統(tǒng)與架橋機(jī)的雙向紐帶。選用用西門子 P L C 的意義:

(l) 西門子S7300PLC 通用性較強(qiáng)。

(2) 具備較高的靈活性、擴(kuò)展及裁剪性。

(3) 下位硬件需具備良好的抗干擾能力。

2.3.3上位記錄、數(shù)據(jù)處理單元

此單元為監(jiān)控系統(tǒng)的記錄部分,系統(tǒng)功能最終在此單元來實(shí)現(xiàn),針對(duì)起重機(jī)工藝特點(diǎn)和監(jiān)控要求,提出了下位監(jiān)控系統(tǒng)的要求:

(1)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)下位采集單元傳送人的運(yùn)行狀態(tài)及故障信息。

(2)實(shí)現(xiàn)歸檔等事故追溯功能。

(3)系統(tǒng)自校驗(yàn)功能,保證自身的可靠。

(4)實(shí)時(shí)顯示架橋機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及故障信息。

(5)實(shí)現(xiàn)濾波和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的功能。

(6)邏輯控制及系統(tǒng)綜合配置。

根據(jù)以上功能要求及下位采集單元的接口問題，下位方案定為 以工控機(jī)為核心的方案。上位機(jī)采用 V C + + 編寫具備實(shí)時(shí)性的監(jiān)控軟件。

針對(duì)以上設(shè)計(jì)要求,對(duì)上位記錄、數(shù)據(jù)處理單元硬件做出以下優(yōu)化:

(l)選用被動(dòng)散熱主板。即主板上無機(jī)械風(fēng)扇,采用散熱片散熱。

(2)屏幕機(jī)身一體化設(shè)計(jì),并選用觸摸屏。

(3)內(nèi)部棄用機(jī)械硬盤,采用抗震的閃存式固態(tài)硬盤。規(guī)避工控機(jī) 內(nèi)部對(duì)震動(dòng)最敏感的部件。

(4 )電源輸人加人 D C D C 直流穩(wěn)壓模塊。監(jiān)控軟件具備通過O PC與西 門子 P L C 通訊的能力,實(shí)時(shí)記錄了起重機(jī)的運(yùn)行參數(shù)。選用O P C 技術(shù)的原因:

(l)具備通用性。目前主流的工控廠商 支持該技術(shù)。

(2)其技術(shù)具備硬件和軟件獨(dú)立性,適合作為通用產(chǎn)品。為安全監(jiān)控管理系統(tǒng)通用化做準(zhǔn)備。

(3)技術(shù)開放,軟件基于其具備對(duì)內(nèi)透明的特性。針對(duì)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高,上位軟件采用 C十十作為主要編程軟件編寫,其具備很高效的程序運(yùn)行效率和最大便捷 性。數(shù)據(jù)采用了擴(kuò)展性 和性能均衡的 SQ Lite文件 型數(shù)據(jù)庫。

與監(jiān)控軟件配套還有數(shù)據(jù)分析 軟件,可結(jié)合起重機(jī)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)與 采集到的數(shù)據(jù)分析起重機(jī)的詳細(xì)參數(shù),做出針對(duì)性很強(qiáng)的疲勞分析、壽命評(píng)估,同時(shí)改進(jìn)、改善起重機(jī)的設(shè)計(jì)。監(jiān)控軟件還具備與遠(yuǎn)程傳輸?shù)哪芰?以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳送,為集中控制和起重機(jī)集群的監(jiān)控 做準(zhǔn)備。

2、3.4 視頻采集單元

安全監(jiān)控管理系統(tǒng)要求了視頻監(jiān)控,考慮到其和監(jiān)控性能的主 系統(tǒng)關(guān)聯(lián)度不大,如果與監(jiān)控系統(tǒng)合并,則非常耗費(fèi)資源,并可能導(dǎo)致 整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定性下降,故將其獨(dú)立。

架橋機(jī)監(jiān)控點(diǎn)標(biāo) 準(zhǔn)要 求:過孔狀態(tài)、架梁狀態(tài)、運(yùn)梁車同步狀 態(tài)。其中針對(duì)運(yùn)梁車同步狀態(tài)監(jiān)控,運(yùn)梁車長達(dá)60 m,監(jiān)控角度不到 30度。有兩個(gè)探頭裝在架橋機(jī)的前端,距離不小于 80 m,可能存在干擾現(xiàn)象。這對(duì)視頻采集提出了很高的要求,針對(duì)這些要求,方案采用 了專業(yè)的工業(yè)攝像頭和攝錄機(jī)并留有遠(yuǎn)程傳輸?shù)慕涌诤湍芰Α?

3 總 結(jié)

起重機(jī)是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和起 重運(yùn)輸中實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程機(jī)械化、自動(dòng)化的重要工具和設(shè)備,為了高效快捷地監(jiān)控起重機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài),提高裝卸效率,減少故障時(shí)間,提高生產(chǎn)效率,保障起重機(jī)安全運(yùn)行,不論在學(xué)術(shù)上還是工程上都意義重大,本文開展了對(duì)通用起重機(jī)安 全監(jiān)控管理系統(tǒng)的研究,并以架橋機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)為例做出設(shè) 計(jì)。

本文分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與功 能,結(jié)合現(xiàn)代監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展概況,通過通訊方式的比較,確定了上位機(jī)、下位機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的通訊 方式,并采用西門子 5 7一300 的 P L C 監(jiān) 控架橋機(jī),用 S T E P 7軟件完成程序設(shè)計(jì),用 C + 十 開發(fā)設(shè)計(jì)上位機(jī)監(jiān)控軟件,完成提出的要求。