基于系統工程的橋式起重機安全監控管理系統研究

馬志鵬，何彥軍，蔣林峰，張文文

(1.山西省高端重型裝備智能制造重點科技創新平臺，山西 太原 030000；2.太原重工股份有限公司 技術中心，山西 太原 030000；3.廣西鋼鐵集團有限公司 煉鋼廠，廣西 防城港 538000；4.太原重工股份有限公司 鍛造分公司，山西 太原 030000)

0 引言

橋式起重機(以下簡稱橋機)是一種橫架在倉庫、車間等上方的高架軌道上進行物料運輸的起重設備，大車沿著鋪設在高架兩側的軌道上縱向運行，小車沿著起重機本體橋架上的軌道橫向運行，使重物在三維空間實現平移、起升和下降等操作[1]。隨著橋機大型化、無人化、智能化的迅速發展，對橋機的可靠性、安全性的要求越來越高，尤其是安全性關乎設備和人身安全。

對于企業而言，橋機的第一要務是在保證絕對安全的情況下各機構正常運轉，從而保證生產的正常進行。目前普遍的橋機安全監控管理系統僅僅對一些故障記錄做了顯示，當發生故障時，依靠安全監控管理系統很難迅速找到原因，及時恢復機構動作，只能依賴于維保人員的判斷分析能力。橋機普遍缺乏故障的事前預警，故障時會造成停機停產，直接關系到企業生產的安全和效益。因此研究橋式起重機安全監控管理系統具有重要的意義。

系統工程是從系統觀念出發，以最優化方法求得系統整體的最優的綜合化的組織、管理、技術和方法的總稱[2]。為了更好地設計出一套安全監控系統，本文采用系統工程的方法，使監控系統的整體與局部之間的關系協調和相互配合，實現總體的最優運行。

1 橋式起重機安全監控系統架構

國家標準GB/T 28264—2017《起重機械安全監控管理系統》[3]規定了橋機安全監控管理系統應具有的基本功能，本文立足于橋機國家標準，以廣西鋼鐵380/100t-21.5m鑄造起重機為例，從電氣調試、生產實際、維護管理、智能聯網等方面做了研究。

廣西鋼鐵380/100t-21.5m鑄造起重機以S7-400H冗余PLC為控制核心，采用共久調壓裝置和西門子變頻的設計方案，主、副起升采用調壓裝置，轉子接觸器采用無觸點接觸器。大車、主小車、副小車機構采用變頻的方案來控制，主小車為副小車備用。其安全監控系統為一套Wincc監控系統，通過讀取S7-400H PLC中專用于監控塊中的數據來實現監控橋機安全運行的目的。

本文在廣西鋼鐵鑄造起重機的基礎上，提出了橋式起重機安全監控系統的整體架構，分為數據采集層、單機監控層和遠程監控層，如圖1所示。

圖1 橋式起重機安全監控系統的整體架構

2 數據采集層

數據采集層應符合國家標準要求，對橋機各機構的運行狀態數據、視頻數據等進行采集[4-5]。視頻數據采集的方案比較成熟，由若干個攝像頭采集視頻，并存入硬盤錄像機進行一定時間的保存，以便能夠覆蓋橋機完整的工作行程，并能清晰準確地記錄所吊物體的吊點狀態。

數據采集層的核心在于對大車、小車、起升等機構的運行數據進行采集，包括運行限位、連鎖保護信號、安全制動器、調壓裝置、變頻器、起升高度、起升重量、運行行程等數據。這就涉及到數據采集層通過橋機PLC控制單元來讀取部分數據，有兩種方案：方案一是橋機PLC控制單元既作為控制中心，同時又作為采集層，向單機監控層傳輸數據；方案二是采集層采用單獨的監控單元，僅從PLC控制單元讀取必要的數據，涉及外圍的監控用編碼器、傳感器等全部進入單獨的監控單元。本文采用方案二。

采用多指標綜合評價的方法，以監控系統的硬件成本投入、軟件成本投入、維護成本投入、可靠性、兼容性、擴展性等指標作為評價指標，并給每個指標分配一個權重，最后計算出一個綜合的評價指標值[6]。

在現場經常遇到外圍監控設備直接掛在PLC控制單元通訊下，隨著橋機的頻繁性使用、拖纜的拉拽等，極易因為外圍設備通訊的中斷而引起PLC控制單元的通訊網絡異常，影響橋機的正常使用，給生產造成不必要的損失。采用方案二，PLC控制單元只需要承擔控制任務，采集層監控單元承擔監控任務，既減少了PLC控制單元的負荷率，并且采集層可以實現更復雜的數據運算。

3 單機監控層

單機監控層對數據采集層采集的橋機運行狀態數據實時在線顯示(包括重要參數的數值顯示和趨勢圖顯示)，記錄并保存系統的運行數據，并通過無線網絡發送到遠程監控層。

單機監控層為系統的軟件核心，應具有實時數據監控、歷史記錄查詢、設備管理維護等功能[7]。這些監控數據在單機監控系統和司機室的觸摸屏進行顯示。此外，為了便于遠程維護管理，在單機監控層安裝遠程協助系統，尤其是隨著設備使用年限的增加，各個機構的電機、變頻器等性能會有一定程度的變化，相應的控制參數也需要跟著調整。通過連接遠程協助系統，可以查看到更詳細的本地信息，必要時可對PLC控制單元和變頻器參數做一定程度的調整和完善。單機監控層功能框圖如圖2所示。

圖2 橋機單機監控層功能框圖

3.1 實時數據監控

實時數據包括各機構的運行參數(電壓、電流、有功功率等)、司機室的操作主令、限位信號、起升高度、大小車運行行程、超載限制器信號、視頻信號、故障信息等數據，如圖3所示。

3.2 歷史記錄查詢

對重要的參數數據既要數值顯示，又要有曲線表格等的顯示，并能進行歷史回溯。當設備發生故障時，通過歷史記錄查詢能快速找出故障的原因。

3.3 設備管理維護

作為單機監控單元，重點在于能及時地提供故障位置和故障信息，并根據設備的使用情況對有可能出現的故障的設備進行故障預警。實現這些的前提是要建立完善的系統故障庫，將故障按照機構、類型等分門別類，例如分為總進線電壓過高、過低、三相不平衡；機構運行零位條件不滿足(顯示哪個條件不滿足，提醒操作人員正常操作)；裝置或者變頻器故障；人為操作失誤等。

圖3 橋機實時數據監控界面

本文對總進線的電壓、電流，各機構的斷路器狀態、接觸器狀態，設備的輸入輸出電壓電流功率、故障代碼等進行程序監控。為了避免電壓波動等可能引起的狀態異常，進行了一定時間的濾波。對總進線電壓、設備輸出電壓進行監控，比較三相電壓之間的相差幅度，一旦出現了相差幅度較大或者與基準值相差過大，進行提醒，確保設備的絕對安全。統計各機構斷路器、接觸器的開合次數，若超過其正常使用次數，則提醒設備維護者進行事前的更換。對設備的故障代碼進行及時的保存，便于后期分析原因，減少故障的發生。

4 遠程監控層

為了實現遠程監控，需要將單機監控層的數據通過無線網絡傳輸到遠程監控層。本文采用4G DTU、4G物聯網卡、物聯網平臺的方式。4G DTU是4G物聯網的數據傳輸單元，可以將數據轉換為IP數據通過無線通信網絡進行傳送。4G物聯網卡插在4G DTU卡槽內，可以為無線遠程數據傳輸提供數據流量，完成數據從4G DTU到物聯網平臺的傳送。在物聯網平臺上，對傳輸到的數據進行分析，采用大數據分析的方法，橫向縱向比較數據差異，為更好地做出事前預警提供依據，實現設備全生命周期的管理。

5 結語

本文提出了基于系統工程的橋式起重機安全監控管理系統，采用系統工程的方法，從系統的整體架構開始，分別對數據采集層、單機監控層和遠程監控層的功能和實現方法進行了研究。在數據采集層的方案選擇上，一直貫穿著系統工程的思想和方法。該系統不僅能夠實現對橋機的單機監控和遠程監控，并且還可以擴展到其他的監控系統上。