基于網(wǎng)絡(luò)的大型起重機械遠程監(jiān)控系統(tǒng)研究*

岑志波，洪 輝，邱法聚

(1．寧波市特種設(shè)備檢驗研究院，浙江寧波 315048;2．寧波港北侖第二集裝箱碼頭，浙江寧波 315800)

0 引言

起重機械廣泛應(yīng)用于港口、造船、冶金、電力、建筑業(yè)等國民經(jīng)濟各行業(yè)中。隨著起重機械數(shù)量的迅速增加和大型化、高參數(shù)發(fā)展的趨勢，與起重機械相關(guān)的安全生產(chǎn)形勢日益嚴峻，對起重機械安全操作和規(guī)范管理的要求也日益提高。

為進一步加強起重機械的安全監(jiān)管，提高安全監(jiān)管的科學(xué)化和有效性，國務(wù)院在《關(guān)于進一步加強企業(yè)安全生產(chǎn)工作的通知》(國發(fā)［2010］23號)中首次提出了“大型起重機械要安裝安全監(jiān)控管理系統(tǒng)”的要求。2012年，國家標(biāo)準(zhǔn)“起重機械 安全監(jiān)控管理系統(tǒng)”(GB/T28264-2012)正式頒布，提出要構(gòu)建“對起重機械工作過程進行監(jiān)控，并能夠?qū)χ匾\行參數(shù)和安全狀態(tài)進行記錄管理的起重機械信息系統(tǒng)”，并對起重機械的安全監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成、系統(tǒng)的監(jiān)控、系統(tǒng)的性能要求、系統(tǒng)的檢驗方法等做了明確的規(guī)定。

為落實國家對大型起重機械安全監(jiān)控的工作要求，寧波市特種設(shè)備檢驗研究院在符合安全監(jiān)控國家標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上，研究起重機械安全監(jiān)控信息系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，自主研發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件和軟件，并進行了實際應(yīng)用，并達到了初步的研發(fā)目標(biāo)。

1 遠程監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)的目標(biāo)

國家標(biāo)準(zhǔn)“起重機械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)”(GB/T28264-2012)確立了起重機械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的總體要求和相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。起重機械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)由下列單元構(gòu)成:信息采集單元、信息處理單元、控制輸出單元、數(shù)據(jù)存儲單元、信息顯示單元、信息導(dǎo)出接口單元等。當(dāng)有遠程監(jiān)控要求時，應(yīng)增加遠程傳輸單元。

標(biāo)準(zhǔn)對于橋/門式起重機械安全監(jiān)控信息采集的內(nèi)容要求進行了明確。應(yīng)對起重量、起升高度、運行位置、安全裝置、防撞裝置的信息進行采集。

通過上述分析，項目任務(wù)是開發(fā)一款基于網(wǎng)絡(luò)的起重機械遠程監(jiān)控信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)安裝后應(yīng)實現(xiàn)以下目標(biāo)。

(1)符合國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，采集起重機械運行的相應(yīng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)、信息，且能確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

(2)實現(xiàn)設(shè)備的遠程管理，數(shù)據(jù)的遠程傳輸和遠程服務(wù)器存儲。

(3)實現(xiàn)起重機械結(jié)構(gòu)遠程智能檢測及安全分析、評估、預(yù)警。

基于無線網(wǎng)絡(luò)的安全監(jiān)控系統(tǒng)可以有效解決現(xiàn)有測試系統(tǒng)的弊端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸、設(shè)備故障的實時分析、運行數(shù)據(jù)的實時統(tǒng)計等，對于保障設(shè)備的安全運行具有重要的意義。

2 遠程監(jiān)控系統(tǒng)的內(nèi)容及實現(xiàn)方法

本項目應(yīng)用智能傳感技術(shù)、無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)庫開發(fā)技術(shù)及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，對基于網(wǎng)絡(luò)的起重機械安全監(jiān)控信息系統(tǒng)進行深入研究。通過GPRS模塊，綜合B/S和C/S兩種模式，實現(xiàn)高精度的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和運行參數(shù)的數(shù)據(jù)采集和遠程數(shù)據(jù)傳輸，研發(fā)監(jiān)控軟件實現(xiàn)金屬結(jié)構(gòu)和安全數(shù)據(jù)的管理。

2．1 起重機金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)變測試方法

基于TDC(時間數(shù)字轉(zhuǎn)化器)技術(shù)的應(yīng)變測試方法是通過測試時間間隔獲取應(yīng)變值。TDC測試系統(tǒng)，利用其計算功能強大的處理器能，采取軟件完成增益補償和零點漂移補償。補償原理如圖1所示。

圖1 TDC測試系統(tǒng)補償原理電路

TDC測試首先在無載荷的情況下測量零點漂移，將結(jié)果寫入指定寄存器，后續(xù)的測量結(jié)果為計算結(jié)果減去該寄存器值得到，用于零點漂移的補償。

起重機械金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試獲取的是一個相對值，需要找一個零點位置，然后在一定初始位置下(如空載，小車位于端部等)對各測點清零。

進行有限元建模獲取測點位置的自重應(yīng)力。創(chuàng)建有限元分析模型，根據(jù)測點所在的部位，分別建立各部件的有限元模型。通過后處理查看計算結(jié)果，提取某關(guān)鍵點某工況下的應(yīng)力值。

無線結(jié)構(gòu)應(yīng)變測試節(jié)點能按照指定的工況定期進行靜載測試和動載測試，并通過服務(wù)器將每一次測試的結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫相關(guān)表中，在web網(wǎng)頁或C/S界面上用戶可以根據(jù)測試時間查看每次靜載或動載測試的結(jié)果［1］。

根據(jù)歷史靜載或動載測試結(jié)果，分析各個測點應(yīng)力值的變化情況，可判斷各測點部位劣化趨勢，進而推算整體結(jié)構(gòu)的劣化趨勢。

項目中應(yīng)變測試選用基于TDC測量的集成芯片PS021，TDC芯片獲得的測量數(shù)據(jù)通過串口SPI與單片機控制模塊進行數(shù)據(jù)傳輸。現(xiàn)場測試中分別在導(dǎo)電側(cè)主梁的端部、1/2處和1/4處布置了三個測點。

2．2 大車安全防撞裝置信息采集

在常用的激光測距、超聲波測距和紅外測距等三種基于數(shù)字測距的大車防撞裝置中超聲波測距法雖然測試精度不高，但因其具有信息處理快速、結(jié)構(gòu)簡單、環(huán)境影響小、可靠性高等優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用在各種測距裝置中。本項目綜合考慮測試距離、測試精度、測試環(huán)境等因素，選用超聲波測距方法。

超聲波測距常用壓電式超聲波傳感器，它利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。其模塊包括固有頻率正反饋發(fā)生器電路、換能器、線性電路、單片機等部分。

超聲波傳感器在放大信號的驅(qū)動下，發(fā)射超聲波脈沖。接收電路將超聲波傳感器接收回波信號并將其放大，之后將放大的信號整形為數(shù)字信號，作為中斷信號送入單片機外中斷器，使其產(chǎn)生中斷。

2．3 起重載荷信息采集

起重量限制器在起重機械中的重要安全保護裝置，可有效防止起重機的超載運行，降低了起重機運行的安全隱患，也對起重機械主梁鋼結(jié)構(gòu)起到了較好的保護作用。

本項目試驗的起重機采用電子式起重量限制器(常欣QCX-M型)，由電阻應(yīng)變式傳感器和電器控制器兩部分組成，傳感器安裝在卷筒的軸承支座上。當(dāng)起重機起吊重物時，傳感器受力變形，產(chǎn)生一個與載荷成比例的電壓信號，傳感器輸出的信號由二級集成運放器進行放大，放大后的信號進入比較器，與基準(zhǔn)電壓作比較后實施相應(yīng)的動作功能。

2．4 限位器信息采集

限位器是為了防止起重機械運行到極限位置的設(shè)備。本項目中利用監(jiān)測限位開關(guān)中空置的常開觸點的狀態(tài)來采集限位器的動作信息。

2．5 人員信息采集

為提高起重機作業(yè)人員安全操作意識，防止野蠻作業(yè)、超載吊重、歪拉斜吊、擅自短接安全保護裝置等違規(guī)現(xiàn)象，迫切需要對作業(yè)人員和作業(yè)過程進行記錄和監(jiān)控。

項目借鑒門禁系統(tǒng)的非接觸式智能卡識別模塊，設(shè)計開發(fā)了起重機械操作人員信息采集模塊。讀卡模塊原理如圖2所示。

讀寫器向IC卡發(fā)一組固定頻率的電磁波后，卡片內(nèi)部的LC串聯(lián)諧振電路的頻率與讀寫器發(fā)射的頻率相同，在該電磁波的激勵下，LC諧振電路產(chǎn)生共振從而使電容內(nèi)有了電荷，在這個電容的另一端，接有一個單向?qū)ǖ碾娮颖?，將電容?nèi)的電荷送到另一個電容內(nèi)儲存，并將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去。

2．6 起升高度信息采集

起重機械為防止過卷揚事故一般均設(shè)有高度限制器，但大多數(shù)起重機上未設(shè)置高度信息采集裝置。項目中采用旋轉(zhuǎn)編碼器來實現(xiàn)起重機械起升高度位置信息的采集。

3 遠程監(jiān)控系統(tǒng)的無線傳輸技術(shù)

為了克服現(xiàn)有的有線測試方法的低效率和無線方法的傳輸性能缺陷，項目開發(fā)了一種基于GPRS數(shù)傳技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合的遠程狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)公網(wǎng)范圍內(nèi)任意位置的數(shù)據(jù)遠程可靠傳輸，實現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)的狀態(tài)監(jiān)測。

在常用的基于公共網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸方法——GPRS、GSM短消息方式、CDMA技術(shù)、CDPD技術(shù)中，由于GPRS數(shù)據(jù)傳輸方式具有系統(tǒng)覆蓋范圍廣、“永久在線”、易與網(wǎng)絡(luò)連接等特點，能較好地保證傳輸實時性、準(zhǔn)確率、可靠性的要求，因此選用了GPRS數(shù)據(jù)傳輸方式。

起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。包括采集節(jié)點設(shè)計、基站節(jié)點設(shè)計以及遠程服務(wù)器系統(tǒng)設(shè)計等。

圖3 起重機安全監(jiān)控總體結(jié)構(gòu)

3．1 采集節(jié)點設(shè)計

采集節(jié)點和基站節(jié)點均采用同一型號單片機，型號C8051F，是一種混合信號系統(tǒng)級單片機，片內(nèi)含CIP-51的CPU內(nèi)核，完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，具有64個數(shù)字I/O引腳。

C8051F020單片機所有模擬和數(shù)字外設(shè)均可根據(jù)用戶需求而配置。片內(nèi)JTAG調(diào)試電路允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進行非侵入式、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。

起重機械安全監(jiān)控系統(tǒng)需長期監(jiān)測運行，考慮減少電源超導(dǎo)線接線的安全隱患，本系統(tǒng)利用AC/DC將220交流轉(zhuǎn)換為+12V直流。

單片機通過RS-485通訊協(xié)議，采集大車防撞裝置、起重量、限位裝置、起升高度信息的采集，并發(fā)送至基站。

3．2 基站節(jié)點設(shè)計

系統(tǒng)基站節(jié)點設(shè)計了數(shù)據(jù)存儲和無線數(shù)據(jù)傳輸功能，具有現(xiàn)場黑匣子和遠程服務(wù)器數(shù)據(jù)存儲兩種模式。遠程服務(wù)器數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)存儲，用于信息的保存與數(shù)據(jù)的實時分析?，F(xiàn)場黑匣子主要應(yīng)用于安全數(shù)據(jù)的保障存儲。

項目研究了基于存儲卡的現(xiàn)場存儲方式，其中SD卡以其高存儲容量、快速的讀取速度、極大的移動靈活性以及很好的安全性成為本系統(tǒng)的選擇。同時為了在Windows操作系統(tǒng)可以識別，系統(tǒng)在SD卡中建立了FAT16格式的文件，同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)的定期自動覆蓋。采用的單片機C8051F020能實現(xiàn)與SD卡的良好對接。主要體現(xiàn)在:①指令運行速度可達25MIPS，滿足高速操作SD卡的功能要求;②具有SPI硬件接口，支持其中斷;③片內(nèi)具有60多K的RAM，不需要滿足擴展外存即可滿足SD卡中文件系統(tǒng)的建立;④工作電壓與SD卡兼容等。

4 遠程監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

遠程監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要是包括節(jié)點遠程參數(shù)設(shè)置、接收和處理終端發(fā)回的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫設(shè)計、系統(tǒng)用戶界面設(shè)計、系統(tǒng)分析軟件設(shè)計等。

進入系統(tǒng)之后，在終端管理主界面上可以查看各節(jié)點的在線動作情況，刷新時間為3 s，如圖4所示。

點擊“編輯終端”按鈕進入通過終端管理頁面，終端管理模塊可以對采樣時間間隔、數(shù)據(jù)上傳周期、零點偏移量等參數(shù)進行實時修改。如圖5所示。

圖5 節(jié)點管理編輯參數(shù)界面

系統(tǒng)能對作業(yè)人員和作業(yè)過程的信息進行記錄和統(tǒng)計。系統(tǒng)設(shè)計了測試報表，可以根據(jù)參數(shù)設(shè)置實現(xiàn)各參數(shù)的統(tǒng)計功能。

5 總結(jié)

通過對起重機械遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究和應(yīng)用，實現(xiàn)了對起重機械的起重量、起升高度位置、大車防撞裝置、安全裝置、人員信息的采集、存儲和遠程傳輸，實現(xiàn)了起重機械主梁鋼結(jié)構(gòu)的無線應(yīng)變測試和遠程傳輸。遠程監(jiān)控系統(tǒng)可以實時顯示和統(tǒng)計記錄設(shè)備當(dāng)前運行狀況，較好地實現(xiàn)了后方管理部門對起重機一線作業(yè)現(xiàn)場的有效監(jiān)控。

但在實際應(yīng)用中，現(xiàn)有系統(tǒng)還存在諸多不足，有以下幾點需要進一步改進。

(1)進一步完善起重機械遠程監(jiān)控系統(tǒng)的功能，增加起重機械作業(yè)指令的記錄與監(jiān)控，增加起升電機制動器的動作狀態(tài)監(jiān)控等功能，使其全面符合國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

(2)進一步改進起重機械遠程監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計，使系統(tǒng)界面更加人性化，節(jié)點的設(shè)計更完整，在滿足起重機械使用單位對起重機運行的安全管理基礎(chǔ)上，也能為特種設(shè)備主管部門提供確切完整的運行記錄和數(shù)據(jù)。

(3)進一步優(yōu)化起重機械遠程監(jiān)控系統(tǒng)的無線傳輸技術(shù)?？紤]將起重機上所有信息采集點的數(shù)據(jù)通過有線方式集中傳輸?shù)杰囬g內(nèi)的微機里，然后再通過因特網(wǎng)發(fā)送到后方設(shè)備的管理部分以及其他相關(guān)部門，既能保證數(shù)據(jù)信息的共享性，也可較大程度節(jié)約無線傳輸?shù)馁M用。

［1］ 萬 當(dāng)．基于WEB的起重機械結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)研究［D］．武漢:武漢理工大學(xué)，2011．

［2］ 潘 攀，李靖宇．橋式起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)研究［J］．硅谷，2014(7):75-76．