在造船廠，門式起重機是其不可或缺的制造機械。由于制造的船體體積巨大，造船門式起重機的體積也非常巨大，并且運行工況復(fù)雜，作業(yè)高度較高，施工環(huán)境復(fù)雜障礙物多、操作人員技能水平參差不齊等特點。因此每年船舶制造過程所發(fā)生的施工事故統(tǒng)計數(shù)居高不下。

        在此背景下國家制定的 GB/T 5031—2008 規(guī)定，大型門式起重機必須安裝起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)。但由于傳感器信息傳輸網(wǎng)絡(luò)搭建困難，造船廠門式起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和視頻傳輸一直是待突破的行業(yè)難題。隨著 2020 年國家 5G 基建戰(zhàn)略的發(fā)展和實施，以及對系統(tǒng)其他原件部分技術(shù)的研究和升級，造船廠門式起重機的無線傳輸部分都升級為5G 傳輸。此次我們就以造船門式起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)在5G通訊背景下的技術(shù)升級為題，詳細展開說明 5G 通訊技術(shù)在造船廠門機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)中的應(yīng)用和技術(shù)升級。

        GB/T 28264—2017《起重機械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》規(guī)定了起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的組成包括硬件和軟件，基本單元有信息采集單元、信息處理單元、控制輸出單元、信息存儲單元、信息顯示單元、信息導(dǎo)出接口單元等，當有遠程監(jiān)控需要時，應(yīng)增加遠程傳輸單元。起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式如圖 1 所示。

 國內(nèi)外科研學(xué)者針對造船門機安全監(jiān)測控制系統(tǒng)廣泛地開展了研究。浙江省特種設(shè)備科學(xué)研究院的凌張偉團隊應(yīng)用基于 ARM-Linux 的監(jiān)測控制儀，對現(xiàn)有安全監(jiān)測控制系統(tǒng)中的 PLC 數(shù)據(jù)進行判辨，并應(yīng)用無線傳輸快速組網(wǎng)獲取新的傳感器數(shù)據(jù)，實現(xiàn)造船門機運行中實時采集、儲存和傳輸數(shù)據(jù)，以及具備報警功能；廣州特種機電設(shè)備檢測研究院的黃國健團隊介紹了廣州造船龍門吊安全監(jiān)管系統(tǒng)的檢測，以及傳感器選型、工作時間、聯(lián)鎖保護安全裝置、掃描周期、起重量綜合誤差試驗、視頻信息系統(tǒng)的檢驗辦法；江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院陳序、帥飛應(yīng)用 TI 的 CC2530 無線芯片組成 ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)，利用西門子 S7—400 系列 PLC 和組態(tài)軟件 WinCC 組成和設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)，實時監(jiān)測門機的工作狀態(tài)并，實現(xiàn)故障報警，并能提供過往數(shù)據(jù)查詢，極大地方便了維護和修理。隨著 AI 技術(shù)的發(fā)展，基于視頻的對設(shè)備健康方面的監(jiān)測日漸成熟，對大型起重機中電機、軸承等旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的健康監(jiān)測日益受到用戶的關(guān)注。但視頻和振動方面的監(jiān)測，數(shù)據(jù)傳輸量大、時延低，對數(shù)據(jù)傳輸層要求很高；而 5G 具備了高速度、低功耗、低時延、泛在網(wǎng)等特點，正適合起重機后續(xù)健康安全系統(tǒng)發(fā)展的趨勢?；?5G 的造船門機安全監(jiān)控系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖 2 所示。

傳感器、編碼器等硬件應(yīng)滿足 GB/T 28264—2017 中表 1 列的要求。硬件層主要有各類傳感器、信號采集盒、信號變送器等，其中超速保護裝置、起升機構(gòu)制動器、運行行程、起升高度限位器、起重量限制器、回轉(zhuǎn)角度、力矩限制器、抗風(fēng)防滑裝置、工作幅度，風(fēng)速儀、機構(gòu)之間的運行聯(lián)鎖、同一或不同一軌道運行機構(gòu)防碰撞裝置屬于標準要求；振動、應(yīng)力應(yīng)變和視頻屬于健康監(jiān)測的內(nèi)容。

應(yīng)力監(jiān)測方法主要分聲發(fā)射法、全息干涉法、光柵光纖傳感測量法和應(yīng)變片電測量法等 4 種，這 4 種應(yīng)力監(jiān)測方法的綜合對比如表 1 所示。

由表 1 可知，系統(tǒng)采用應(yīng)變電測法進行應(yīng)力監(jiān)測。 這一方法的原理是傳感器安裝固定在被測量結(jié)構(gòu)表面，當構(gòu)件變形時，傳感器電阻值相應(yīng)地發(fā)生變化，然后通過電阻應(yīng)變調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)化為電壓（或電流）的變化，記錄儀記錄換算后的應(yīng)變值或輸出的與應(yīng)變成正比例的電壓（或電流）信號，即可獲得所測應(yīng)力或應(yīng)變。應(yīng)變計傳感器參數(shù)如表 2 所示。

目前，最普遍可見的振動傳感器有電容型、壓阻型、壓電型、電感型和光電型。壓電加速度計為慣性式傳感器的一種，有體積小質(zhì)量輕、測量頻率范圍寬、量程廣、易于安裝且對被測量物件影響小等優(yōu)點，故成為最普遍使用的振動傳感器。綜上所述，本系統(tǒng)選用壓電式加速度傳感器。

振動傳感器通過安裝支架吸附在被測物體表面，結(jié)合無線節(jié)點，它還可提供本地指令，用無線傳輸將信號發(fā)送到中央控制室，并用網(wǎng)關(guān)接收振動數(shù)據(jù)，以便后續(xù)進行數(shù)據(jù)采集和趨勢分析。振動傳感器參數(shù)如表 3 所示。

目前，機身是起重機監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測的重點，很少有使用監(jiān)測系統(tǒng)來關(guān)注起重機外部工作環(huán)境的情況。起重機通常在港口，碼頭等環(huán)境中運行，這些工作環(huán)境比較復(fù)雜，而起重機的外部環(huán)境異常會影響起重機的正常運行，甚至引發(fā)安全事故。因此，本方案通過二次開發(fā)視頻設(shè)備，在監(jiān)測系統(tǒng)中集成視頻監(jiān)控，動態(tài)抓取起重機在外的工作環(huán)境的狀態(tài)。

本地中央主機端和遠程監(jiān)控器直接訪問視頻監(jiān)控工控機，并從工控機中獲取實時視頻數(shù)據(jù)和過往視頻文件。攝像頭可以捕獲實時動態(tài)變化，還具備夜間紅外攝像功能。視頻監(jiān)控模塊的主要技術(shù)有圖像實時顯示、歷史圖像回溯下載等。攝像機的參數(shù)如表 4 所示。

GB/T 28264—2017《起重機械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》中起重量限制器、起升高度限位器、風(fēng)速儀裝置、防碰撞裝置、抗風(fēng)防滑裝置、超速保護裝置、起升機構(gòu)制動器、回轉(zhuǎn)角度傳感器等通過雙絞屏蔽線或光纖有線的方式，由于造船門機跨距較大，部分改造的造船門機條件所限，也可采用 5G 的通訊方式。應(yīng)力片、振動和攝像探頭的傳感器設(shè)備，布局廣、線路布置比較麻煩，且如果采用其他無線傳感器或其他通信方式，帶寬和時延都有問題，本文采用 5G 的傳輸方式，5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖如 3 所示。

GB/T 28264—2017《起重機械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》中規(guī)定的超速保護裝置、起升機構(gòu)制動器、運行行程、起升高度限位器、起重量限制器、回轉(zhuǎn)角度、力矩限制器、抗風(fēng)防滑裝置、工作幅度，風(fēng)速儀、機構(gòu)之間的運行聯(lián)鎖、同一或不同一軌道運行機構(gòu)防碰撞裝置等數(shù)據(jù)通過 PLC 方式進行采集。

本項目電氣控制系統(tǒng)中，支持使用 Profifibus 現(xiàn)場總線及網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備有風(fēng)速儀裝置、編碼器、驅(qū)動器、超載保護裝置等。運用現(xiàn)場總線技術(shù)，通過 Profifibus 通訊電纜與主 PLC 通訊，將門機上的傳感器、輸入輸出采集模塊、驅(qū)動器等總線設(shè)備連通，并讀取相應(yīng)運行數(shù)據(jù)。

       數(shù)據(jù)采集器工控機帶有以太網(wǎng)控制器，通過交換機與主 PLC 連接，通過網(wǎng)關(guān)軟件系統(tǒng)讀取 PLC 相應(yīng)傳感器設(shè)備的信息。網(wǎng)關(guān)軟件采用應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域中的OPC 技術(shù)，可依據(jù)統(tǒng)一標準平穩(wěn)高效地讀取硬件設(shè)備數(shù)據(jù)，后續(xù)系統(tǒng)應(yīng)用軟件也可基于 OPC 技術(shù)靈活地進行信息交換，以提高系統(tǒng)兼容性和可拓展性。

振動和應(yīng)變傳感器與無線節(jié)點配對，可提供本地數(shù)值指示，也可采用專用采集卡方式，將信號無線發(fā)送到中心位置，無線網(wǎng)關(guān)接收溫度和振動的數(shù)據(jù)，用于后續(xù)收集與趨向分析。

自研軟件系統(tǒng)采用 Modbus 協(xié)議進行振動數(shù)據(jù)采集， 采集后數(shù)據(jù)通過 5G 放到后方數(shù)據(jù)中心。

本項目安裝有 7 個以上攝像頭，能對設(shè)備的運行狀態(tài)進行全方位無死角的實時監(jiān)控、記錄，能監(jiān)控機械作業(yè)和發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常。在門機剛性支腿的上部與柔性支腿的上部各安裝一部帶云臺可變焦距攝像頭 , 以觀察門機的吊裝作業(yè)情況，滿足吊裝現(xiàn)場的各種需要；在大車行走結(jié)構(gòu)的兩側(cè)各安裝一部固定焦距的攝像頭 , 用來觀察大車行走時的軌道情況；在剛性支腿下部電纜滾筒處的適當位置 , 安裝一部固定焦距的攝頭 , 用于觀察滾筒的運行情況。所有監(jiān)視監(jiān)控圖像可通過有線網(wǎng)絡(luò)傳至視頻錄像機進行存儲，自研軟件系統(tǒng)進行視頻數(shù)據(jù)的讀取和分析，視頻分析后，把分析結(jié)果通過 5G 傳到后方，后方監(jiān)控也可通過 5G 查詢歷史錄像。

GB/T 28264—2017《起重機械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》中規(guī)定的超速保護裝置、起升機構(gòu)制動器、運行行程、起升高度限位器、起重量限制器、回轉(zhuǎn)角度、力矩限制器、抗風(fēng)防滑裝置、工作幅度，風(fēng)速儀、機構(gòu)之間的運行聯(lián)鎖、同一或不同一軌道運行機構(gòu)防碰撞裝置等數(shù)據(jù)，采用關(guān)系型數(shù)據(jù) SqlServer 的方式進行存儲；振動數(shù)據(jù)由于采集頻率較高，有效價值較低，采用序列化文件方式存儲；視頻數(shù)據(jù)采用文件方式存儲，并自動刪除 3 個月之前的數(shù)據(jù)，能夠有效地實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲功能，并預(yù)留數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)公司內(nèi)部開源的設(shè)備數(shù)據(jù)中心，避免信息隔絕。現(xiàn)場數(shù)據(jù)庫中儲存經(jīng)軟件運算處理過的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)通過工業(yè) / 有線網(wǎng)絡(luò)，傳送到中央監(jiān)測室的服務(wù)器中，這些數(shù)據(jù)在服務(wù)器中經(jīng)過軟件還原為畫面并存儲在服務(wù)器中。

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件以工控機為基礎(chǔ)，基于 C# 開發(fā)平臺 , 依據(jù) GB/T 28264—2017 進行監(jiān)控界面開發(fā)，通過Winfom 開發(fā) GUI，可形象而方便地對系統(tǒng)各數(shù)據(jù)狀態(tài)進行實時監(jiān)測，并可查看歷史作業(yè)回訪和歷史數(shù)據(jù)等。

系統(tǒng)對 3D 模型與設(shè)備可視化進行集成，在確?？捎眯耘c有效性的基礎(chǔ)上，既可在普通電腦上正常瀏覽，還可根據(jù)工程技術(shù)人員的實際需要，實現(xiàn)移動端快速瀏覽 3D 模型。

對電機、聯(lián)軸器、齒輪箱等進行實時健康檢查，通過振動和溫測量分析，即振動測量儀器給出一個數(shù)值，通過該測量值與標準值的比較，以及發(fā)展趨勢來判定機器的狀態(tài)（優(yōu)秀、良好、報警、維修等）。圖 4 給出了工業(yè)常用領(lǐng)域關(guān)于振動判定的國際標準 ISO 10816。 通過測點的振動值進行定時實時采集和計算，并對運行趨勢進行跟蹤。當趨勢狀態(tài)發(fā)生變化時，機器狀態(tài)就發(fā)生了變化（故障），系統(tǒng)會自動提醒維修人員進行維修（或更換配件），經(jīng)維修后系統(tǒng)自動跟蹤，趨勢回歸正常。

通過采集的門機各個位置的應(yīng)力數(shù)據(jù)，可在 Unity 門機模型進行實時監(jiān)控和曲線分析。系統(tǒng)采用雨流計數(shù)和Palmgren-Miner 理論兩種算法結(jié)合的方式，雨流計數(shù)法在疲勞壽命估算中運用較廣泛，Palmgren-Miner 理論（以下簡稱 Miner 理論）是線性疲勞累積損傷理論中最典型的。雨流計數(shù)法（又名塔頂法）在理論力學(xué)有足夠的根據(jù)，在后期不斷實踐中證明了其結(jié)果和實驗結(jié)果較為接近，具備做判斷的依據(jù)標準。Miner 線性理論比較容易系統(tǒng)計算和實現(xiàn)，可以不考慮不同應(yīng)力之間彼此的相互影響，而只關(guān)注不同應(yīng)力水平及對應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)即可；對于焊接結(jié)構(gòu)細節(jié)，該理論也具有一定的精準度。因此，結(jié)合計算機的運算處理能力，考慮簡化整個計算的過程，實現(xiàn)程序的簡單化，決定采用 Miner 線性理論。

該系統(tǒng)中提供預(yù)警功能，可向用戶發(fā)出預(yù)警告知異常點的位置，提醒用戶特別注意，提高檢查頻次。若有關(guān)鍵部位的實際壽命超出了理論壽命，危險信號將立刻發(fā)送給用戶，提示用戶盡快準備備件，并適時停止生產(chǎn)進行檢修和維護更換部件。系統(tǒng)支持靈活報警設(shè)置，可 設(shè)置各類設(shè)備的報警方式，包括故障報警、狀態(tài)異常報警等。報警設(shè)置支持角色通知、用戶通知、各種方式通知（APP、微信公眾號、系統(tǒng)報警等），支持多級報警設(shè)置，同一報警第一接收人在設(shè)定時間內(nèi)未處理，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置自動通知后續(xù)接收人，監(jiān)督報警處理速度，協(xié) 助用戶進行管理優(yōu)化。

通過對客戶作業(yè)現(xiàn)場和機械進行三維建模，結(jié)合模型輕量化技術(shù)，快速構(gòu)建作業(yè)現(xiàn)場三維模型，并將設(shè)備的離線和在線數(shù)據(jù)連接到三維模型中，結(jié)合視頻線控，實現(xiàn)企業(yè)設(shè)備 360°無死角監(jiān)控。同時，對門機設(shè)備的狀態(tài)進行等級評估，自動生成設(shè)備詳細的健康評估報告，評估報告內(nèi)容可經(jīng)過靈活設(shè)置，將設(shè)備的基礎(chǔ)信息、運行參數(shù)信息、故障信息、故障等級、運行時間等各維度進行分析統(tǒng)計，生成設(shè)備的詳細的健康評估報告。

國家新基建戰(zhàn)略的實施如火如荼，5G 時代依然到來，以 5G 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)為核心的造船門式起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)升級的新時代已然開啟。作為行業(yè)先鋒還需對造船門式起重機的 5G 數(shù)據(jù)傳輸深入研究。通過對 5G 數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用和學(xué)習(xí)，能對工況和運行情況更好地管理，有效解決在吊裝工作室的難題，降低重大事故的發(fā)生。