港口起重機電氣故障可視化策略

上海振華重工（集團）股份有限公司 徐志平

對于起重機安全管理工作而言，最為主要的內容就是電氣控制系統的安全與可靠，因為每一個起重機機構之間，整體呈現出的工況都較為復雜化，促使系統線路在控制方面也變得越來越復雜，給維護與維修工作帶來不利的影響。結合實際分析，筆者通過借助PLC控制系統，探索了提高電氣故障可視化水平的方案，通過深入探索，有利于控制系統故障的診斷，同時也有利于排除故障。

起重機電氣控制系統當中，非常重要的一項內容是安全與可靠。因為起重機的機構之間存在著相對復雜的工況，促使控制系統線路變得更為復雜化，不利于調試工作的積極開展，也不利于維護與維修工作的順利實施[1]。從傳統故障當中發現，當起重機電氣控制系統發生故障的時候，需要立即采取停機操作，并且要由專業工作人員，詳細排查復雜的電氣控制系統中存在的故障。所以，眾多傳統電氣故障檢修，對于現場電氣維修技術，以及維修人員的要求都比較高，發現故障不能迅速準確的進行排除，對起重機正常運行也有一定的影響。而運用直觀可視化技術，把起重機電氣故障產生的時間，產生的本質原因和具體位置呈現給技術人員，并且依據故障給出可行性的維修建議，這一點是至關重要的內容[2-3]。

1 國內外研究現狀

國外早在60年代就已經研究了機械設備，還有電氣設備的故障診斷技術，而我國電氣故障診斷技術的發展是在70年代末期，相比國外就比較晚。在不斷的努力下，有的故障推理方法和國外沒有太多的差異性，在應用理論方法上也沒有得到良好的應用。當前的形勢下，國內產品故障已經找到相應的方法，形成監測診斷的產品[4-6]。

在電氣設備開展運行工作的時候，故障診斷與狀態監測充分發揮著較為重要性的作用，能夠隨時對監測機器狀態，運行參數的浮動進行全方位監測，有效減少發生意外的問題，從而全面提高系統安全和作業效率，也讓維修成本得到降低。但設備控制系統屬于復雜化的情況，運行狀態同參數所處環境有關系，而且也同工作人員的操作習慣有關系，無法在故障診斷當中應用模糊算法，神經網絡算法等。基于此，可視化故障診斷，不管是國內還是國外都不是特別的成熟，仍然處于研究開發的初級階段。

2 起重機的電氣故障類型

起重機電氣故障問題在研究的整個過程中，應該充分掌握電氣故障的基本類型。(1)有效解決可視化原始數據如何獲得的問題。PLC大量運用在工業控制現場，可以適應不良工作環境，還能讓運行要求變得更為持久化。所以，應該把PLC控制的起重機電氣系統重視起來，進一步深入研究故障的諸多類型。(2)對于起重機電氣系統而言，其組成主要是由PLC控制形成，能夠全方位采集現場設備的基本狀態，還能反饋控制系統本身的情況。(3)下層設備層?？刂葡到y的故障可以分為電動機、制動器、變動器等，能夠接近工業控制的現場。(4)中間控制層是系統控制中心，該中心利用現場總線同設備層進行有效連接。而上位機同PLC構成信息層后，再利用以太網實現連接(如圖1所示)。

圖1 可視化系統網絡拓撲圖Fig.1 Network topology diagram of the visualization system

具體而言，在PLC控制的起重機電氣故障類型當中，可以分成以下幾個主要類型。(1)系統控制的核心，PLC能不能正常運行，與系統運行狀態直接相關。像這樣的PLC系統故障主要包括硬件和軟件兩種故障類型。在研究故障的過程中，又包括了PLC 控制系統的軟件故障，軟件程序運行的時候會產生運行停止，以及死循環的問題。另外，還有可能由于外界環境的不同程度變動，致使產生偶然性故障，唯有重新對系統進行啟動才可以恢復正常工作狀態。其中，引起問題的主要原因是系統缺乏穩定性。(2)變頻器故障和遠程分布模塊產生的故障，這種故障就是智能從站故障。而智能從站包括自我診斷，以及自我修復的基本功能。發現有故障存在的時候，負責維護的工作人員需要依據廠家提供的手冊來做詳細的排查以及有效的故障處理。(3)起重機工作現場總會有多個起重機同時在啟動，外界環境又比較復雜化，容易受到很大的干擾。所以，通信電纜若是有不錯的屏蔽效果，通信故障就不容易出現。另外，因網卡、插頭和集線器等，整體上會存在接觸不良的故障問題。(4)繼電器、接觸器、斷路器、傳感器等，這些會產生外部設備的故障，與PLC整體控制能力有關。如果遇到外部設備存在故障，會致使系統出現癱瘓的現象，而產生這種現象的基本原因其實就是由于設備的質量問題，或者是設備壽命帶來的不良影響[7]。

3 起重機的電氣故障可視化

3.1 可視化技術

結合計算機技術，開展圖像處理，并將結果進行轉化，以圖形、圖像的方式展示，這樣能準確的進行可視化分析，并根據具體的交互理論應用，得到更加有效的結果，通過這種方式實現了故障分析的可視化。(1)可視化過程需要根據技術的運用，實現良好的監控，要應用圖像處理方式，根據圖形學等相關內容，全面的開展技術的交叉應用，實現多領域技術在電氣故障中的運用，保證起重機可視化分析效率。(2)伴隨著計算機的日益發展，以及可視化的深入研究，可視化的面積開始不斷擴大，比如有知識可視化的內容。(3)人們運用可視化技術有利于直觀性的觀察到數據信息，從而深入發掘潛在的發展趨勢，為運維人員工作的開展帶來便利，切實也全面提高了工作效率。

3.2 可視化方法選擇

PLC控制系統，整體而言，要想充分發揮出應有的價值，不僅要重視硬件設備與軟件設備，而且還要將人機交互可視化界面全面重視起來，從而對用戶實施有效的查詢與全方位的監測。目前，很多顯示技術采用的基本方式都是觸摸，利用觸摸能夠讓監測控制系統運行的基本情況得到實時監測，在遇到真正問題的時候，維護工作人員還可以利用觸屏發送控制指令，從而更好地實施人工處理環節。所以控制系統同人的信息進行交換，操作人員可運用觸摸屏向PLC控制系統輸入科學指令，從而實現對信息的有效反饋。

本質上來講，觸摸屏存在諸多不足，在數據運算能力和數據處理能力方面有所欠缺，唯有簡單化的顯示系統運行的基本狀態才有利于整體運行。(1)生產觸摸屏和PLC，廠商相對比較多，不同廠家生產出來的設備型號有差異性，所以PLC與HMI存在著兼容問題。(2)觸摸屏點數與組態軟件需要實施授權，給整個企業的發展增加了經濟成本，也讓觸摸屏的范圍得到不斷降低。(3)選擇應用VisualBasic語言開發OPCServer，讓PLC控制系統與IPC數據傳輸，數據控制系統得到實現。(4)利用VisualBasic把上位機當中出現的可視化界面同OPC服務器做數據的有效性連接，以此讓故障實時監控得到良好實現。(5)VisualBasic能夠讓高級語言編譯直接譯成機器語言，這樣很容易被計算機識別到。最為主要的是VisualBasic能夠把高級語言編譯成機器語言，從而對計算機進行科學化，合理化的識別。VisualBasic能將程序以執行文件的形式生成，實現高效的兼容，通過借助VisualBasic監控組件，能全方位進行動態控制，并實現起重機電氣監控，利于促使可視化系統穩定運行[8]。

3.3 港口門座式起重機電氣故障可視化的實現

多數港口起重機都采用門座式，由于結構立體化，能夠在很大程度上讓碼頭面積得到節省。另外，門架也比較高，具有高速靈活，安全可靠的基本特點，能夠讓裝卸生產率得到提高，對于體力勞動的減輕有著積極意義。

依據起重機電氣控制系統圖來看，需要選擇電動機，變頻器、繼電器等部件，再利用PLC內部定時器，計數器等功能，讓邏輯控制功得到有效實現。而且還可依據PLC各個點的輸出數據，對關鍵點運行進行科學化，合理化的控制。除此之外，PLC還能夠定時掃描對應點的相關工作，并且能夠把采集的數據信息直接存入到PLC數據庫，從而供組態軟件來調用。

關于VisualBasic不僅提供可視化設計的專業工具，而且還能把Windows界面設計的復雜性進行有效封裝。負責開發的工作人員，不需要界面設計就能夠將程序代碼全部編寫好，只要依據設計的基本要求進行合理化的布局，就能促使用系統的工具畫出圖形對象，并將屬性全面設置好，從而自動產生界面設計的相關代碼信息。面向對象的程序設計法是VisualBasic運用的重點，也是關鍵所在，把程序與數據進行全面封裝，可以形成一個對象，并且還能賦予對象相應的屬性。利用連接方式的建立，使用操作后臺的數據庫，并在其中存放PLC I/O點地址及對應元件的名稱，從而實現對故障的詳細記錄。發現對應值的時候要利用查找的方法，將對應故障號準確地找到。因此，可以建立主窗體，機構窗體、用戶登錄窗體等。針對于起重機應該實施可視化監控。(1)監測鉤是否達到設計需要的高度，或者是監控能否達到最低的位置，這是起升機構電氣監控與故障的可視化。該工作環節要看吊起的貨物能否在最大重量，從而有效避免因為超負荷引發的整機傾翻和人身傷亡事故。(2)變幅機構把變幅中產生的外載荷傳遞，直接給變幅驅動裝置，為吊中幅度的改變提供運動軌跡，這種可視化系統能夠讓變幅機構的電氣監控得到可靠性運行。(3)故障監控與旋轉機構電氣管理。該環節旋轉機構有支撐裝置和旋轉驅動裝置，能夠讓旋轉系統正常安全運行得到保證。(4)行走機構通常會依據情況對工作地點加以合理改變，進一步將作業范圍不斷擴大化，從而讓起重機水平行進得以良好實現。(5)四大機構監控畫面是顯示起重機各個機構監控點的基本狀態，而針對于起重機電氣控制系統，PLC監控目標具體還體現在I/O狀態監控畫面，從而也讓PLC模塊的I/O狀態實時監視，同時也能對現場設備工作狀態有充分了解。

4 總結

總體而言，起重機電氣故障可視化意義重大，怎樣將起重機電氣存在的故障，迅速發現并科學有效的排除非常重要，提高工作效率，并進一步實現經濟效益，需要全面研究。而通過直觀，迅速的形式將港式起重機電氣故障可視化問題解決也顯得越來越重要，因為可對具體方法和原理做詳細化的分析，從而也為工程系統故障診斷提供工作開展與實施的參考依據。