海洋石油平臺(tái)起重機(jī)智能監(jiān)控與防碰撞系統(tǒng)創(chuàng)新改造

董鵬林，柴 威，魏東坤

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300459)

1 改造背景

海洋石油起重機(jī)是海上平臺(tái)人員和貨物吊裝的必須工具，是平臺(tái)的重要設(shè)備(圖1)。由于吊貨任務(wù)繁重，吊車長期運(yùn)轉(zhuǎn)，外加所處環(huán)境較惡劣，吊車各設(shè)備日趨老化，平臺(tái)日常吊裝作業(yè)已經(jīng)產(chǎn)生了安全隱患，需要對(duì)吊車液壓路流程、鉤頭和滾筒的鋼絲情況進(jìn)行時(shí)時(shí)監(jiān)控，以保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和提前發(fā)現(xiàn)潛在隱患。吊車在設(shè)計(jì)時(shí)存在數(shù)據(jù)監(jiān)控的盲點(diǎn)，無法監(jiān)控到各點(diǎn)壓力參數(shù)，當(dāng)?shù)鯔C(jī)出現(xiàn)問題時(shí)，檢修人員只能憑著經(jīng)驗(yàn)根據(jù)故障現(xiàn)象猜測故障點(diǎn)，無形中增加了檢修時(shí)間，降低了檢修效率；并且由于海上平臺(tái)起重機(jī)吊臂較長，作業(yè)半徑廣，加上平臺(tái)頂層甲板修井設(shè)備多，司機(jī)在進(jìn)行部分吊裝作業(yè)時(shí)常會(huì)出現(xiàn)視覺盲區(qū)，導(dǎo)致吊臂與其他設(shè)備發(fā)生碰撞，進(jìn)而出現(xiàn)安全隱患[1]。因此，需進(jìn)行吊車智能監(jiān)控與防碰撞系統(tǒng)的改 造升級(jí)，以保證吊車平穩(wěn)運(yùn)行。

圖1 海洋石油起重機(jī)Fig.1 Offshore oil crane

2 改造原理

2.1 采用無紙記錄儀與壓力變送器配合

通過無紙記錄儀的應(yīng)用，將吊機(jī)各個(gè)壓力檢測點(diǎn)的數(shù)據(jù)信號(hào)通過高性能32位ARM微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理：一方面在大屏幕液晶顯示器上以多種形式的畫面直觀地顯示出來，用于吊車司機(jī)對(duì)吊機(jī)整體運(yùn)行情況進(jìn)行觀測；另一方面將這些檢測數(shù)據(jù)存放在本機(jī)內(nèi)藏的大容量存儲(chǔ)芯片內(nèi)，以便在記錄儀上直接進(jìn)行數(shù)據(jù)和圖形的查詢和翻閱，并且能通過USB傳輸至移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備上，利用上位機(jī)(PC端)管理軟件對(duì)階段性數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析和維保/檢修前后的數(shù)據(jù)參比。該無紙記錄儀還具備報(bào)警功能，當(dāng)其檢測壓力高于預(yù)設(shè)報(bào)警值時(shí)會(huì)觸發(fā)聲光報(bào)警對(duì)駕駛員進(jìn)行提醒，后期還可以根據(jù)其使用效果將報(bào)警信號(hào)接入吊機(jī)PLC回路中，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)關(guān)斷功能。

2.2 利用倒車?yán)走_(dá)實(shí)現(xiàn)防碰撞預(yù)警功能

倒車?yán)走_(dá)原是汽車駐車或倒車時(shí)的安全輔助裝置，能以聲音或更為直觀地顯示告知駕駛員周圍障礙物的情況，解除了駕駛員駐車、倒車和啟動(dòng)車輛時(shí)前后左右探視所引發(fā)的困擾，幫助駕駛員掃除了視覺死角和視線模糊的缺陷。本次應(yīng)用通過將其探頭安裝在變幅頂端，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測全覆蓋，并且利用專用延長線將報(bào)警單元遠(yuǎn)傳至吊機(jī)駕駛室內(nèi)，與蜂鳴器共同對(duì)駕駛員進(jìn)行提醒。

2.3 在吊機(jī)視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)

視頻監(jiān)控廣泛應(yīng)用于安防領(lǐng)域，本次改造將其應(yīng)用到吊機(jī)的視頻監(jiān)控中。通過在鉤頭和滾筒上方安裝網(wǎng)絡(luò)攝像頭將視頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至駕駛室內(nèi)，使吊車司機(jī)能時(shí)刻對(duì)吊貨以及滾筒運(yùn)行情況進(jìn)行有效監(jiān)控，形成了360°無死角的駕駛體驗(yàn)。

此次吊機(jī)改造所使用的為網(wǎng)絡(luò)攝像頭，通過小型交換機(jī)形成屬于吊機(jī)視頻系統(tǒng)的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，在后續(xù)的改造中可以通過安裝無線通信設(shè)備將視頻數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至現(xiàn)有的平臺(tái)辦公網(wǎng)絡(luò)，并使用辦公區(qū)PC端對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控。

3 改造措施

①在控制總油路上安裝壓力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控控制油路總壓力。

②在主回油濾器上安裝壓力傳感器，檢測回油濾器堵塞狀態(tài)。

③在吊車回轉(zhuǎn)基座上安裝相應(yīng)的壓力傳感器。

④在駕駛室內(nèi)安裝壓力監(jiān)控?zé)o紙記錄儀，時(shí)時(shí)顯示各壓力傳感器示數(shù)，并能調(diào)取數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行歷史分析，當(dāng)壓力傳感器示數(shù)超過邏輯設(shè)定高報(bào)警值時(shí)會(huì)通過聲光報(bào)警的模式及時(shí)通知吊車司機(jī)。

⑤在變幅頂端安裝4個(gè)防碰撞雷達(dá)，當(dāng)其監(jiān)測到障礙物3m時(shí)通過聲光報(bào)警及時(shí)通知吊車司機(jī)。

⑥在變幅頂端、A字架上安裝3臺(tái)防爆攝像機(jī)監(jiān)控吊物及滾筒鋼絲繩狀態(tài)。在駕駛室內(nèi)安裝硬盤式錄像機(jī)和12寸液晶屏，以實(shí)現(xiàn)畫面的實(shí)時(shí)監(jiān)控及 錄像。

4 主要部件

4.1 防碰撞雷達(dá)

該裝置的工作原理為：利用探頭發(fā)出超聲波信號(hào)，遇到被測物體后反射回來，并被雷達(dá)接收到，通過計(jì)算出的超聲波信號(hào)從發(fā)射到接收再到回波信號(hào)的時(shí)間得知在介質(zhì)中的傳播速度，從而計(jì)算出距被測物體的距離[2]。該裝置通過遠(yuǎn)端顯示屏可實(shí)時(shí)顯示爬桿范圍內(nèi)的實(shí)物環(huán)境，并明確提示爬桿與障礙物的距離，方便吊車司機(jī)判斷，可在5m之內(nèi)開始用蜂鳴聲或指示燈提示，顯示障礙物距離，并且隨著爬桿與障礙物距離越近蜂鳴器聲音越急促，同步指示燈閃爍，進(jìn)行聲光報(bào)警(圖2、3)。

圖2 防碰撞雷達(dá)安裝示意圖Fig.2 Installation diagram of anti-collision radar

該裝置的適用性分析如下：

①工作溫度為-40～80℃，適應(yīng)渤海海域日常工作環(huán)境；

②防護(hù)等級(jí)為IP67，顯示器與主機(jī)、探頭與主機(jī)之間連接線均采用航空4芯接頭，滿足海上現(xiàn)場防護(hù)需求；

③24V直流電壓供電，現(xiàn)場可直接取用；

④探測距離為0.1～3.0m，完全滿足預(yù)警需求，吊車工作時(shí)此報(bào)警警示距離可提醒吊車司機(jī)，以防止碰撞，起到預(yù)定預(yù)警效果。

圖3 防碰撞雷達(dá)工作原理圖Fig.3 Working principle diagram of anti-collision radar

4.2 防爆攝像頭

該裝置的工作原理為：利用透鏡成像的原理來實(shí)現(xiàn)圖像的成像，通過感光芯片及相關(guān)電路來記錄和傳輸圖像信號(hào)。該裝置通過遠(yuǎn)端顯示屏可實(shí)時(shí)顯示安裝在各指定位置攝像頭的顯示畫面，駕駛員可實(shí)時(shí)對(duì)滾筒及吊裝情況進(jìn)行確認(rèn)。

該裝置的適用性分析如下：

①工作溫度為-20～40℃，適應(yīng)渤海海域日常工作環(huán)境；

②采用隔爆型結(jié)構(gòu)，均采用304不銹鋼制成，具有良好的抗腐蝕性能，滿足現(xiàn)場防護(hù)防爆需求；

③外徑尺寸140mm×380mm，內(nèi)徑尺寸110mm× 290mm，視窗直徑80mm玻璃鏡面，整體直徑88mm，重量6.5kg，滿足現(xiàn)場安裝需求；

④紅外距離80m，有效距離50m，完全滿足顯示需求，可對(duì)各個(gè)觀測點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4.3 網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)

該裝置的工作原理為：可以進(jìn)行圖像存儲(chǔ)處理的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，具有對(duì)圖像/語音進(jìn)行長時(shí)間錄像、錄音、遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制的功能。配合攝像頭使用，將監(jiān)控的視頻/音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

該裝置的適用性分析如下：

①工作溫度為-20～40℃，駕駛室內(nèi)使用，滿足現(xiàn)場需求；

②220V交流供電，現(xiàn)場無需改造可直接取用；

③具有VGA視頻、HDMI視頻輸出接口，支持VGA/HDMI同時(shí)輸出，滿足現(xiàn)場安裝需求，可直接接入電腦顯示器(進(jìn)行支架改造安裝即可)。

4.4 無紙記錄儀

該裝置的工作原理為：無需將采集的數(shù)據(jù)/運(yùn)算數(shù)據(jù)以時(shí)間為基軸記錄在儀器內(nèi)部的存儲(chǔ)系統(tǒng)中，通過運(yùn)算、模擬后顯示在液晶顯示屏[3]。

該裝置的適用性分析如下：

①工作溫度為-20～40℃，駕駛室內(nèi)使用，滿足現(xiàn)場需求；

②220V交流供電，現(xiàn)場無需改造可直接取用；

③該裝置可采集溫度、壓力、流量、液位、電壓、電流、濕度、頻率、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)，并通過數(shù)字顯示、棒圖顯示、曲線顯示、報(bào)警列表等直觀地展示在裝置的液晶顯示屏上。本次改造計(jì)劃對(duì)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行引入，后續(xù)將根據(jù)需要引入溫度、流量、液位、頻率、振動(dòng)等數(shù)據(jù)，全面地對(duì)吊車的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行記錄和分析。

5 改造過程

5.1 準(zhǔn)備工作

對(duì)吊機(jī)所需電纜、儀表管線和支架進(jìn)行測繪記錄。由于吊機(jī)上部無法使用焊機(jī)對(duì)固定支架進(jìn)行焊接，故利用廢舊物料、借助平臺(tái)外委熱工作業(yè)提前制作攝像頭和防碰撞雷達(dá)支架。

對(duì)智能吊機(jī)改造所需物料、工機(jī)具、勞保用品進(jìn)行準(zhǔn)備并清點(diǎn)。由于吊機(jī)液壓系統(tǒng)最高壓力可達(dá)30MPa以上，故在選取變送器及儀表管線接頭時(shí)應(yīng)選取耐壓＞30MPa的備件。物料吊運(yùn)至吊機(jī)上時(shí)做好隔離，禁止人員站在吊物下方。

5.2 防碰撞雷達(dá)系統(tǒng)安裝

5.2.1 防碰撞雷達(dá)安裝

吊車司機(jī)進(jìn)行配合將吊臂調(diào)整至合適位置，人員佩戴好安全帶后對(duì)吊臂上的防碰撞雷達(dá)進(jìn)行安裝，安裝完畢后對(duì)信號(hào)電纜進(jìn)行鋪設(shè)、固定。

5.2.2 電纜孔開孔

對(duì)駕駛室進(jìn)行新增電纜孔的開孔，并使用球磨機(jī)對(duì)孔口進(jìn)行研磨，以防止開口邊緣對(duì)電纜造成損傷；電纜通過密封填料函進(jìn)入駕駛室，對(duì)填料函和電纜孔進(jìn)行防水處理，以防止潮氣進(jìn)入駕駛室。

5.2.3 防碰撞雷達(dá)報(bào)警裝置安裝

對(duì)防碰撞雷達(dá)顯示報(bào)警裝置進(jìn)行安裝固定，完成后進(jìn)行接線。

5.2.4 上電測試

將雷達(dá)系統(tǒng)通電，吊臂旋轉(zhuǎn)至距離障礙物較近位置進(jìn)行測試，并根據(jù)報(bào)警狀態(tài)對(duì)雷達(dá)靈敏度進(jìn)行調(diào)整。

5.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)安裝

5.3.1 防爆攝像頭安裝

將提前預(yù)制的攝像頭支架進(jìn)行安裝，安裝完成后將攝像頭進(jìn)行固定，攝像頭分別安裝在主副鉤上方、變幅滾筒上方、主副鉤絞車上方，攝像頭安裝完成后對(duì)電纜進(jìn)行鋪設(shè)。

5.3.2 顯示器及硬盤錄像機(jī)固定

利用換代廢舊的顯示器作為監(jiān)控顯示裝置，對(duì)顯示器及硬盤錄像機(jī)進(jìn)行安裝固定。

5.3.3 顯示器及硬盤錄像機(jī)固定

視頻信號(hào)線進(jìn)行接線，完成后設(shè)備通電，對(duì)硬盤錄像機(jī)進(jìn)行配置，根據(jù)顯示畫面對(duì)攝像頭位置及焦距進(jìn)行調(diào)整(圖4)。

圖4 攝像頭位置及焦距調(diào)整Fig.4 Camera position and focal length adjustment

5.3.4 支架調(diào)整

對(duì)吊臂鉤頭正上方的攝像頭支架進(jìn)行調(diào)整，確保安裝牢固可靠，同時(shí)攝像頭可憑借自身重力跟隨吊臂自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，保證隨時(shí)垂直于鉤頭正下方。

5.4 液壓監(jiān)控系統(tǒng)安裝

5.4.1 變送器安裝

變送器支架進(jìn)行安裝，對(duì)變送器進(jìn)行固定，安裝考克及接頭。

5.4.2 儀表管線配置

儀表管線測繪、配管、吊機(jī)上液壓管線多，管線曲折，配管難度大，需要安裝人員精確地測量和熟練的配管技能，一分一毫的誤差都有可能使高壓液壓管線緊固不到位，進(jìn)而造成液壓油的刺漏。

5.4.3 安裝過流量閥

為了防止因下游儀表管線意外破裂造成液壓油壓力泄放引起吊裝事故，特意在取壓點(diǎn)下游安裝可以阻止介質(zhì)失控泄放的工業(yè)用過流量閥，以保證其本質(zhì)安全和可靠性。

5.4.4 配置無紙記錄儀

無紙記錄儀提前通電測試，連接電腦進(jìn)行配置，配置完成后安裝至吊機(jī)駕駛室，并進(jìn)行接線，利用廢料制作無紙記錄儀支架，對(duì)其進(jìn)行固定(圖5)。

圖5 無紙記錄儀測試Fig.5 Paperless recorder test

5.4.5 接線測試

信號(hào)電纜鋪設(shè)穿孔，對(duì)無紙記錄儀進(jìn)行接線和通電測試。

5.5 功能測試

各系統(tǒng)安裝調(diào)試無誤后，吊機(jī)正常投入使用，可實(shí)現(xiàn)對(duì)吊機(jī)系統(tǒng)壓力、控制壓力、主鉤剎車壓力、副鉤剎車壓力、變幅剎車壓力、回轉(zhuǎn)壓力6個(gè)系統(tǒng)壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)控，在吊機(jī)使用過程中各系統(tǒng)功能狀態(tài)穩(wěn)定良好，能有效保證吊機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

6 結(jié) 語

該套系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用有效保障了吊機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，降低了因人為誤操作造成的設(shè)備損壞，同時(shí)通過對(duì)歷史數(shù)據(jù)的查看和分析便于人員對(duì)設(shè)備故障原因進(jìn)行查找。此監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用可為吊車司機(jī)在作業(yè)過程中更好地了解吊機(jī)狀況提供幫助，有效地提升了吊裝作業(yè)安全，同時(shí)為維修人員故障判斷和預(yù)知性維修提供了有力的工具，也為其他海洋起重機(jī)解決類似問題提供了經(jīng)驗(yàn)，可以廣泛推廣使用。■