基于網絡的大型起重機械遠程監控系統研究*

岑志波，洪 輝，邱法聚

(1．寧波市特種設備檢驗研究院，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

起重機械廣泛應用于港口、造船、冶金、電力、建筑業等國民經濟各行業中。隨著起重機械數量的迅速增加和大型化、高參數發展的趨勢，與起重機械相關的安全生產形勢日益嚴峻，對起重機械安全操作和規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管，提高安全監管的科學化和有效性，國務院在《關于進一步加強企業安全生產工作的通知》(國發［2010］23號)中首次提出了“大型起重機械要安裝安全監控管理系統”的要求。2012年，國家標準“起重機械 安全監控管理系統”(GB/T28264-2012)正式頒布，提出要構建“對起重機械工作過程進行監控，并能夠對重要運行參數和安全狀態進行記錄管理的起重機械信息系統”，并對起重機械的安全監控系統的構成、系統的監控、系統的性能要求、系統的檢驗方法等做了明確的規定。

為落實國家對大型起重機械安全監控的工作要求，寧波市特種設備檢驗研究院在符合安全監控國家標準要求的基礎上，研究起重機械安全監控信息系統的關鍵技術，自主研發監控系統的硬件和軟件，并進行了實際應用，并達到了初步的研發目標。

1 遠程監控系統實現的目標

國家標準“起重機械安全監控管理系統”(GB/T28264-2012)確立了起重機械安全監控管理系統的總體要求和相應標準。起重機械安全監控管理系統由下列單元構成:信息采集單元、信息處理單元、控制輸出單元、數據存儲單元、信息顯示單元、信息導出接口單元等。當有遠程監控要求時，應增加遠程傳輸單元。

標準對于橋/門式起重機械安全監控信息采集的內容要求進行了明確。應對起重量、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，項目任務是開發一款基于網絡的起重機械遠程監控信息系統。該系統安裝后應實現以下目標。

(1)符合國家標準的要求，采集起重機械運行的相應現場數據、信息，且能確保數據準確可靠。

(2)實現設備的遠程管理，數據的遠程傳輸和遠程服務器存儲。

(3)實現起重機械結構遠程智能檢測及安全分析、評估、預警。

基于無線網絡的安全監控系統可以有效解決現有測試系統的弊端，實現數據的遠程傳輸、設備故障的實時分析、運行數據的實時統計等，對于保障設備的安全運行具有重要的意義。

2 遠程監控系統的內容及實現方法

本項目應用智能傳感技術、無線數據傳輸技術、數據庫開發技術及互聯網技術等，對基于網絡的起重機械安全監控信息系統進行深入研究。通過GPRS模塊，綜合B/S和C/S兩種模式，實現高精度的結構應力和運行參數的數據采集和遠程數據傳輸，研發監控軟件實現金屬結構和安全數據的管理。

2．1 起重機金屬結構應變測試方法

基于TDC(時間數字轉化器)技術的應變測試方法是通過測試時間間隔獲取應變值。TDC測試系統，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，將結果寫入指定寄存器，后續的測量結果為計算結果減去該寄存器值得到，用于零點漂移的補償。

起重機械金屬結構應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力。創建有限元分析模型，根據測點所在的部位，分別建立各部件的有限元模型。通過后處理查看計算結果，提取某關鍵點某工況下的應力值。

無線結構應變測試節點能按照指定的工況定期進行靜載測試和動載測試，并通過服務器將每一次測試的結果存入數據庫相關表中，在web網頁或C/S界面上用戶可以根據測試時間查看每次靜載或動載測試的結果［1］。

根據歷史靜載或動載測試結果，分析各個測點應力值的變化情況，可判斷各測點部位劣化趨勢，進而推算整體結構的劣化趨勢。

項目中應變測試選用基于TDC測量的集成芯片PS021，TDC芯片獲得的測量數據通過串口SPI與單片機控制模塊進行數據傳輸。現場測試中分別在導電側主梁的端部、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、結構簡單、環境影響小、可靠性高等優勢而被廣泛應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，它利用壓電效應的原理將電能和超聲波相互轉化，超聲波發生器內部結構有兩個壓電晶片和一個共振板。當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，壓電晶片將會發生共振，并帶動共振板振動，便產生超聲波。其模塊包括固有頻率正反饋發生器電路、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動下，發射超聲波脈沖。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字信號，作為中斷信號送入單片機外中斷器，使其產生中斷。

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構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。當起重機起吊重物時，傳感器受力變形，產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，與基準電壓作比較后實施相應的動作功能。

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備。本項目中利用監測限位開關中空置的常開觸點的狀態來采集限位器的動作信息。

2．5 人員信息采集

為提高起重機作業人員安全操作意識，防止野蠻作業、超載吊重、歪拉斜吊、擅自短接安全保護裝置等違規現象，迫切需要對作業人員和作業過程進行記錄和監控。

項目借鑒門禁系統的非接觸式智能卡識別模塊，設計開發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卡發一組固定頻率的電磁波后，卡片內部的LC串聯諧振電路的頻率與讀寫器發射的頻率相同，在該電磁波的激勵下，LC諧振電路產生共振從而使電容內有了電荷，在這個電容的另一端，接有一個單向導通的電子泵，將電容內的電荷送到另一個電容內儲存，并將卡內數據發射出去。

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有高度限制器，但大多數起重機上未設置高度信息采集裝置。項目中采用旋轉編碼器來實現起重機械起升高度位置信息的采集。

3 遠程監控系統的無線傳輸技術

為了克服現有的有線測試方法的低效率和無線方法的傳輸性能缺陷，項目開發了一種基于GPRS數傳技術和互聯網技術結合的遠程狀態監測系統。該系統能夠實現公網范圍內任意位置的數據遠程可靠傳輸，實現基于互聯網的狀態監測。

在常用的基于公共網絡的數據傳輸方法——GPRS、GSM短消息方式、CDMA技術、CDPD技術中，由于GPRS數據傳輸方式具有系統覆蓋范圍廣、“永久在線”、易與網絡連接等特點，能較好地保證傳輸實時性、準確率、可靠性的要求，因此選用了GPRS數據傳輸方式。

起重機安全監控系統的總體結構如圖3所示。包括采集節點設計、基站節點設計以及遠程服務器系統設計等。

圖3 起重機安全監控總體結構

3．1 采集節點設計

采集節點和基站節點均采用同一型號單片機，型號C8051F，是一種混合信號系統級單片機，片內含CIP-51的CPU內核，完全集成的混合信號系統級MCU芯片，具有64個數字I/O引腳。

C8051F020單片機所有模擬和數字外設均可根據用戶需求而配置。片內JTAG調試電路允許使用安裝在最終應用系統上的產品MCU進行非侵入式、全速、在系統調試。

起重機械安全監控系統需長期監測運行，考慮減少電源超導線接線的安全隱患，本系統利用AC/DC將220交流轉換為+12V直流。

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

3．2 基站節點設計

系統基站節點設計了數據存儲和無線數據傳輸功能，具有現場黑匣子和遠程服務器數據存儲兩種模式。遠程服務器數據可以實現海量數據存儲，用于信息的保存與數據的實時分析。現場黑匣子主要應用于安全數據的保障存儲。

項目研究了基于存儲卡的現場存儲方式，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的選擇。同時為了在Windows操作系統可以識別，系統在SD卡中建立了FAT16格式的文件，同時實現數據的定期自動覆蓋。采用的單片機C8051F020能實現與SD卡的良好對接。主要體現在: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卡中文件系統的建立;④工作電壓與SD卡兼容等。

4 遠程監控系統的軟件設計

遠程監控系統的軟件設計主要是包括節點遠程參數設置、接收和處理終端發回的數據，數據庫設計、系統用戶界面設計、系統分析軟件設計等。

進入系統之后，在終端管理主界面上可以查看各節點的在線動作情況，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、數據上傳周期、零點偏移量等參數進行實時修改。如圖5所示。

圖5 節點管理編輯參數界面

系統能對作業人員和作業過程的信息進行記錄和統計。系統設計了測試報表，可以根據參數設置實現各參數的統計功能。

5 總結

通過對起重機械遠程監控系統的研究和應用，實現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，實現了起重機械主梁鋼結構的無線應變測試和遠程傳輸。遠程監控系統可以實時顯示和統計記錄設備當前運行狀況，較好地實現了后方管理部門對起重機一線作業現場的有效監控。

但在實際應用中，現有系統還存在諸多不足，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控系統的功能，增加起重機械作業指令的記錄與監控，增加起升電機制動器的動作狀態監控等功能，使其全面符合國家標準的要求。

(2)進一步改進起重機械遠程監控系統的軟件設計，使系統界面更加人性化，節點的設計更完整，在滿足起重機械使用單位對起重機運行的安全管理基礎上，也能為特種設備主管部門提供確切完整的運行記錄和數據。

(3)進一步優化起重機械遠程監控系統的無線傳輸技術。考慮將起重機上所有信息采集點的數據通過有線方式集中傳輸到車間內的微機里，然后再通過因特網發送到后方設備的管理部分以及其他相關部門，既能保證數據信息的共享性，也可較大程度節約無線傳輸的費用。

［1］ 萬 當．基于WEB的起重機械結構監測系統研究［D］．武漢:武漢理工大學，2011．

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