港口起重機狀態監測與健康管理系統探討

李書強 王昭勝 宋祥吉 余珍勝 韓 旭

青島海西重機有限責任公司

1 引言

港口裝卸起重機設備管理能力直接關系到港口裝卸效率，是體現港口集成化、智能化、自動化水平的關鍵。起重機具有大型化、重載化、高速化等特點，存在多種安全隱患，需要一種包含狀態監測和健康檢測的系統來有效地監測管理起重機[1]。

目前，國內外起重機安全健康監測系統多針對應力檢測和振動溫度檢測，系統功能參差不齊且管理起重機數量較少[2]，需進一步提高和完善系統整體功能。結合系統研發現狀及未來發展趨勢，提出了一種功能全面的起重機智能感知及健康檢測系統，主要包括設備狀態、應力檢測、振動溫度監測、智能潤滑、鋼絲繩自檢五大功能，可監測管理多臺起重機，對加快全自動化港口的發展具有一定意義。

2 系統設計路徑

大部分港口起重機均處在工作環境惡劣、重載、連續作業的狀態，對整機機械結構、運行機構、電氣元器件、安全保護裝置等設施狀況的監測和管理，尤其是對老舊或自動化水平較高的起重機設備的監測和管理提出了更高的設計要求。

為實現多臺起重機設備的狀態與健康監控并滿足作業環境苛刻、運作時間長、裝卸效率高等工況需求，提高設備運行穩定性和港口裝卸效率，根據起重機運行工況和設備設施特點，圍繞起重機鋼結構、機械系統(起升、運行機構等)、控制系統(電氣或液壓系統等)，從功能角度出發來分析港口起重機的智能感知及健康監測系統平臺的設計需求和實施方法。

3 系統功能設計

3.1 起重機設備智能感知功能

3.1.1 鋼結構應力檢測

鋼結構長期受交變應力影響導致起重機主要受力構件點疲勞擴張，當損傷量達到一定程度后就會引發鋼結構斷裂事故。考慮到起重機服役年限不同，鋼結構故障需綜合利用應力檢測和壽命估算兩種方法進行預防，按照特級安全級、安全級、臨界級、危險級4個等級評估鋼結構健康。

應力檢測利用有限元軟件分析整機鋼結構的關鍵點，在應力較大處放置應變儀和軸向振動傳感器，實時監視特征信號異常的數據，保證鋼結構的整體安全性。壽命估算由歷史工況和即時工況疊加計算后得到。

3.1.2 傳動系統檢測

傳動系統一般由減速箱、卷筒軸承、車輪驅動、車輪軸承等構件組成。當傳動部件出現系統缺陷或各構件發生損傷時，影響起重機的運行狀態和整體平衡。因此，需要在驅動減速箱、軸承、車輪等關鍵傳動部件進行監測，對傳動部件工作有效性、可靠性進行分析、診斷，及時預判故障的發生，降低停機或發生重大事故的概率。

首先在傳動系統數學模型基礎上，利用力學分析法或應用許用應力分析法對磨損、損傷進行核算分析。然后在驅動減速箱、關鍵軸承、車輪等測點放置振動/溫度一體傳感器，實時采集傳動部位的特征參數，通過振動溫度檢測技術實現傳動部件失效性故障的監測。最后為保證部件傳動正常還應配置一套智能潤滑系統，根據起重機作業情況，對軸承、齒輪、滑輪等部件定時、定壓、定量進行潤滑；同時采集、顯示潤滑系統運行參數，實時監控其運行狀態。

3.1.3 鋼絲繩自檢

鋼絲繩是起重機安全作業的重要構件之一，其自檢功能應滿足在工作狀態時自動進行實時監測，當出現設定的損傷量時，發出報警并提示采取相應措施；在非工作狀態時應定期對各種缺陷進行檢測并生成報告，對延長自身壽命、減少安全事故具有重要意義。

針對該設備自檢需求，應選取、設置多個關鍵測點，利用由數據采集單元、數據處理單元、數據診斷和維護單元形成完整的檢測體系達到監測關鍵測點的目的，并實現鋼絲繩運行狀態顯示、預警評估信息顯示、故障報警和定期監測狀態顯示功能。

3.1.4 電氣元器件監控功能分析

由于接觸器、驅動器、電機等電氣元器件開閉頻繁、壽命有限且不易檢修更換，而系統能夠及時預估電氣元器件的老化程度是保證控制系統健康的關鍵之一，故系統應具備電氣元器件壽命監測功能。

通過讀取控制系統內部和傳感器所采集的電流、電壓、速度等特征參數，結合起重機運行周期、負載率、起重負荷等關鍵運行數據，利用微控制器對特征參數進行篩選統計。最后根據診斷報告發出相關元器件的預警/報警功能，提示操作員進行檢查、檢修或更換。

3.1.5 安全保護裝置監測

除鋼結構、機械系統和電氣系統外，起重機還利用安全聯鎖裝置、風速儀、超負荷保護、自動消防、視頻監控、電氣房環境監測等保護裝置，對起重機運行狀態進行聯鎖保護和外部狀態監視，及時發現起重機內外環境中的安全隱患，進而保證起重機正常運行。

這些安全裝置的狀態直接影響起重機安全運行的健康狀況，系統首先針對這些不同類型裝置、系統和傳感器，通過通訊接口采集裝置和系統的關鍵數據，進而利用A/D轉換模塊將傳感器模擬信號轉換為數字信號，最終對數字信號進行標準化管理并傳輸至中控室，根據不同設定參數實現運行狀態顯示、預警評估信息顯示、故障報警等功能。

3.2 起重機健康診斷功能

3.2.1 運行狀態管理

為保證岸邊、堆場多臺多種類起重機裝卸工作安全運行，系統應建立包含起重機類型、起重機編號、起重機機構、起重機設備的安全健康管理檔案，主要監測、獲取設備感知信息和電氣控制系統運行信息。其中電氣控制運行信息監測利用CMS管理系統直接讀取PLC控制信號，動態監測負載、運行方向、電機溫控、安全聯鎖、電氣開關、網絡通訊等狀態信息，匯集到系統實現狀態回放、故障收集、故障查詢等管理功能并生成相應的文檔信息。

3.2.2 故障診斷及運行維護

起重機發生故障時，系統應根據設備狀態監測信息及時提供合理的故障診斷意見，故要求系統具備強大的數據處理能力。為及時排除故障，將健康診斷功能分為故障診斷和運行維護兩個子功能，各子功能文檔信息均包含設備編號、故障現象、維修內容、報修時間、報修人員等信息，可在信息有效期結束前發出提醒。

故障診斷，系統根據故障診斷邏輯圖對不同信息進行分類和評估處理，將故障分為常規故障、非常規故障兩類且具有相應的診斷報告。常規故障主要為應力、振動、溫度、電氣運行等異常信息，操作員只需要結合設備感知信息進行日常維護檢查，排除異常報警，分析其安全性。非常規故障分為影響生產或人(環境)兩類，若故障處僅影響生產效率，應及時進行維修并定期檢查；若故障處已威脅到人或環境的安全健康時，應及時改造故障處并評估其安全性。

運行維護，根據設備工況、設計規范、真實案例、維護經驗等資料建立運行維護措施表，使系統根據故障位置及故障現象采取相應維護措施(見表1)。同時，為方便操作員準確排除故障還設置了作業演示功能。

表1 運行維護措施

4 系統設計

4.1 系統硬件設計

智能感知及健康監測系統由不同類型傳感器、信號調理模塊、數據采集模塊、數據存儲模塊、通信模塊、串口通信模塊、電源模塊、工控機以及PLC控制模塊等構成，可以針對起重機各功能點的數據進行采集，形成完整的起重機健康監測數據信息庫。系統數據采集典型框架見圖1。例如，應力檢測將測量點產生的應變量轉換成電壓信號，經放大、濾波、A/D轉換、編碼調制后經數據匯集網關利用有線/無線網絡傳輸至PC端系統平臺。

圖1 系統數據采集典型框架圖

4.2 系統軟件設計

為適應不同自動化水平的港口(全自動化港口或半自動化港口)并方便操作員查詢起重機信息，智能感知及健康監測系統平臺在系統工作模式上分為自動化模式和單機模式，在數據管理上分為實時數據訪問和歷史數據查詢兩部分。PC端系統工作界面總體框架見圖2。

圖2 智能感知及健康監測系統框圖

系統平臺主要包含以下子功能：

(1)實時監控。實時動態顯示起重機在現場的作業信息顯示，包括設備編號、設備作業狀態、設備運行狀況、相對位置等信息。

(2)狀態回放。根據用戶選擇的時間段，通過歷史數據可以回放整機的歷史運行狀態的實時信息。

(3)生產管理。可根據班次、時間范圍(天、周、月、年)、裝入(卸出)等條件，實現模糊查詢功能，生成統計報表，并根據用戶要求生產電子表格。

(4)故障跟蹤。系統設有故障斷點保護功能，可存儲故障發生前數秒內的開關量和模擬量，并以波形圖的形式表示出來，以作故障分析、排除、現象歸納的依據。

(5)故障診斷。顯示故障內容、時間、具體位置、引起后果、解決方法并顯示相應幫助文檔或作業演示等。

(6)運行維護。系統對損耗元件、用品和周期性維護保養內容的使用時間自動記錄，并與各自的預防更換和維護周期相比較，到達更新時間或維護周期時，系統自動提醒用戶進行設備的維護和保養，更換間隔和維護周期可由用戶調整。

(7)系統工具。提供系統使用說明等文檔。

5 結語

從港口設備健康管理監測角度，闡述了整個碼頭起重機健康監測與管理的理念，除傳統設備振動、應力監測外，提出了更為廣泛的健康監測要素。該系統可兼容、擴展至多臺起重機設備的監測與管理，實現對基本技術參數、運行臺時、故障預警、維修信息統計以及備件更換記錄及管理，有效預防、減少港口重大事故的發生，為起重機安全、穩定、高效運行以及實現碼頭自動化運行提供了有力保障，具有較好的推廣前景。