港口起重機(jī)物聯(lián)網(wǎng)智能并聯(lián)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究*

蘇東海 張德文 秦義校

1 無(wú)錫眾智航科技有限公司 2 交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院 3 太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

1 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，德國(guó)推出工業(yè)4.0，美國(guó)倡導(dǎo)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，中國(guó)也提出智能制造2025。制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)深度融合，工業(yè)云、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)已在城市安全、工業(yè)控制、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、民用航空、智能交通、智能電網(wǎng)、電子醫(yī)療、商業(yè)物流等領(lǐng)域得到規(guī)模化應(yīng)用。起重機(jī)械作為工業(yè)生產(chǎn)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的重要工具，也向無(wú)人化智能化方向發(fā)展[1,2]。我國(guó)廈門(mén)遠(yuǎn)海、青島港新前灣、上海港洋山四期碼頭都已完成全自動(dòng)化集裝箱碼頭建設(shè)，實(shí)現(xiàn)碼頭自動(dòng)化運(yùn)行和港口機(jī)械遠(yuǎn)程操控。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在起重機(jī)上的應(yīng)用，目前多是基于起重機(jī)作業(yè)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)上的貨物識(shí)別、精準(zhǔn)定位、防搖擺等使用操控環(huán)節(jié)的智能控制技術(shù)[3-6]；而對(duì)于起重機(jī)的健康監(jiān)測(cè)研究和應(yīng)用較少[7]，缺少數(shù)據(jù)反饋和設(shè)備安全性智能判斷。本文介紹的應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層組成，可以幫助大型起重設(shè)備管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)起重機(jī)安全隱患，記錄使用狀況，及早提出維修建議和進(jìn)行故障預(yù)警。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

起重機(jī)屬于使用較為頻繁的大型特種搬運(yùn)設(shè)備，工作環(huán)境往往較惡劣，為滿(mǎn)足市場(chǎng)需求對(duì)起重機(jī)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。可監(jiān)測(cè)的變量分為起重機(jī)作業(yè)性能參數(shù)的控制監(jiān)測(cè)和起重機(jī)安全性能指標(biāo)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)兩類(lèi)。

針對(duì)兩類(lèi)監(jiān)測(cè)變量選擇不同的數(shù)據(jù)收集方式，從而確定所需傳感器。以岸邊集裝箱起重機(jī)為例進(jìn)行研究，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1和圖2。其他類(lèi)型的起重機(jī)只需根據(jù)機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和不同作業(yè)類(lèi)型，增加或減少對(duì)應(yīng)特性的傳感器即可。

圖1 系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)

圖2 系統(tǒng)框架

3 感知層

感知層包括各種傳感器、開(kāi)關(guān)信號(hào)、監(jiān)控單元等，感知層常用的傳感器見(jiàn)表1。所有傳感器都采用并聯(lián)冗合采集方式，以增強(qiáng)室外作業(yè)的起重機(jī)狀態(tài)信號(hào)采集的可靠性和整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用壽命。

表1 所用的起重機(jī)物聯(lián)網(wǎng)傳感器

運(yùn)行狀態(tài)性能參數(shù)包括：運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行次數(shù)、上升下降方向、小車(chē)運(yùn)行方向、大車(chē)運(yùn)行方向、升降速度、運(yùn)行速度、升降高度、運(yùn)行距離、極限位置、制動(dòng)器開(kāi)合狀態(tài)等，通過(guò)采集繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)的信號(hào)、增加旋轉(zhuǎn)編碼器等方式收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。安全性能指標(biāo)包括：風(fēng)力大小、超載保護(hù)、結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力測(cè)試、振動(dòng)測(cè)試、輪壓監(jiān)測(cè)等，選用風(fēng)速儀、壓力傳感器、位移傳感器、應(yīng)變傳感器、加速度傳感器、輪壓傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)。

起重機(jī)安裝獨(dú)立監(jiān)控單元，負(fù)責(zé)采集以上傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)行分析，針對(duì)異常數(shù)據(jù)做出快速反應(yīng)。監(jiān)控單元內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換、CPU、CAN通信接口、開(kāi)關(guān)量模塊、模擬量模塊等。數(shù)據(jù)傳輸采用0～1電平、0～10 V電壓、4～20 mA電流等方式。

4 網(wǎng)絡(luò)層

起重機(jī)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層主要有Internet局域網(wǎng)、電信網(wǎng)2種，本文采用5G電信網(wǎng)絡(luò)實(shí)施。網(wǎng)絡(luò)層硬件設(shè)備見(jiàn)表2。

表2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備表

由于港口起重機(jī)使用較分散，距離可達(dá)幾千米甚至幾十千米；即使同一碼頭，碼頭前沿和堆場(chǎng)設(shè)備之間最遠(yuǎn)距離也可能達(dá)到幾千米，局域網(wǎng)信號(hào)都會(huì)受到干擾導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，為每一臺(tái)起重機(jī)配置1個(gè)5G路由器是最佳方案。網(wǎng)絡(luò)層框架見(jiàn)圖3。

圖3 網(wǎng)絡(luò)層框架

物聯(lián)網(wǎng)通常使用公共云服務(wù)平臺(tái)，先將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到云服務(wù)平臺(tái)，客戶(hù)端設(shè)備再訪問(wèn)云平臺(tái)上的數(shù)據(jù)。為確保數(shù)據(jù)安全，防止外部人員獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，監(jiān)控單元與用戶(hù)服務(wù)器端采用自有協(xié)議直接通訊。本文采用UDP傳輸協(xié)議，將感知層的數(shù)據(jù)直接發(fā)給服務(wù)器。起重機(jī)無(wú)線發(fā)送主機(jī)與服務(wù)器建立鏈接后，采用定時(shí)發(fā)送方式，定時(shí)發(fā)送頻率可靈活性設(shè)置，本文按照1 s頻率UDP通訊方式發(fā)送。消息通信格式見(jiàn)表3。

表3 消息通信格式

校驗(yàn)算法采用CRC校驗(yàn)，計(jì)算校驗(yàn)從類(lèi)型字節(jié)開(kāi)始(包括類(lèi)型字節(jié))到校驗(yàn)字節(jié)結(jié)束(不包括校驗(yàn)字節(jié))。CRC校驗(yàn)碼生成多項(xiàng)式為(CRC-CCITT)：G(X)=X16+X12+X5+1，具體的算法見(jiàn)圖4。

圖4 CRC校驗(yàn)算法

5 應(yīng)用層

應(yīng)用層是整個(gè)系統(tǒng)的大腦，用于存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，不僅管理所有起重設(shè)備的運(yùn)行，還為用戶(hù)提供交互接口。應(yīng)用層包含數(shù)據(jù)庫(kù)、通訊程序、WEB應(yīng)用程序。數(shù)據(jù)庫(kù)采用微軟公司的SQL Server，保證系統(tǒng)的兼容性和易用性。WEB應(yīng)用程序采用Visual Studio提供的ASP.NET作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

客戶(hù)可通過(guò)電腦或手機(jī)訪問(wèn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)掌握起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和安全情況。大數(shù)據(jù)分析起重機(jī)綜合性能，為管理者提供合理的維修保養(yǎng)建議。PC界面和手機(jī)交互界面見(jiàn)圖5和圖6。

圖5 PC工程系統(tǒng)監(jiān)測(cè)用戶(hù)界面

圖6 手機(jī)監(jiān)測(cè)界面

監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀態(tài)記錄了起重機(jī)的歷史操作過(guò)程和故障點(diǎn)，實(shí)時(shí)反饋給用戶(hù)。安全性能指標(biāo)可以設(shè)置報(bào)警點(diǎn)，提示使用人員，同時(shí)在客戶(hù)端生成測(cè)試曲線，該起重機(jī)的重要測(cè)試項(xiàng)目見(jiàn)圖7。

該系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理芯片對(duì)采集數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析運(yùn)算，當(dāng)關(guān)鍵零部件和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的使用狀況發(fā)生突變時(shí)，及時(shí)進(jìn)行維護(hù)提示或故障報(bào)警。

圖7 起重機(jī)重要安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信號(hào)

6 結(jié)語(yǔ)

基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析建立的設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)起重機(jī)進(jìn)行全壽命數(shù)據(jù)采集分析，可以進(jìn)行作業(yè)故障預(yù)警和零部件維護(hù)提示。該系統(tǒng)能夠順應(yīng)技術(shù)發(fā)展潮流，減少人員檢修和設(shè)備故障對(duì)生產(chǎn)的影響，為企業(yè)平穩(wěn)安全運(yùn)營(yíng)提供強(qiáng)有力的保障，對(duì)避免起重機(jī)安全事故具有實(shí)際工程意義。全程監(jiān)測(cè)的完整的數(shù)據(jù)也可以為起重機(jī)設(shè)計(jì)人員提供參考，對(duì)于優(yōu)化設(shè)計(jì)、節(jié)能改造起到促進(jìn)作用。隨著數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全性的提高，未來(lái)可建立公共服務(wù)平臺(tái)，整合使用單位、維保單位、檢測(cè)單位的采集數(shù)據(jù)和潛在需求，對(duì)于節(jié)約社會(huì)成本、創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益具有重大意義。