集裝箱橋吊NetCMAS 系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用分析

(深圳赤灣港口發(fā)展有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

隨著集裝箱運(yùn)輸船舶的大型化發(fā)展，集裝箱橋吊機(jī)型尺寸大型化，工作速度參數(shù)高值化，作為集裝箱碼頭的核心設(shè)備，橋吊長時間在重載荷、高沖擊環(huán)境下工作，如何有效地對其進(jìn)行在線監(jiān)測、控制、評估與報警，越來越受到港口設(shè)備管理部門的重視。

NetCMAS[Crane Monitoring anc Assessment System (including network and infrastructure)]是基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的起重機(jī)械實(shí)時工作狀態(tài)的在線監(jiān)測、控制、評估與報警的系統(tǒng)，由上海海事大學(xué)研發(fā)，獲得由德國TUV NORD頒發(fā)的國內(nèi)首張《歐盟工業(yè)控制系統(tǒng)安全等級合規(guī)認(rèn)證書》，達(dá)到工業(yè)4.0生產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)施級別企業(yè)管理的標(biāo)準(zhǔn)要求。目前該系統(tǒng)在上海、寧波、海南、深圳等集裝箱碼頭橋吊上已投入使用，使用效果良好。

1 NetCMAS系統(tǒng)3種典型配置

為了滿足港口設(shè)備管理部門對集裝箱橋吊在線監(jiān)測、控制、評估與報警的不同需求，一般可以選擇 NetCMAS系統(tǒng)以下3種典型配置，應(yīng)用在集裝箱橋吊上。

1.1 NetCMAS(Ⅰ)型——基本配置型

建立現(xiàn)場CPS系統(tǒng)(信息物理系統(tǒng))，針對監(jiān)測問題，實(shí)施相適應(yīng)的傳感系統(tǒng)的布置、信號的可靠傳輸和采集、信號調(diào)理和分析，以及狀態(tài)參數(shù)的評價和通信(與CMS系統(tǒng))等。

1.2 NetCMAS(Ⅱ)型——遠(yuǎn)程服務(wù)型

在完成基本配置NetCMAS(Ⅰ)的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展為具有遠(yuǎn)程監(jiān)測、控制和數(shù)據(jù)管理的能力，并提供專家分析報告等。

1.3 NetCMAS(Ⅲ)型——云端服務(wù)型

在完成遠(yuǎn)程服務(wù)能力NetCMAS(Ⅱ)的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展為具有工業(yè)大數(shù)據(jù)的智能分析平臺，并通過APP設(shè)備提供云端服務(wù)，如現(xiàn)場實(shí)時健康評估、健康分析報告與維修策略、性能狀態(tài)的趨勢分析等。

2 NetCMAS(Ⅰ)型系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)

2.1 NetCMAS 傳感系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)

1)金屬結(jié)構(gòu)布置14個測點(diǎn)位置，配置11個振動傳感器、6點(diǎn)應(yīng)變傳感單元。其中，應(yīng)變測點(diǎn)沿最大主應(yīng)力方向粘貼。振動和應(yīng)變傳感:連接導(dǎo)線采用4芯屏蔽線，在每個測點(diǎn)附近(<0.5 m)應(yīng)安裝接線盒。傳感器和應(yīng)變傳感單元的測點(diǎn)布置圖如圖1所示。

圖1 金屬結(jié)構(gòu)振動傳感器和應(yīng)變傳感單元的測點(diǎn)布置圖

2)起升機(jī)構(gòu)布置9個測點(diǎn)位置(測點(diǎn)布置見圖2)，配置11個振動傳感器、4個溫度傳感器。其中齒輪箱有3個振動傳感器、2個溫度傳感單元；2套起升電機(jī)各有2個振動傳感器和1個溫度傳感單元； 高速制動器2個振動傳感器、2個溫度傳感單元；低速軸制動器2個振動傳感器。其中，振動和溫度測點(diǎn)要盡量安置在軸承支撐座上，振動和溫度傳感器連接導(dǎo)線均采用4芯屏蔽線。

圖2 起升機(jī)構(gòu)的振動與溫度傳感器測點(diǎn)布置圖

3)小車牽引機(jī)構(gòu)布置3個測點(diǎn)位置(測點(diǎn)布置見圖3)，配置5個振動傳感器、1個溫度傳感器。其中齒輪箱2個、電機(jī)2個、制動器1個。其中，振動測點(diǎn)要盡量安置在軸承支撐座上，振動傳感器連接導(dǎo)線采用4芯屏蔽線。

圖3 小車牽引機(jī)構(gòu)的振動傳感器測點(diǎn)布置

4)俯仰機(jī)構(gòu)布置4個測點(diǎn)位置(測點(diǎn)布置見圖4)，配置6個振動傳感器、1個溫度傳感器。其中齒輪箱2個振動傳感器、電機(jī)2個振動傳感器、高速制動器1個振動傳感器、1個溫度傳感單元；低速制動器1個振動傳感器。其中，振動測點(diǎn)要盡量安置在軸承支撐座上，振動傳感器連接導(dǎo)線采用4芯屏蔽線。

5)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)布置8個測點(diǎn)位置，配置8個振動傳感器。其中，海側(cè)選擇4個主動輪電機(jī)各裝1個振動傳感器，陸側(cè)選擇4個主動輪電機(jī)各裝1個振動傳感器。其中，振動測點(diǎn)要盡量安置在軸承支撐座上，振動傳感器連接導(dǎo)線采用船用4芯雙屏蔽線。

6)振動傳感器采用穩(wěn)定性好的進(jìn)口工業(yè)傳感器，傳感單元采用電流方式輸出振動信號至信號調(diào)理/采集裝置。

7)信號線鋪設(shè)和信號線接頭要求具有良好的抗干擾和防潮能力，盡量避免日曬雨淋，并且線路具有良好的可維護(hù)性。

8)按照NetCMAS系統(tǒng)信號線的布線工藝要求對所有通道信號線進(jìn)行敷設(shè)。

9)信號調(diào)理/采集裝置具有供電、信號調(diào)理(電流環(huán)與電壓轉(zhuǎn)換、抗混濾波和放大等功能)和AD轉(zhuǎn)換功能，能提供標(biāo)準(zhǔn)信號，具有64路信號同時采樣的能力，信號采樣速率能達(dá)到信號分析的要求。

2.2 NetCMAS主機(jī)站的主要技術(shù)指標(biāo)與性能要求

1)NetCMAS系統(tǒng)獨(dú)立配置機(jī)柜(600×600×2 000)，并安裝在電氣控制室內(nèi)。機(jī)柜內(nèi)包括工控機(jī)、傳感測點(diǎn)布位及狀態(tài)自檢顯示模塊、傳感系統(tǒng)的接入端口和采集調(diào)理裝置等。

2)采集裝置與計算機(jī)的連接采用PCI接口方式，虛擬儀器具有32-64路同時信號監(jiān)測與分析的功能。

3)確定監(jiān)測工況、調(diào)零位置，提供測點(diǎn)布置圖，確定并建立狀態(tài)評估標(biāo)準(zhǔn)，提供新機(jī)器工作載荷譜的樣本。

4)NetCMAS主機(jī)站按照監(jiān)測要求對所要求被檢測對象的傳感點(diǎn)進(jìn)行振動、應(yīng)變、溫度、噪聲等動態(tài)信號實(shí)時采集、信號調(diào)理和狀態(tài)的基本分析計算，提取并保存狀態(tài)參數(shù)。主要技術(shù)指標(biāo)如下：

實(shí)時評價速度：平均不超過10 s完成所有狀態(tài)的評價和存儲，并可把狀態(tài)評估結(jié)果發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器或云端APP進(jìn)行實(shí)時顯示，該功能必須要部分配置NetCMAS(II)型才能實(shí)現(xiàn)。

標(biāo)準(zhǔn)的采樣：評價標(biāo)準(zhǔn)參照現(xiàn)有的ISO或國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提供狀態(tài)評價與預(yù)警。

實(shí)時網(wǎng)絡(luò)通信：具有狀態(tài)參數(shù)的局域網(wǎng)通信功能，數(shù)據(jù)包可實(shí)時發(fā)送到網(wǎng)上，供上位機(jī)的CMS系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時的狀態(tài)數(shù)據(jù)和評價結(jié)果的顯示。

黑匣子功能：能按評價級別的設(shè)置要求，實(shí)時打開黑匣子，提供預(yù)警狀態(tài)下的原始信號的實(shí)時存儲，供故障診斷和機(jī)器動態(tài)性能特征分析用。

載荷譜管理功能：具有狀態(tài)參數(shù)與評估級別的實(shí)時可分類顯示、存儲和管理功能，以及當(dāng)日歷史狀態(tài)的回放功能。

信息查詢功能：傳感測點(diǎn)的布置、傳感參數(shù)的定義等圖文信息查詢，便于用戶現(xiàn)場對數(shù)據(jù)的閱讀理解。

5)系統(tǒng)軟件提供中文方式的虛擬儀器面板，并實(shí)現(xiàn)常規(guī)動態(tài)信號處理分析儀器的功能，具有常用的信號分析功能，如時域分析功能、功率譜分析功能、無量剛參數(shù)估計功能、積分功能和各類信號濾波功能等，同時具有對波形曲線和譜圖的讀圖和可編格式打印的功能，等等。所以，NetCMAS系統(tǒng)也是一臺通用的高性能多通道信號采集處理分析系統(tǒng)，為黑匣子記錄的原始動態(tài)信號提供故障診斷或動態(tài)性能分析的手段和方法。

3 NetCMAS(Ⅱ)型系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)和性能要求

在NetCMAS(Ⅰ)型的基礎(chǔ)上，NetCMAS(Ⅱ)型擴(kuò)展和增加的主要技術(shù)指標(biāo)與性能要求如下。

1)NetCMAS主機(jī)站擴(kuò)展功能具有實(shí)時采集與分析任務(wù)能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程被控，具有多任務(wù)遠(yuǎn)程切換控制能力。多任務(wù)可擴(kuò)充到：臺風(fēng)等災(zāi)害天氣下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測與損傷評估；結(jié)構(gòu)動態(tài)剛度的監(jiān)測分析等。

2)遠(yuǎn)程監(jiān)評采用TCP/IP協(xié)議，通過碼頭光纖技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，碼頭如果沒有網(wǎng)絡(luò)，則要求從NetCMAS主機(jī)站的控制柜鋪設(shè)一條網(wǎng)線至后大梁尾部端梁處。

3)遠(yuǎn)程站服務(wù)平臺具有遠(yuǎn)程控制測試任務(wù)、實(shí)時顯示工作狀態(tài)及其歷史變化趨勢，以及設(shè)備狀態(tài)的進(jìn)一步分析和管理功能，具體有：

從主機(jī)站實(shí)時發(fā)送數(shù)據(jù)到遠(yuǎn)程站，提供遠(yuǎn)程監(jiān)控評價功能。

建立海量載荷譜(工業(yè)大數(shù)據(jù))的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

提供單機(jī)相對評價標(biāo)準(zhǔn)。

以此相對標(biāo)準(zhǔn)，提供2年的岸橋健康狀態(tài)的分析報告。

報告提供維修保養(yǎng)建議。

4 NetCMAS(Ⅲ)型系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)和性能要求

在NetCMAS(Ⅱ)型的基礎(chǔ)上，NetCMAS(Ⅲ)型擴(kuò)展和增加的主要技術(shù)指標(biāo)與性能要求如下。

1)提供監(jiān)控對象的性能可靠性、健康狀態(tài)的趨勢分析等，并提高相應(yīng)的分析報告和維修保養(yǎng)策略。

2)通過瀏覽器(或iPad或手機(jī)等)，實(shí)時監(jiān)視設(shè)備的實(shí)時狀態(tài)變化、趨勢分析、可靠性分析等報告。

5 NetCMAS(Ⅰ)系統(tǒng)軟硬件

NetCMAS(I)系統(tǒng)軟硬件包含：溫度傳感單元、應(yīng)變傳感單元、ICP振動傳感單元、電容式振動傳感單元、噪聲傳感單元、主機(jī)控制柜、信號采集調(diào)理裝置、工控機(jī)系統(tǒng)(主機(jī))、不間斷電源、實(shí)時監(jiān)評軟件模塊(Host)、CMS數(shù)據(jù)通信軟件、相對標(biāo)準(zhǔn)分析與生成、系統(tǒng)現(xiàn)場安裝與調(diào)試、接線盒、管路、4芯屏蔽信號線等。

6 NetCMAS(Ⅱ)系統(tǒng)軟硬件

NetCMAS(Ⅱ)系統(tǒng)軟硬件包含NetCMAS(Ⅰ)之外，另外增加遠(yuǎn)程端工作站、無線通信裝置、遠(yuǎn)程總控與狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測評估模塊(Remote)、載荷譜分析、相對標(biāo)準(zhǔn)生成與數(shù)據(jù)庫管理平臺等。

7 NetCMAS(Ⅲ)系統(tǒng)軟硬件

NetCMAS(Ⅲ)系統(tǒng)軟硬件包含NetCMAS(I)、NetCMAS(Ⅱ)之外，另外增加工業(yè)大數(shù)據(jù)分析平臺、云桌面APP服務(wù)平臺等。