港口起重機健康及狀態感知的監控系統設計

于波 劉靜林

摘要：起重機是港口的核心設備，其可靠性和安全性對于港口來說至關重要。設計了一種港口起重機的健康及狀態監控系統，并重點介紹了其功能設計，主要包含了港口起重機的狀態監控、起重機空調系統監控、堆場風速監控、配電系統監控、燈監控及堆場冷藏箱監控等內容。系統可實現對港口起重機及附屬設備的健康狀態、工作參數和運行狀態的全程感知、精確測量、遠程監控和集中管理，對于降低提高港口的安全性和工作效率具有重要作用。

關鍵詞：港口起重機；功能設計；狀態監測；遠程監控

中圖分類號：TP277文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2019）13-67-5

0引言

從20世紀80年代至今，港口起重機因金屬結構發生破壞造成的事故有數十起[1]。港口起重機一旦發生事故，經濟損失和人員傷亡的代價是巨大的。因此，對港口起重機進行有效實時健康及狀態監測，及時發現異常情況，對減少或避免突發事故發生具有重要意義。

20世紀80年代，美國在多座橋梁上安裝監測傳感器，用于對橋梁狀態進行評估[2]。英國、日本都開始展開重型機械裝備結構監控和診斷的研究，德國、新加坡等在結構監控領域都走在世界前列[3]。另外，丹麥、韓國、加拿大的許多大橋，都開發配置了專門的監測系統[4]。

進入本世紀以來，國內的學者和研究機構紛紛推出健康監控和結構修復、改造的技術[5-6]。但是，從現有的港口起重機作業狀態遠程監控系統（RCMS）來看，還存在很多問題，彼此獨立的功能系統已經無法滿足現代化集裝箱碼頭的管理需求[7]。

1總體方案

針對目前港口起重機作業狀態遠程監控系統存在的問題，提出了一種新的起重機健康狀態和作業狀態遠程監控方案，通過結合現代智能傳感器技術、物聯網技術、無線通信技術和工業數據采集技術，對集裝箱碼頭的大型起重機（岸橋、場橋等）和作業照明系統、變電供電系統和冷藏箱控制系統等作業輔助設施進行統一監控和管理，實現了對集裝箱碼頭大型作業機械和功能設施的健康狀態、工作參數和運行狀態的全程感知、精確測量、遠程監控和集中管理。

2系統功能設計

通過對多個集裝箱碼頭的需求調研，設計的港口起重機作業狀態監控系統可以完成對起重機、起重機空調系統、堆場風速、配電系統、高桿燈及堆場冷藏箱等的狀態監控功能，以及其他一些統計分析功能。

2.1碼頭起重機狀態總覽

首先，監控系統應具備碼頭起重機狀態總覽功能，通過在軟件界面繪制碼頭的真實地圖信息，使得所有碼頭起重機和設施的實時位置、狀態都能在地圖上展示，基于地圖的港口起重機健康及作業狀態監控系統碼頭總覽圖如圖1所示。

系統同時也提供基于圖例的起重機和設施的實時位置和狀態展示，如圖2所示。總覽圖同時提供碼頭所有起重機和設施的狀態統計數據。用戶在總覽圖上可以看到碼頭所有起重機的位置和工作狀態等信息，點擊任一起重機圖形，進入該起重機詳細監控界面。

2.2起重機工作參數和狀態監控

起重機監控界面以動態圖形方式展示起重機的整體及各個主要機構工作狀態和工作參數，并同時顯示起重機的信息點和故障報警。岸橋起重機（QC）的整機工作狀態展示界面如圖3所示。

港口起重機健康及作業狀態監控系統同時通過專門界面對起重機的主要機構，如大車、小車、起升、吊具、俯仰的狀態和參數進行展示。起重機起升機構的工作狀態展示界面如圖4所示，起升機構控制系統展示界面如圖5所示。此外對起重機的電源和通信系統也都有界面展示其工作狀態，如圖6所示。

起重機的所有電流、電壓等模擬量的工作參數都能夠以曲線方式展示，如圖7所示。

實時報警界面實時顯示全部起重機的故障報警信息，如圖8所示。設備搶修人員在去現場前可以先通過故障報警界面和起重機（機構）監控界面的信息判別故障類型，某些故障可以遠程解決；對于需要去現場的也可以根據故障類型預先攜帶相應工具和更換的配件，實現快速診斷、快速搶修。

起重機上的鋼纜、剎車片等配件都有一定的使用壽命，一般與起重機的工作時間有關，而起重機工作時各個機構的實際工作時間不同，因此必須精確計量各個機構的工作時間才能監控鋼纜、剎車片等配件的剩余壽命，并且在到達預定工作時間時安排檢測。以前各個機構的工作時間都是通過安裝在起重機上的機械表來計量，并由人工定期抄表，碼頭堆場面積很大，一百多臺設備的抄表要花費2天以上。在港口起重機健康及作業狀態監控系統實現的遠程抄表，用戶可以設定任意起始時間，系統自動計算起重機各個機構的工作時間并以表格形式展現，用戶可以直接導出Excel表格，遠程抄表界面如圖9所示。

2.3起重機空調系統監控

起重機的電氣房內有大量的變頻器、繼電器等電器設備，工作時發出熱量導致電氣房的溫度升高，當溫度升高到一定程度時會導致電氣設備停止工作或者故障，因此起重機電氣房內都安裝有2臺空調。如果空調制冷不足或發生故障停機，仍舊會導致電氣房設備故障，因此以往碼頭通過人工定期巡查來防止空調故障。根據該需求，通過在電氣房加裝空調系統實時監控和控制設備，采集電氣房溫度和空調工作狀態數據傳送給設備狀態管理平臺進行展示，所有監控數據都實時存儲在工業數據庫中，可以實時查詢、導出或生成曲線。起重機空調遠程監控界面如圖10所示。

2.4堆場風速監控

起重機作業時對堆場內的風速需要時刻監控，當風速超過限制時要求停止作業，防止因風力過大導致生產安全事故。堆場風速遠程監控界面如圖11所示。

2.5配電系統監控

傳統的岸橋起重機屬于移動機械，因此采用自帶柴油發電機的方式為起重機的電氣系統提供電能[8]。近年由于油價上漲，集裝箱碼頭紛紛通過建設“油改電”系統采用市電替代柴油作為碼頭起重機的能源，因此集裝箱碼頭中機械動力電力消耗已經超過照明系統，對于工程管理部門而言，希望通過精確監控各個系統的電力消耗來保障生產、削減成本。配電系統監控模塊實時展示碼頭供電系統配電柜的工作狀態和參數，并且所有監控數據都實時存儲在工業數據庫中，可以實時查詢、導出或生成曲線。配電系統智能電表監控界面如圖12所示。

2.6高桿燈控制及監控

集裝箱碼頭是24 h作業模式，因此堆場內架設大量高桿燈用于照明，由于堆場的范圍十分大，有很多無作業區域的高桿燈也被點亮，耗費大量電力。系統設計高桿燈控制及監控模塊可以遠程對高桿燈進行監視與控制。所有監控數據和開關控制數據都實時存儲在工業數據庫中，可以實時查詢、導出或生成曲線。高桿燈遠程監控界面如圖13所示。

2.7堆場冷箱監控

近年來，冷藏箱運輸業得到了迅猛發展，傳統碼頭的冷藏箱堆場的監控方法為定時人工巡檢，逐箱逐項記錄溫度等參數。此方法浪費大量的人力和時間成本，并且很難實時掌握冷藏箱運行參數的動態變化，不適合大規模冷藏箱堆場的管理要求。由于大規模的冷藏箱堆場可同時容納上千臺冷藏箱，采用傳統的手工方法很難快速有效監控，甚至會造成延誤檢修時機，從而造成貨損的后果。另一方面，承運質量被國際上各大遠洋運輸公司高度重視，均提出對于冷藏箱的實時狀態跟蹤的要求，管理部門為了滿足貨損理賠時的取證需要，還要求對冷藏箱堆存過程中的運行狀態歷史記錄進行錄入和存儲。

本文通過數據采集系統自動對冷藏箱的供電狀態和制冷狀態進行實時監控，在監控界面進行展示，并在出現故障時及時發出告警。

2.8統計報表功能

系統對于所有監控數據提供統計功能，用戶可以根據設定條件對匹配數據進行統計，統計數據生成Excel表格并直接導出到用戶計算機。統計報表功能中的維修工單界面如圖14所示。

2.9數據分析功能

系統對統計數據提供進一步的數據挖掘能力，可以根據監控數據自動進行分析，實現對作業效率、維護效率（處理故障的響應速度和解決故障耗時）、作業能耗（單箱、單船的油、電消耗）進行自動分析，生成各類效率曲線，分析圖表供碼頭相關管理人員參考，提升相應作業效率，減少能耗。集裝箱作業效率分析表界面如圖15所示。

3結束語

港口起重機是現代集裝箱碼頭中的核心設備，其安全性對于港口的生存與發展至關重要。本文設計的港口起重機健康及狀態監控系統以港口起重機的工作參數和狀態監控為核心，融合了堆場風速監控、配電系統監控、高桿燈監控及堆場冷藏箱監控等功能，并包含了數據統計、分析和挖掘等功能，實現的難點主要在于各個子系統由不同的公司生產，其數據采集與通信系統的設計各不相同，為系統的集成帶來不便。研究成果可廣泛應用于采用起重機的散貨港口、廠礦企業及礦山領域等，經濟效益顯著。

參考文獻

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[2]袁煜云，唐中興.傳感器在大跨度橋梁健康監測中的應用與發展[J].公路交通科技（應用技術版），2010，6（4）： 15-18.

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[8]王秋娜.多動力源混合起重機系統仿真研究[D].武漢：武漢理工大學，2014.