一、前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的快速發(fā)展，港口起重機(jī)逐漸呈現(xiàn)設(shè)備大型化、生產(chǎn)效率高、技術(shù)復(fù)雜和 作業(yè)連續(xù)性強(qiáng)等特點(diǎn)，可滿足提高裝卸效率、降 低生產(chǎn)成本等客觀要求，而由機(jī)械設(shè)備發(fā)生故障 造成停工停產(chǎn)所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失卻越來(lái)越大。 

為了保障起重機(jī)械的工作安全，國(guó)發(fā)[2010] 23號(hào)和國(guó)質(zhì)檢特聯(lián)[2011]137號(hào)文相繼提出了 大型起重機(jī)械安全監(jiān)管要求，新近頒布的國(guó)家標(biāo) 準(zhǔn)“起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)”進(jìn)一步細(xì)化提 出要構(gòu)建“對(duì)起重機(jī)械工作過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，能對(duì) 重要運(yùn)行參數(shù)和安全狀態(tài)進(jìn)行記錄管理的起重機(jī) 械信息系統(tǒng)”。該標(biāo)準(zhǔn)具體地規(guī)范起重機(jī)械電氣系 統(tǒng)的全面安全性，并強(qiáng)調(diào)在正常工作過(guò)程階段和 事故發(fā)生階段的可記錄性，增加事故的可追溯性。

 隨著智能傳感器技術(shù)、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)以 及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，不少無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)始在 港口起重機(jī)械行業(yè)上應(yīng)用¨-31。本系統(tǒng)在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 的基礎(chǔ)上，綜合客戶設(shè)備管理要求，設(shè)計(jì)了一套 新型的起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)，主要特點(diǎn)有：實(shí)現(xiàn)了 各類安全數(shù)據(jù)的采集；設(shè)計(jì)了安全數(shù)據(jù)的黑匣子 式存儲(chǔ)；實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸與大容量服務(wù)器 存儲(chǔ)；實(shí)現(xiàn)了基于互聯(lián)網(wǎng)的起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)遠(yuǎn) 程監(jiān)測(cè)與故障診斷；設(shè)計(jì)了開(kāi)放式的設(shè)備遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)等。

二、方案的選擇 

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求監(jiān)管的數(shù)據(jù)種類較多，采集到 的數(shù)據(jù)首先要完成本地存儲(chǔ)，然后再通過(guò)GPRS傳 輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器。針對(duì)數(shù)據(jù)采集和無(wú)線遠(yuǎn)程傳輸 方式有以下3種方案可供選擇。 方案1：每個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)上均安裝一個(gè)數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)單元和數(shù)據(jù)傳輸單元(GPRSDTU)，其優(yōu)點(diǎn) 是數(shù)據(jù)量小，傳輸速度快，但由于每個(gè)DTU中均 需要傳送數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)包也都需要前綴、后綴 等冗余數(shù)據(jù)，這就大大增加了GPRS流量，．且每個(gè) 采集節(jié)點(diǎn)都要有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和DTU單元，這些將增 加系統(tǒng)成本。該方案1的原理圖見(jiàn)圖1。

方案2：各采集節(jié)點(diǎn)連接到一個(gè)基站節(jié)點(diǎn)上， 在此基站節(jié)點(diǎn)上安裝一套數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元和單個(gè) DTU，將所有的采集數(shù)據(jù)放到一個(gè)數(shù)據(jù)包中進(jìn)行傳 輸。該方案只選用一個(gè)DTU實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸， 可大大減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧髁?，降低系統(tǒng)成本。若 同時(shí)發(fā)送所有數(shù)據(jù)將會(huì)導(dǎo)致每包中的數(shù)據(jù)量過(guò)大， 傳輸速度會(huì)慢，實(shí)時(shí)性差。數(shù)據(jù)中除了包括國(guó)標(biāo) 要求的安全數(shù)據(jù)外，還包括起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)狀 態(tài)監(jiān)測(cè)等的數(shù)據(jù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的容量和速度 均要求較高。方案2的原理見(jiàn)圖2。 

方案3：綜合前2種方案，將國(guó)標(biāo)要求的安全 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)作一組，結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)量較大的作為 一組，其他的作為一組，各組節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)有線 (485總線)或無(wú)線(ZIGBEE模塊)進(jìn)行通訊。3 套系統(tǒng)同時(shí)并行運(yùn)行的方式既保證了該系統(tǒng)各項(xiàng) 數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和傳輸?shù)膶?shí)施性與可靠性，又 在一定程度上節(jié)約了系統(tǒng)成本。 2遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 2．1監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體框架 

如圖3所示，門座起重機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由3個(gè) 基站分別與設(shè)備運(yùn)行信息管理、遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)級(jí) 故障診斷、常規(guī)檢測(cè)、服務(wù)器、現(xiàn)場(chǎng)人員和基層 管理等組成。 

2．2安全黑匣子子系統(tǒng) 

將國(guó)標(biāo)中規(guī)定的安全數(shù)據(jù)作為一組，組內(nèi)各 節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)485總線進(jìn)行通訊，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)此子 系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、傳輸和現(xiàn)場(chǎng)存儲(chǔ)，安 全黑匣子子系統(tǒng)的總體框圖如圖4所示。 

1)同一軌道2車間距監(jiān)測(cè)在起重機(jī)作業(yè)過(guò) 程中，為了避免同一軌道上的起重機(jī)發(fā)生碰撞， 需要對(duì)2車間距進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)間距小于額定 間距時(shí)進(jìn)行報(bào)警。常用的測(cè)距方法有激光測(cè)距、 超聲波測(cè)距和紅外測(cè)距方法等。超聲波測(cè)距具有 信息處理簡(jiǎn)單、快速和價(jià)格低，易于實(shí)時(shí)控制的 優(yōu)勢(shì)，且在測(cè)量精度方面也能達(dá)到測(cè)量要求，故 在本系統(tǒng)中選擇超聲波測(cè)距的方法。

2)安全防護(hù)裝置本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的安全防護(hù)裝 置有起升／下降限制位幅度限位、防風(fēng)防滑安全 裝置、聯(lián)鎖保護(hù)、回轉(zhuǎn)鎖定裝置和起升機(jī)構(gòu)制動(dòng) 器釋放裝置。 

3)起重力矩?cái)?shù)據(jù)采集該起重機(jī)的力矩限制 器同時(shí)采集了起重量和幅度信息，常規(guī)力矩限制 器供應(yīng)商均可提供帶數(shù)字輸出接口的設(shè)備。為簡(jiǎn) 化應(yīng)用，本系統(tǒng)直接通過(guò)力矩限制器中的數(shù)字接 口獲取數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程服務(wù)器實(shí)時(shí)顯示起重載荷和幅 度，并根據(jù)設(shè)計(jì)要求報(bào)警。 

4)回轉(zhuǎn)角度采集：門座起重機(jī)回轉(zhuǎn)角度直接 影響載荷的結(jié)構(gòu)受力，本系統(tǒng)選用電子羅盤(pán)實(shí)現(xiàn)對(duì) 回轉(zhuǎn)角度的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，它是通過(guò)磁感應(yīng)器中2個(gè)互 相垂直軸同時(shí)感應(yīng)地球磁場(chǎng)的磁分量，從而得出方 位角度。將電子羅盤(pán)安裝在司機(jī)室頂部，羅盤(pán)在初 次安裝使用前要對(duì)臂架等旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行標(biāo)定，使羅 盤(pán)的輸出可正確反映起重機(jī)回轉(zhuǎn)角度的實(shí)際值。電 子羅盤(pán)安裝過(guò)程中要注意周圍鐵磁性材料的影響。 

5)現(xiàn)場(chǎng)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)存儲(chǔ) 可防止由于公網(wǎng)的不穩(wěn)定導(dǎo)致安全數(shù)據(jù)的丟失。采 用專用存儲(chǔ)裝置(如硬盤(pán)等)價(jià)格昂貴，本系統(tǒng)根 據(jù)起重機(jī)械安全監(jiān)控需要設(shè)計(jì)基于SD存儲(chǔ)卡的現(xiàn) 場(chǎng)存儲(chǔ)方式。SD卡使用SPI接口與主控制器 C8o51FD20連接。SD卡的文件系統(tǒng)使用FAT16文件 系統(tǒng)，系統(tǒng)程序調(diào)用設(shè)計(jì)的函數(shù)進(jìn)行SD卡讀寫(xiě)操作， 這些操作主要包括新建文件、打開(kāi)文件、讀(寫(xiě))數(shù) 據(jù)和刪除文件等。主要特包括文件按天命名、數(shù)據(jù) 寫(xiě)滿指定天數(shù)后自動(dòng)覆蓋最前一天的數(shù)據(jù)。 

2．3設(shè)備運(yùn)行信息管理子系統(tǒng) 

1)操作人員信息很多事故的起因都是操作 人員的違規(guī)操作，為了便于在事故發(fā)生后查找到 具體的操作人員，追究責(zé)任，杜絕類似的事故再 次發(fā)生，該系統(tǒng)記錄操作人員的操作時(shí)間。本系 統(tǒng)中選用非接觸式的智能卡識(shí)別方式進(jìn)行人員信 息的采集，人員信息采集節(jié)點(diǎn)采集到的信息包括 操作者編號(hào)信息、上機(jī)時(shí)間、下機(jī)時(shí)間及操作者 總的操作機(jī)時(shí)。 

2)工作量和循環(huán)次數(shù)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)根據(jù)門座起 重機(jī)的起升載荷、幅度和回轉(zhuǎn)角度特征判定一次 工作循環(huán)，將工作循環(huán)中的載荷及循環(huán)次數(shù)進(jìn)行 統(tǒng)計(jì)，可為企業(yè)管理提供有用信息，也可為設(shè)備 安全使用壽命預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)支持。 

3)耗電量獲取起重機(jī)上的電表信息進(jìn)行存 儲(chǔ)和傳輸，服務(wù)器按操作者、時(shí)間等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。 

2．4遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)及故障診斷子系統(tǒng) 

1)遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)及故障診斷無(wú)線應(yīng)變采集 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，應(yīng)力測(cè)試技術(shù)是通過(guò)測(cè)量應(yīng)變片阻值， 來(lái)算出鋼材所受力的大小及方向]。應(yīng)變片采用 焊接式電阻應(yīng)變片，通過(guò)點(diǎn)焊機(jī)與起重機(jī)鋼板完 全貼合。鋼材在受力變形時(shí)，拉壓應(yīng)變片從而改 變它的阻值。系統(tǒng)采用新型傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)變的 采集、傳輸，并在服務(wù)器實(shí)現(xiàn)起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu) 的安全評(píng)價(jià)。 

2)遠(yuǎn)程振動(dòng)監(jiān)測(cè)及故障診斷門座起重機(jī)的 振動(dòng)監(jiān)測(cè)主要包括常規(guī)的減速器故障檢測(cè)及回轉(zhuǎn) 支承故障檢測(cè)‘，對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析， 可避免突發(fā)性故障的發(fā)生，及時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)。 本系統(tǒng)中采用2種不同的加速度傳感器用于減速 器和回轉(zhuǎn)軸承。 采集的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)曲線，并對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行 時(shí)域分析、頻域分析和時(shí)頻域分析，求出信號(hào)的均 值、標(biāo)準(zhǔn)差、峰值、有效值和峭度值，并自動(dòng)對(duì) 分析結(jié)果做出報(bào)表分析。振動(dòng)信號(hào)分析見(jiàn)圖5。 值、標(biāo)準(zhǔn)差、峰值、有效值和峭度值，并自動(dòng)對(duì) 分析結(jié)果做出報(bào)表分析。振動(dòng)信號(hào)分析見(jiàn)圖5。

三、結(jié)論 

 本系統(tǒng)針對(duì) 國(guó)家監(jiān)管部 門大型起 重機(jī)械安全 監(jiān)管的要求 ， 設(shè)計(jì) 了一種 門座起重機(jī) 械網(wǎng)絡(luò)化安 全監(jiān)控系統(tǒng)。 本 系統(tǒng) 既能夠 實(shí)現(xiàn)國(guó)標(biāo) 的安全裝置 記錄要求 ， 還增加 了完成對(duì)人員信 息的管理和 電 量 、 工作臺(tái)時(shí)等的管理； 同時(shí)實(shí)現(xiàn) 現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)和基于互聯(lián) 網(wǎng)的遠(yuǎn)程存儲(chǔ) ； 實(shí)現(xiàn)結(jié) 構(gòu)應(yīng)變 的遠(yuǎn) 程智能檢N ／監(jiān)測(cè) ； 實(shí)現(xiàn) 門座起重機(jī)遠(yuǎn)程振動(dòng)監(jiān)測(cè) 和故障診斷等功能。 本系統(tǒng) 已在港 口多臺(tái)門座起 重機(jī)上進(jìn)行 了應(yīng)用 ， 不僅提 升港 口門座起 重機(jī)使 用的安全性 ， 更提升大型港機(jī)安全管理 和維修養(yǎng) 護(hù)的水平， 具有廣泛的應(yīng)用前景和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益