基于WIFI的橋式起重機實時監控技術研究

毛久昌

(揚州大洋造船有限公司，江蘇 揚州 225107)

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基于WIFI的橋式起重機實時監控技術研究

毛久昌

(揚州大洋造船有限公司，江蘇 揚州 225107)

為了降低船廠起重設備安全事故的發生，確保船廠車間生產作業的安全，提出了基于WIFI的船廠橋式起重機的實時監控系統設計。首先對橋式起重機的結構特點及工作原理進行敘述，然后基于國內起重設備的管理現狀，提出了基于WIFI的船廠橋式起重機實時監控技術。通過WIFI無線通信技術實現本地及遠程同時監控，掌握橋式起重機的實時工作狀態，及時發現起重機工作過程中存在的問題并給予解決，提高了起重機的操作安全性，從而更好地保證船廠工作人員及生產的安全。

船廠；橋式起重機；WIFI；實時監控

0 引言

起重作業雖然在建筑、制造等行業中使用越來越廣泛，但它又是一種對駕駛員、對他人以及周圍設施的安全存在重大危險且容易發生傷亡事故的作業。船廠起重作業主要包括門式起重機、塔式起重機、橋式起重機等。門式起重機主要用于船臺總段吊裝、合攏等作業，塔式起重機主要用于鐵舾件、管子之類的吊裝，橋式起重機主要用于車間內吊裝。

考慮到船廠生產場地的安全性以及國家對起重設備的管理要求，傳統的人工監控和管理的方式已經不能滿足生產安全需要，起重設備的實時監控技術研究迫在眉睫。潘建華[1]對造船門式起重機(龍門吊)運行過程中的故障信息及運行狀態進行監控，提出了龍門吊安全監控管理系統的設計辦法，從而確保其運行狀況得到有效的監控和管理。馬成斌等[2]開發了門式起重機的GPRS監控系統，介紹了其工作原理及硬件設計，實現了門式起重機的智能化控制管理。鄭夕鍵等[3]研究并構建了基于PLC可編輯邏輯控制器的塔式起重機(塔吊)的安全監控系統，實現了對塔吊多參數的安全監控。目前國內學者對塔式起重機和門式起重機的安全監控系統研究較多，而對船廠橋式起重機的研究相對較少。船廠橋式起重機在車間內應用廣泛，其安全監控系統的研究很有必要。本文提出采用基于WIFI的橋式起重機遠程實時監控方案，通過在船廠內建立用于信息傳輸的WIFI無線局域網，實現車間內橋式起重機的本地及遠程實時監控，從而保證船廠車間內的安全生產。

1 橋式起重機簡介

1.1 橋式起重機結構簡介

船廠橋式起重機主要用作車間起重設備，橫架于車間上空進行物料吊運，工廠內一般稱其為行車，如圖1所示。行車的形狀像橋一樣，兩端支承在車間兩側的金屬支架上。行車進行起重作業時，起重小車在行車橋架上沿鋪設的軌道進行水平橫向運行，行車橋架在車間兩側金屬支架上沿鋪設的軌道進行水平縱向運行，形成矩形的工作區域。行車不受地面設備及場地的阻礙，能夠充分利用行車橋架下面的自由空間進行吊裝作業，有利于提高車間的生產效率。

圖1 船廠橋式起重機

行車根據自身的結構構造特點可以分為金屬結構、機械傳動和電氣部分，其中，金屬結構包括橋架和起重小車。橋架由端梁(與大車運行方向平行)、主梁(與大車運行方向垂直)、起重小車運行軌道、護欄、走臺和操縱室構成。橋架是可移動結構，通過其端部車輪支承在車間兩側的高架軌道上，承受載重小車的重量，是行車的主要承載構件。操縱室是行車的吊艙，也稱駕駛室，內部安裝有起升機構和大車、小車的操縱系統、總控制箱、保護裝置以及電氣保護裝置。起重小車由小車架和欄桿組成，小車架支承整個小車，承受載荷。機械傳動部分包括大車、小車運行機構和起升機構。起升機構是行車中最基本的機構，用來實現車間內貨物的升降。電氣部分包括電氣設備和電氣線路。

1.2 橋式起重機工作原理

1.2.1 起升機構

電動機通電后產生電磁轉矩，然后通過傳動軸和聯軸器將其輸入到減速器的高速軸上，經過減速器的齒輪傳動減速后，帶動卷筒作定軸轉動，使帶有取物裝置(吊鉤等)的鋼絲繩在卷筒上繞入或繞出，從而使吊物作上升或下降運動。

1.2.2 大車運行機構

大車運行機構的作用是驅動大車的車輪沿車間高架軌道實現水平方向的縱向運行。集中驅動和分別驅動是常見的2種大車運行機構的驅動方式。集中驅動是大車兩邊的主動輪通過傳動軸由1臺電動機同時驅動，優點是大車兩邊的主動輪容易保持同步，缺點是大車的傳動軸長，結構較為笨重且安裝復雜，只適用于起重量和跨度較小的行車。分別驅動是由2臺電動機分別驅動大車兩邊的主動輪，依靠橋架本身的剛性和控制系統保持兩側車輪同步，結構相對于集中驅動更為輕便，電動機總功率小，目前在船廠中廣泛應用。

1.2.3 小車運行結構

小車運行機構的作用是驅動起重小車沿橋架上的小車軌道實現水平方向的橫向運行。起重小車的4個車輪是帶有角形軸承箱的成組部件，它們分別固定在小車架的4個角落。小車運行機構的電動機安裝在小車架的臺面上，處于車輪軸與電動機軸之間，通過全齒輪聯軸器或帶浮動軸的半齒輪聯軸器連接，以此來補償小車架變形以及安裝的誤差。

2 現有起重設備管理技術及不足

2.1 現有起重設備管理技術的不足

通過對國內船廠起重設備安全監控管理技術的調研，目前起重設備的安全監控管理主要存在以下不足：

(1)一些船廠通過在起重設備上安裝限位器、起重量限制器等安全保護裝置確保操作安全，但這些限制裝置無法顯示起重設備運行過程中的工作參數及狀態，致使作業人員無法判斷出當前起重設備是否接近工作極限狀態。這些安全保護裝置僅在起重設備達到極限狀態時才工作，其他狀態情況下處于閑置狀態。起重設備若需要繼續工作，必須重新啟動起重設備，這樣大大降低了起重設備的工作效率。這些安全保護裝置沒有自檢功能，一旦損壞不能及時被發現并維修，可靠性存在問題，為事故的發生埋下安全隱患。

(2)一些船廠除了安裝安全保護裝置外，還在起重設備上安裝小型的有線監控系統，如攝像頭等，實時監控起重設備運行過程中的狀態，目前在大多數船廠中應用。但有線傳輸方式需要單獨布設通信線路，這樣限制了車間可利用空間的拓展，不利于船廠車間內的安全生產。另外，有線傳輸方式對通信距離也有一定的限制。當傳輸距離很遠時需要布設較長的通信電纜，大大增加了工程成本。

2.2 起重設備的管理需求

大型起重機械的安全生產形勢較為嚴峻，起重機械安全事故頻繁發生，給企業經濟帶來極大的損失及人員損害。國家相關機構聯合制定了《大型起重機械安裝安全監控管理系統實施方案》，該方案規定在大型起重機械上需要大力推進安全監控系統的使用工作，以有效監控大型起重機械的實時運行狀態，提高起重機械的操作安全性能，保護駕駛員及他人的安全，進而防止和減少大型起重機械重大事故的發生。

船廠起重設備的工作環境復雜，導致起重設備容易發生各種各樣的問題。為了保證起重設備在作業過程中能安全有效地發揮其最大潛能，并且保證駕駛員對起重設備的運行狀況了如指掌，越來越有必要對起重設備的關鍵參數進行實時監測，從而達到降低起重設備的停機次數，預防起重設備重大事故的發生，保證起重設備的安全性能，提高起重設備的工作效率，降低因起重設備事故而造成的經濟和人員損失的目的，實現對船廠起重設備的安全保障。

3 基于WIFI的橋式起重機實時監控技術

3.1 無線通信技術

電磁波信號在空間中能夠自由傳播，無線通信技術正是利用這種特性進行信息交換。目前使用比較普遍的遠距離無線通信技術主要有CDMA和GPRS技術，而使用比較普遍的近距離無線通信技術主要有ZigBee、近距離無線傳輸(NFC)、Bluetooth(藍牙)、WIFI(無線局域網)和超寬頻(Ultra Wide Band，UWB)技術。本文使用WIFI無線通信技術在船廠架設多個無線路由，實現船廠內的無線網絡通信，從而實現行車的遠程實時監控。

3.2 橋式起重機的實時監控系統設計

本文主要研究船廠車間行車的實時監控技術，實時掌握行車的工作參數及狀態，保證其安全可靠運行。行車的運行工作參數主要包括起重量、起升高度、大車運行行程、小車運行行程、運行機構安全距離等。

為了方便對行車進行實時監控管理，本文設計的行車遠程實時監控系統采用本地監控與遠程監控同時運行。此種監控系統將采集數據全部記錄到本地監控系統上，遠程監控以客戶端形式訪問本地監控設備數據。

本文通過監控系統實現行車的實時狀態監控、實時數據記錄、歷史數據查詢、及時報警等功能，可提升行車的安全性，加強對行車的管理。監控中心可以實時監測行車的當前運行數據，也可以通過網絡調閱某臺行車的歷史工作記錄。

橋式起重機實時監控系統架構圖如圖2所示。

圖2 橋式起重機實時監控系統架構圖

在信息采集模塊中，起重量、起升高度、大車運行行程、小車運行行程等單元采集的是模擬量，都可以借助行車現有的儀器儀表上的傳感器來采集。傳感器設備直接與行車上被監控對象相連，檢測被監控對象需要監控的信號，并與采集設備相連將信息上傳至信息采集模塊。如起重量可以通過起重量限制器中的壓力傳感器來獲取，起升高度可以通過卷筒上的角位移傳感器來獲取，大小車運行行程可以通過運行機構上的位移傳感器來獲取。通過數據采集和控制設備(PLC程序等)，控制和采集傳感器并將數據上傳給本地監控中心。

信息處理模塊將信息采集模塊中采集到的數據

進行計算和處理，即將采集到的模擬信號進行A/D轉換并存儲。本地監控模塊包括信息存儲單元、信息顯示單元和控制輸出單元。信息存儲單元保存信息采集模塊中采集到的行車的相關工作參數，保證通過此模塊能夠對行車之前的運行狀況進行歷史查詢。所存儲的數據可以通過信號導出接口導出。信號顯示單元可以在本地實時顯示行車的工作參數，并通過車間攝像頭實時顯示行車的工作狀態畫面。當行車的工作參數達到臨近極限狀態時，控制輸出單元進行預警，達到極限狀態時進行報警并切斷工作電路。

遠程傳輸模塊利用WIFI無線通信技術實現信息采集模塊、本地監控模塊及遠程服務器之間的數據進行高速可靠傳輸。無線網絡系統由多個分布在船廠中的無線路由器組成。遠程監控系統是利用WIFI無線通信技術實現與多個區域的本地監控系統之間的通信，可以對船廠所有車間行車的狀態信息進行統計監測，同時可以實時地發送控制信號，實現遠程統一管理。

4 結論

為了確保船廠車間作業的安全生產，提高橋式起重機的安全監控管理，本文設計了基于WIFI的船廠橋式起重機的實時監控系統。整個系統架構中包括信息采集模塊、信息處理模塊、本地監控模塊、遠程傳輸模塊和遠程監控模塊，可以實現行車的工作參數及運行狀態的實時顯示、歷史查詢、及時報警、遠程監控等功能，及時發現行車運行過程中存在的問題并解決，有力地提高行車的操作安全性，保證車間生產及人員的安全。

本文對船廠橋式起重機的實時監控系統進行設計，提出了監控系統的架構，后續需要對監控系統的軟硬件展開研究，包括系統中各模塊的功能編程、模塊采集卡的采購、無線傳輸模塊、遠程監控模塊的設計、系統界面設計等。

[1] 潘建華. 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.

[2] 馬成斌，蔣劍鋒，項華芬，等. 智能化控制及GPRS監控在橋門式起重機安全中的應用[J]. 機械研究與應用，2011(4)：156-158.

[3] 鄭夕鍵，于揚，張國忠. 基于PLC的塔式起重機安全監控系統設計[J]. 機電產品開發與創新，2007，20(5)：143-144.

2016-10-15

毛久昌(1973—)，男，工程師，主要從事船廠生產設備管理技術。

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