起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)需要通過硬件與軟件的相互作用來實現(xiàn)，一般情況下硬件部分的信息采集采用智能傳感器技術，結構無損檢測等方式，需要通過相應的軟件來進行分，針對不同狀況下的應用場合，傳感器的選用與布點以及監(jiān)控軟件的展現(xiàn)形式各有差異，提出本文的港口門機安全監(jiān)控預警系統(tǒng)的總體方案設計。

   本系統(tǒng)包括三個子方面：應力應變監(jiān)測、風速風向監(jiān)測和位移監(jiān)測。系統(tǒng)實現(xiàn)人員

管理、項目管理、設備管理、閾值管理，各監(jiān)測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的統(tǒng)一匯總和報警信息的

統(tǒng)一管理。本系統(tǒng)提供了清晰合理的人機交互界面，使用者可以簡單方便的操作，包括

各類監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理分析與管理，該系統(tǒng)的主要功能如下：

 

1）系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠程的自動化監(jiān)測，不需工作人員進行監(jiān)控，自動化采集儀可以實

現(xiàn)實時的數(shù)據(jù)信息采集，也大大的減輕了維護人員在高空作業(yè)的時間與次數(shù)。

    2）可以描繪出傳感器所安裝在結構件的具體位置、整個設備位置及各類傳感器編

號等等，能夠錄入與門機作業(yè)相關的信息，這樣能有效的管理傳感器。

   3）可以對監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行預處理，對數(shù)據(jù)進行濾波、數(shù)據(jù)分析分類等，提高整個系

統(tǒng)的精確度與可靠性，給后續(xù)的分析提供較好的信息源。

 4）可以顯示門機作業(yè)時各項傳感器實時的監(jiān)測數(shù)據(jù)，也以將待測結構的各項傳感

器的歷史數(shù)據(jù)以圖表和列表的形式進行顯示。

   5）系統(tǒng)可以實現(xiàn)對采集到的數(shù)據(jù)進行分類分析處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、結構故障的

位置識別、結構安全性的預警等功能，并以數(shù)據(jù)庫的形式給予存儲。

 6）系統(tǒng)為了保證在線安全監(jiān)測預警系統(tǒng)的安全合理運行，對管理者需要身份的驗

證，也具有監(jiān)測、修改、增加與刪除等不同功能。

   7）本系統(tǒng)可以實現(xiàn)對各類傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行綜合統(tǒng)一的管理，只要從數(shù)據(jù)庫

中調用所需要的數(shù)據(jù)信息，從而大面積為管理人員解決了多種采集系統(tǒng)綜合管理的困難。

 8）安裝現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)，便于作業(yè)人員的每日查看，若結構出現(xiàn)損傷而產生報警時，

現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)會自動顯示報警信號，遠程監(jiān)控系統(tǒng)與手機端，同樣也可以收到報警信號，能夠實現(xiàn)在發(fā)生故障時，第一時間提醒工作人員，減輕不必要的損失。

 9）本系統(tǒng)設定了預警閾值，能及時的對可能存在損傷的結構部位進行預警，準確的

顯示出存在隱患的結構件，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化情況提出控制、應急措施。

  10）實現(xiàn)大量歷史數(shù)據(jù)的儲存，門機上進行數(shù)據(jù)備份對硬盤要求較高，每臺門機均

需要硬盤，故此會增加預算。數(shù)據(jù)通過無線傳輸上傳至監(jiān)控平臺，做到長期的數(shù)據(jù)儲存。

    隨著工業(yè)自動化領域的快速發(fā)展，大型危險起重設備的結構越來越復雜，因此在進行

SHM 系統(tǒng)研究時，需要監(jiān)測的部位也越來越復雜，在監(jiān)測點較多的情況下，可能造成數(shù)據(jù)信息傳輸過程中出現(xiàn)混亂，從而影響監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性。所以，將采集到的數(shù)據(jù)由自動化數(shù)據(jù)采集儀進行統(tǒng)一處理發(fā)送到監(jiān)控平臺系統(tǒng)端，既避免了數(shù)據(jù)的分散式處理，又保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的整體分析統(tǒng)計與存儲，同時也節(jié)省了較多的采集設備。這種將所有傳感器采集到的信號集中于一起，信號同時傳送至監(jiān)控平臺系統(tǒng)，稱為集中式監(jiān)測系統(tǒng)，如圖 3.1 所示，集中式監(jiān)測系統(tǒng)的特點如下：

 

 

1）統(tǒng)一性，即它是個統(tǒng)一的系統(tǒng)，方便整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集與處理，以及后期數(shù)據(jù)

的查看，統(tǒng)計與儲存。

 2）獨立性，即處于集中式監(jiān)測系統(tǒng)的各類傳感器之間都是相互獨立的。

3）便捷性，即便與數(shù)據(jù)的綜合采集，處理和存儲，節(jié)省了較多的采集設備，以免造

成不必要的麻煩。在不同監(jiān)測點處安裝不同的監(jiān)控系統(tǒng)與采集設備，可以利用無線通信模塊與監(jiān)控系統(tǒng)之間通信。每個整套設備負責一種數(shù)據(jù)的監(jiān)測，進而達到分布式監(jiān)測目的，與中式系統(tǒng)相對應，即有為分布式監(jiān)測系統(tǒng)，如圖 3.2 所示。

本設計采用集中式現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)對門機實施監(jiān)測?，F(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)主要由采集與控制系

統(tǒng)（自動化數(shù)據(jù)采集儀、應變計與位移傳感器、超聲波風速風向儀），處理與監(jiān)控系統(tǒng)

安全監(jiān)控平臺系統(tǒng)）、無線通信系統(tǒng)（無線數(shù)據(jù)終端）、存儲系統(tǒng)等組成，門機監(jiān)控系統(tǒng)框如圖 3.3 所示?，F(xiàn)場門機監(jiān)控系統(tǒng)主要負責對門機作業(yè)時的結構狀態(tài)和風速風向進行實時監(jiān)控，采集系統(tǒng)通過 RS485 串口連接 4G 無線數(shù)據(jù)終端，安全監(jiān)控系統(tǒng)軟件以圖表、列表及數(shù)值等形式向用戶清晰顯示門機作業(yè)情況下結構狀態(tài)的變化，對其布設了相應的預警指示，同時也可對數(shù)據(jù)進行實時儲存與統(tǒng)計，本系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)存儲為連續(xù) 60個工作日，通過無線網絡數(shù)據(jù)傳輸方式將采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)服務器，從而實現(xiàn)了門機結構狀態(tài)的實時監(jiān)測。

 

 

遠程監(jiān)測系統(tǒng)方案

  

三層 C/S 模式C/（ SClient／Server），即客戶端／服務器端，它作為軟件系統(tǒng)的結構體系，三層 C/S結構主要由表示層、功能層與數(shù)據(jù)層組成。表示層主要是用戶和應用軟件的連接口，它主要承擔應用軟件和用戶之間的通信，對于查看客戶用鍵盤等等鍵入的數(shù)據(jù)信息，展示出應用軟件的各種輸出數(shù)據(jù)信息。應用的主體即為功能層，它主要將要處理分析的數(shù)據(jù)邏輯編寫入程序中，主要進行編程輸入手段。功能層與表示層間數(shù)據(jù)的傳送應盡可能的簡單明了。功能層中，需要有應用與數(shù)據(jù)庫歷史數(shù)據(jù)存儲和獲取及可以記錄整個系統(tǒng)故障理的功能，其中的程序絕大多數(shù)是由可視化程序設計的編程工具研發(fā)的，也使用C 與 C++語言。數(shù)據(jù)層主要擔任數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)擔任數(shù)據(jù)的讀寫，數(shù)據(jù)庫的管理系統(tǒng)應該快速地執(zhí)行批量數(shù)據(jù)的檢索、查找與更新，三層 C/S 的具體方案為：三層結構需邏輯相互獨立，但也需要明確的分割，數(shù)據(jù)層已經以數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)身份獨立出來，主要的樞紐要將表示層與功能層分割成為接口簡明易操作且互相獨立的程序。

 

遠程門機監(jiān)測系統(tǒng)方案

 

本文基于三層C/S 模式的結構提出了門機的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，主要由現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)服務器、遠程監(jiān)控客戶終端組成，現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)主要負責通過自動化數(shù)據(jù)采集儀將應變、位移、風速風向傳感器采集的門機各結構狀態(tài)的數(shù)據(jù)信息，通過 4G 無線通訊方式將數(shù)據(jù)進行分析處理發(fā)送至安全監(jiān)測平臺軟件進行顯示及數(shù)據(jù)統(tǒng)計存儲，采用無線網絡將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠程數(shù)據(jù)服務器，遠程監(jiān)控端可以通過 Internet 來登錄數(shù)據(jù)服務器，從而得到門機作業(yè)過程中的各結構變化的實時數(shù)據(jù)信息，從而實現(xiàn)對港口門機結構健康狀態(tài)的遠程監(jiān)控。遠程監(jiān)控系統(tǒng)結構如圖 3.4 所示。

 

系統(tǒng)方案細節(jié)

 硬件選型：

設備監(jiān)測的硬件選型的合理性是保證監(jiān)測數(shù)據(jù)實時有效的重要保障，由于設備需要長期的監(jiān)測，則硬件選型與數(shù)據(jù)的傳輸通信則成為本系統(tǒng)設計的一個重要點，而且監(jiān)測部位的空間相對狹小，所以對儀器的外觀尺寸具有一定的約束，另外監(jiān)測的對象是鋼結構，且鋼結構的溫度效應相對較大，且長期暴露在鹽堿度較高具有一定腐蝕性的環(huán)境惡劣的港口；則儀器需要定制出尺寸規(guī)格相對合適，能夠適應耐腐蝕與高低溫循環(huán)等特性的設備。綜合各方面情況本系統(tǒng)的硬件如下：

1）數(shù)據(jù)采集儀：選擇 BGK-Micro-40 系列自動化數(shù)據(jù)采集儀，自動化數(shù)據(jù)采集儀應用混合式測量電路，可以對目前市場有各類傳感器測量與記錄。由 BGK-Micro-40 系列自動化數(shù)據(jù)采集儀組成的自動化網絡監(jiān)測系統(tǒng)特大范圍的應用在公路、橋梁、邊坡等多種場合中。自動化數(shù)據(jù)采集儀由防潮機箱，箱體內部由 8/16 通道測量模塊、電源管理模塊(或稱電源塊)蓄電池及電源適配器組成，同時預留光纖通訊模塊、GPRS/CDMA 無線通訊模塊、人工讀數(shù)接口模塊、加熱器等選配部件的安裝接口。自動化數(shù)據(jù)采集儀的整機組成情況如圖 3.5 所示。

 

自動化監(jiān)測系統(tǒng)包括 BGK-Micro-40 型自動化數(shù)據(jù)采集儀(內有測量模塊)、智能儀器(獨立網絡節(jié)點)等，利用配套軟件可以簡單實現(xiàn)對各類部件的自動監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析與處理、圖表列表顯示、異常情況報警燈功能。圖 3.6 為 BGK-Micro-40 自動化數(shù)據(jù)采集儀的系統(tǒng)結構框圖。

圖3.6 為自動化數(shù)據(jù)采集儀的內部組成，擁有超好的防電磁干擾、防潮及防塵作用，采用 RS-485A 總線通信方式，可以把多臺自動化數(shù)據(jù)采集儀進行組網，從而結合成一個

規(guī)模宏大的采集系統(tǒng)。該采集儀內設計有防雷電源管理系統(tǒng)，主要擔任管理系統(tǒng)供電和充電，控制免養(yǎng)護的蓄電池充放電并且為采集儀供應電源，如果外源因故中止供電，則電路自動切換成蓄電池供電。不使用外接電源的情況下，在電充滿的前提下內設有免養(yǎng)護電池可以大約待機 7 天，該自動化數(shù)據(jù)采集儀具有直流供電的端口，在不用其他額外的設備支持下，也可直接插入直流電源或者利用太陽能電池板進行供充電。自動化數(shù)據(jù)采集儀內設有測塊，簡為 VR 模塊，也稱為混合式測量模塊，任何通道都可以接入振弦式、差動電阻式、應變式、標準電壓、頻率等類型的傳感器或儀器等，系統(tǒng)的自檢查、測量和控制、數(shù)據(jù)儲存與通信以及電源的管理等等主要通過采集儀內部的 CPU 時鐘、A/D 轉換器、儲存器等來實現(xiàn)。模塊被封裝于金屬盒里，設計有通信端口和電源等連接口，VR 模塊上設計有 16 個通道，可以連接 16 個儀器，如果需要接入更多的設備，則要添加相應的測量模塊，且每個采集儀最多只能接入 40 個設備。如需接入更多儀器，需要增加，每個自動化數(shù)據(jù)采集儀最多可接入 40

支儀器。測量模塊的正面為傳感器接線端子，有 8 與 16 通道兩種，每個通道的接線端子順序如圖 3.7 所示，通道的測量類型由軟件設置。

 

 

測量模塊具有較多功能：控制遠程監(jiān)控系統(tǒng)，采集接入傳感器的數(shù)據(jù)信息，通過自檢查功能，將各模塊的信息情況及時精確地反饋給上位機，實時的數(shù)據(jù)存儲與保護功能，可以照用戶自己的需求進行測點的選擇實現(xiàn)混合式測量方法。

   2）風速風向傳感器：選擇用 PH-YT2 超聲波風速風向傳感器，本系統(tǒng)采用的輸出信號為電壓型。它是用超聲波風速風向傳感器合成的全數(shù)字類型測量且具有超高精確度的一種傳感器，依據(jù)用戶的需要內設的分析處理單元可以相應的輸出對應的信號，可以迅速且精確地測量出風速與風向信息。因為擁有較高強度、輕小緊密且無移動件的設計結構，所以其能環(huán)境氣候較為惡劣中精確地測量，具有精確可靠、低運維、開放性通信等特點，被廣泛的應在港口、海洋、實驗室與交通等領域。PH-YT2 超聲波風速風向傳感器的主要技術參數(shù)如表 3.1 所示。

 

PH-YT2 超聲波風速風向傳感器的具體特點有：利用聲波相位補償技術，使其準確

性和可靠性更高；利用隨機誤差識別技術，在較大風的情況下也能保障較低的離散性誤差，使其穩(wěn)定性更高；利用數(shù)字濾波技術，雨季、霧天的測量補償技術，使其抗干擾與環(huán)境適應能力更高；先進的科學技術與特有的整體結構保障了超聲波風速風向儀能夠適應較為惡劣的作業(yè)環(huán)境，同時也提高了其精度、可靠性與穩(wěn)定性，較大的減輕了作業(yè)停止時間與維護人員的工作。

 

3）應變傳感器：選擇用 BGK-4000 振弦式應變計，其主要用于橋梁、鋼板、支撐及管線等各類結構的應變監(jiān)測，儀器主要安裝在結構表面來及監(jiān)測結構件的應變情況，可以用粘結或鉆孔方法，最多的是用電焊或螺栓將兩端的塊固定在待測結構表面。儀器與待測結構的溫膨脹系數(shù)非常接近，需要待測結構溫度修正時，內設的溫度傳感器可以時的監(jiān)測待測位置的度，該應變計使用的是不銹鋼結構，因此具有較高精度、可靠性、穩(wěn)定性、優(yōu)越的防水性與耐腐蝕性能，利用四芯屏蔽式的電纜傳送各種信號，而且電纜的長度不會影響頻率的信號，特別適合在門機這種作業(yè)復雜且潮濕的環(huán)境下長期的測量結構的應力變化。BGK-4000振弦式應變計的主要技術參數(shù)如表 3.2 所示。

測量原理：兩個安裝端塊間具有一定長度的鋼弦，端塊利用焊接或螺栓方式安裝于被測結構的表面，被測結構變形將會導致兩端塊間具有相應的移動，導致鋼弦的張力變化，從而使其諧振發(fā)生改變，因此可有效測量結構的變形情況，與鋼弦較近的電磁線圈來檢測儀器生的信號激勵和讀數(shù)情況。BGK-4000 振弦式應變計的結構如圖 3.8 所示。

 

 

4）位移傳感器：選擇用 SDVB20 系列回彈式 LVDT（Linear Variable Differential Transformer）位移傳感器，屬于直線型位移傳感器，可以說為可動鐵芯型變壓器，它主要包括一個初級線圈、兩個次級線圈、線圈骨架和鐵芯等重要結構，其測量過程中，為了保證不產生非線性的數(shù)值，則鐵芯的移動不能超過線圈的線性范圍，而且每個 LVDT都有一線性的范圍，在具有較大灰塵且相對潮濕的惡劣條件下也可以以低功耗精確地方法測量數(shù)據(jù)，且無滑動觸點具有較長的壽命。檢測探頭和傳感器相連接，接觸探頭利用耐磨性較好且鍍絡硬質的工具鋼或平頭，中間部分采用彈簧進行連接，當探頭感觸到待測物體時，探頭將會往回縮探頭的壓縮量即為待測物體的位移量，采用彈簧，每當待測結構離開時，探頭將會自動復位，因此待測結構的變形量與位移量會被快速的測出來。

 

5）傳輸模塊：選擇用 In DTU332 無線數(shù)據(jù)終端。In DTU332 系列工業(yè)無線數(shù)據(jù)終端，主要的承載網用 2.5G/3G/4G 網絡，給用戶提供了 TCP/IP 以上的無線傳輸通道，利用現(xiàn)場監(jiān)控設備和中央控制設備之間的無線通信實現(xiàn)了遠程傳感器數(shù)據(jù)采集與控制。通信拓撲圖如圖 3.9 所示。

 

 

In DTU332 無線數(shù)據(jù)終端，是一種 GPRS 數(shù)據(jù)傳輸模塊，內設有 CDMA 1X 或 GPRS無線網絡模塊，具有高功能、高安全、低功耗等特點，In DTU332 無線數(shù)據(jù)終端的主要參數(shù)如表 3.3 所示

 

 

 

 

In DTU332 系列的設計利用的是全工業(yè)級的芯片，緊密型的結構設計并且重量超輕。從而保障在環(huán)境惡劣且無人值班情況下現(xiàn)場的安全穩(wěn)定的運行，特低的功耗，方便用電相對難的工業(yè)現(xiàn)場。支持 IEC101/IEC104 相互轉換，無縫聯(lián)接主站與現(xiàn)場監(jiān)控終端；支持 Modbus TCP/Modbus RTU 協(xié)議轉換，無縫聯(lián)接現(xiàn)場工業(yè)裝置；支持用戶自定義 TCP/UDP 登錄、心跳報文來監(jiān)測網絡儲存器的運行情況，較強的現(xiàn)場識別能力，便捷實用。具有智能協(xié)議處理如圖 3.10 所示。

數(shù)據(jù)預處理

    門機所處的環(huán)境相對來說較為復雜，系統(tǒng)數(shù)據(jù)的測量將會受到一些傳感器噪聲與隨機干擾的影響，本控制系統(tǒng)引入中值濾波算法來處理噪聲，來提高整體系統(tǒng)的精度與可靠性。中值濾波是一種能夠特別合理有效的抑制噪聲的非線性信號處理技術，具有較小的無偏差性，其最大的特點是：能夠剔除由于隨機偶然因素而造成的波動干擾，進而得到真實情況的有用數(shù)據(jù)。

Nixmedygi},{)(?=(3.1) 式中， yg)( 為濾波后的當前數(shù)據(jù)點，ix 為第 i 次采樣的數(shù)據(jù)點，N 為濾波窗的寬度，綜合考慮本系統(tǒng)選取 N=9。具體流程如圖 3.11 所示。

 

利用中值濾波算法對數(shù)據(jù)信號進行計算，達到兩個效果：

1）明顯降低系統(tǒng)數(shù)據(jù)中的“尖銳”噪聲，使得整個監(jiān)控系統(tǒng)具有姿態(tài)的調整收斂屬性，使統(tǒng)變得平穩(wěn)預警信息相對準確；

2）降低了門機的安全監(jiān)控系統(tǒng)外的其他被動擾動與測量單元傳感器自身的噪聲干擾，避免這些擾動或者干擾在監(jiān)測過程中被逐漸放大，因此影響整個監(jiān)控系統(tǒng)的精度與穩(wěn)定性，預警信息的準確性以及減少維修人員不必要的檢查。