大型起重機分布式安全監控管理系統的設計*

徐　夢，凌張偉，夏珺芳，王黎明，蔡偉勇

(浙江省特種設備檢驗研究院，浙江杭州310020)

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大型起重機分布式安全監控管理系統的設計*

徐夢，凌張偉，夏珺芳，王黎明，蔡偉勇

(浙江省特種設備檢驗研究院，浙江杭州310020)

針對大型起重機已有安全監控系統的現狀，采用低成本、高性能的ARM-Linux嵌入式開發技術和分布式無線傳感器組網技術，設計了一套大型起重機分布式安全監控管理系統，可快捷、低成本地實現對大型起重機安全監控系統的改造，以滿足GB/T28264-2012的有關監控管理要求。所設計的系統通過安全監控儀讀取原有的PLC監控系統數據并無線接入風速儀等數據，可實現起重機實時運行數據的監控、記錄和歷史回放；實時監測起重機工況和分析，快速危險報警。設計的新系統具有低成本、快速組網改造的特點，在某船廠600T龍門吊中得到應用。

ARM-Linux大型起重機分布式安全監控系統改造

起重機是現代工業生產中廣泛使用的工程機械。起重機在起吊和搬運重物時存在很多的危險因素，事故時有發生。近幾年起重機的事故率一直居高不下，導致人員傷亡的絕對數字高居八大類特種設備之首[1-2]。國家對大型起重機的安全監控系統也提出了多項標準和管理要求[3]。但是目前已有的通用起重機安全監控系統還難以滿足國家要求，特別是對于大型起重機自帶的或早期安裝的安全監控系統需要進行改造與升級。本系統就是在兼容原有系統的基礎上，根據國家標準和規范，對600 T龍門吊進行了低成本的改造升級。

1　監控系統的結構和模型

圖1　系統結構

該系統的目標是針對目前起重機安全監控系統的應用現狀及國家標準的相關要求，在不更改原有控制系統程序的基礎上，增加監控模塊，讀取原有監控數據，進行老舊系統整合，以實現最低成本、高性能的改造與升級。系統結構如圖1所示。

本系統不修改原系統的PLC程序代碼，根據已有的PLC源碼和電氣圖紙分析大車行程、大車糾偏、高度、重量、小車行程、操作指令等數據地址。通過MODBUS-TCP協議，新裝安全監控儀與CP343-1 LEAN的以太網接口來獲取原PLC數據。根據標準要求及綜合企業的生產安全需求，需要監控的內容如圖2所示。

圖2　監控系統模型圖

信息采集單元主要讀取包括重量、角度、高度、位移及風速等傳感器信號，并將采集的信號進行A/D轉換后，傳輸到信息處理模塊[4-5]。信息經過系列的處理后，可以實時傳輸給監控系統，實現起重機械設備的全方面監控。

2　系統設計

該系統由傳感器、無線采集盒、監控記錄儀、控制器等組成，根據GB/T 28264-2012《起重機械安全監控管理系統》所要求的有關內容進行布點設置，特別是兼容采用已有監控系統中存在的傳感器信號來設計新的傳感器布置方案。根據現場實際環境，在老系統原有的基礎上，通過分布式無線方式布置加裝傳感器，基于嵌入式開發監控系統，以低成本高性能實現中央控制器[6]。系統框架如圖3所示。

圖3　系統設計框架圖

無線傳感器網絡是綜合傳感器技術、嵌入式計算技術、分布式信息技術及無線通信技術的新型網絡[7]。它可以實時監測、感知和采集網絡分布區域內各種監控信息，并通過嵌入式系統進行信息處理，最后傳送到終端用戶[8]。該系統采用分布式無線傳感器網絡技術對各個傳感器進行組網。

其中，起重量、風速、水平度通過AI信號采集盒采集模擬信號。起升高度和大、小車行程通過SSI信號采集盒采集絕對值編碼器輸出的SSI信號。DI開關量信號采集盒采集門限位、機構間聯鎖、制動器狀態、操作指令(例：小車1提升、小車1剎車、小車1放降)等無源觸點信號。基于ARM的嵌入式監控儀安裝在駕駛室，監控管理系統軟件則是在基于LINUX操作系統平臺下進行開發。實現了監控數據的圖形顯示、數據存儲、查詢與分析、以及聲光報警等功能。

3　功能實現

圖4　系統運行界面

該系統主要功能模塊包括系統設置、參數設置、數據處理、輔助功能這四大模塊。如圖4為系統界面圖。

用戶管理模塊，主要實現了兩級權限管理，管理人員和操作人員，擁有密碼修改，賬戶管理等功能。

參數設置模塊，主要實現了設備信息查看，可現場選取多個監控對象，可簡單方便地設定控制條件，并生成參數報表，可方便地標定現場設備。

數據處理模塊，主要實現了主、副起升重量、高度等重要參數的實時存儲；能繪制某一批次的載荷譜，能查詢主、副起升的循環次數、超載次數、限位次數和超過某一噸位的循環次數；并且提供數據庫手動和定期備份功能，防止數據的意外丟失。可以實時監測環境參數和起重機運行參數，并進行相應的控制以保證起重機工作于安全狀態。

輔助模塊，主要實現了用戶修改控制條件和設備標定時會自動生成修改日志，便于用戶查詢。

圖5　安全監控儀現場圖

系統在某船廠600 T龍門吊安全監控系統改造升級中得到應用，圖5為監控儀實際安裝圖。

4　結束語

安全監控對于大型起重機的安全運行具有十分重要的意義。本系統可快速對原起重機安全監控系統進行快速改造升級，滿足有關安全管理要求。采用ARM-Linux設計具有功能強大、系統穩定的特點，采用無線分布式組網，可快速對風速儀、限位器等傳感信息組網通訊，便于現場安裝。本系統在船廠龍門吊中成功應用，對大型起重機安全監控系統改造升級具有良好借鑒作用。

[1]Yu Y, Zhao Z L, Chen L. Research and design of tower crane condition monitoring andfault diagnosis system[C]//2010 International Conference on Artificial Intelligence and Computation Intelligence. IEEE,2010:405-408.

[2]高金花.安全監控管理系統在門式起重機中推廣探討[J].機械研究與應用，2014，27(2):117-119.

[3]黃國健，劉金，李鋈春，等.廣州造船龍門起重機安全監控管理系統檢驗情況[J].中國特種設備安全，2014，30(11):44-48.

[4]計三有，張偉健，仇艷麗.基于ARM-Linux的門座起重機作業監控系統的實現[J].工程機械，2013，44(6):6-12.

[5]林衛國.造船門式起重機安全監控管理系統[J].港口裝卸，2013(3)：26-28.

[6]于浩，李捍東.基于ARM/Linux的無線傳感器網絡匯聚節點設計[J].現代機械，2014(4)：38-40.

[7]習琨.基于ZigBee的簡單無線傳感器網絡設計與實現[D].南開大學，2008.

[8]潘健華.大型船廠造船門式起重機安全監控管理系統研究與開發[J].機電工程，2014,31(1):72-75.

Design of the distributed safety monitoring system for large-scale cranes

XU Meng, LING Zhangwei, XIA Junfang, WANG Liming, CAI Weiyong

Considering the present situation of crane safety monitoring system, we adopted the high-performance, lowcost ARM-Linux embedded development technology and the distributed wireless sensor network technology, and designed a distributed safety monitoring system for large-scale cranes, which could improve the old safety monitoring system quickly and at low cost. The new system meets the demand of GB/T 28264-2012. The new system reads the original PLC records through a new safety monitor, and accesses the anemometer wirelessly to get the data. It realizes the monitoring, recording and playback of the operation data of the crane, the analysis of the conditions of the carne, and rapid alarm. The new system is lowcost and fast to improve, and has been successfully applied to the 600T gantry crane in a shipyard.

ARM-Linux，large-scale crane，distributed，safety monitoring system，improvement

TP277

B

1002-6886(2016)04-0091-03

國家質量監督檢驗檢疫總局科技計劃項目(2015QK091)。

徐夢(1990-)，女，本科，浙江省特種設備檢驗研究院，從事電梯、起重機等特種設備檢驗與評估。

2016-01-15