基于CAN總線遙控器的起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許名熠 譚慶龍 廖敏輝

（湖南安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院 防災(zāi)與救援學(xué)院 長沙 410151）

起重機(jī)械屬于特種設(shè)備,在制造及使用過程中必須遵守《中華人民共和國特種設(shè)備安全法》《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》。根據(jù)市場監(jiān)管總局關(guān)于2020年全國特種設(shè)備安全狀況的通告,截至2020年底,全國起重機(jī)械253.84萬臺,起重機(jī)械事故27起,共造成31人死亡,占特種設(shè)備事故總起數(shù)的25.23%、死亡總?cè)藬?shù)的29.25%,起重機(jī)械事故中違章作業(yè)或操作不當(dāng)14起。[1]

根據(jù)國家市場監(jiān)督管理總局發(fā)布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),起重機(jī)械的安全事故占比較高,危害人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全,所以早在2011年原國家質(zhì)檢總局、原國家安監(jiān)總局為落實(shí)《國務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)企業(yè)安全生產(chǎn)的通知》（國發(fā)〔2010〕23號）文件,聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于開展大型起重機(jī)械安裝安全監(jiān)控管理系統(tǒng)前期示范試點(diǎn)工作的通知》(質(zhì)檢辦特聯(lián)〔2011〕1394號)[2],進(jìn)行大型起重機(jī)安裝安全監(jiān)控管理系統(tǒng)試點(diǎn)示范工作,總結(jié)了試點(diǎn)示范工作。之后,原國家質(zhì)檢總局聯(lián)合標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會于2012年發(fā)布了GB/T 28264—2012《起重機(jī)械 安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》。2016年3月,原國家質(zhì)檢總局批準(zhǔn)頒布新修訂的特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范TSG Q7015—2016《起重機(jī)械定期檢驗(yàn)規(guī)則》[3]和TSG Q7016—2016《起重機(jī)械安裝改造重大修理監(jiān)督檢驗(yàn)規(guī)則》[4],公布了《安裝安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的大型起重機(jī)械目錄》,明確了大型起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的項(xiàng)目、內(nèi)容、方法和要求,并規(guī)定了新出廠和在用起重機(jī)械安裝安全監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)限[5]。隨著標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施及多年的市場反饋,在2017年進(jìn)行修訂發(fā)布了現(xiàn)行版GB/T 28264—2017《起重機(jī)械 安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》。在此期間起重機(jī)械的安全監(jiān)控管理系統(tǒng)產(chǎn)品的技術(shù)水平發(fā)展迅速,在滿足國家標(biāo)準(zhǔn)及地方法規(guī)的同時(shí),在安全監(jiān)控的有效性、可靠性方面也有了大幅的提高。

1 起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)GB/T 28264—2017標(biāo)準(zhǔn),起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)主要包括信息采集單元、信息處理單元、控制輸出單元、信息存儲單元、信息顯示單元、信息輸出接口單元、視頻信號及存儲單元等,當(dāng)需要遠(yuǎn)程監(jiān)控的時(shí)候,需要配置遠(yuǎn)程傳輸單元。[6]安全監(jiān)控管理系統(tǒng)通過控制器件、傳感器、通信接口硬件來實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的單元模塊功能,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn),現(xiàn)場的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)需要存儲不少于30個(gè)連續(xù)工作日的數(shù)據(jù),視頻信號需要存儲不小于連續(xù)72 h的視頻數(shù)據(jù)。

根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1,設(shè)計(jì)的安全監(jiān)控管理系統(tǒng),配置各類傳感器進(jìn)行運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集,包括重量、運(yùn)行行程、起升高度、操作信號等標(biāo)準(zhǔn)要求采集的信號,然后通過這些數(shù)據(jù)送到控制器件（DSP或PLC）進(jìn)行處理分析,將安全報(bào)警信號解析出來,并在顯示屏上顯示,同時(shí)也通過輸出點(diǎn)或通信信號來控制起重機(jī)械的相應(yīng)動作,達(dá)到主動安全保護(hù),提高設(shè)備安全性的目的。車間常用的橋式起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的硬件組成見圖2。

圖1 起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 橋式起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)組成

在圖2中,傳感器的數(shù)據(jù)采集多采用數(shù)字量（DI）及模擬量（AI）信號,安全報(bào)警時(shí)的限制也是通過開關(guān)輸出（DO）或者與起重機(jī)控制器數(shù)據(jù)通信來實(shí)現(xiàn),系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)視、視頻信號顯示都是在起重機(jī)的操作室內(nèi),當(dāng)操作員用遙控器在地面操作時(shí),無法了解安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的起重機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)及報(bào)警信號。

2 CAN總線通信技術(shù)

基于以上起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),遙控器的發(fā)射器（Remote Control Transmitter）僅用來作為操作信號的發(fā)生裝置,遙控器的接收器（Remote Control Receiver）接收到發(fā)射器信號后輸出開關(guān)量輸出（DO）信號給定檔位及其他特殊指令,不能和控制系統(tǒng)進(jìn)行更多的數(shù)據(jù)交互及融合。

為了提高遙控器與起重機(jī)械控制系統(tǒng)交換的數(shù)據(jù)量及時(shí)效性,考慮采用總線通信技術(shù),其中CAN（Controller Area Network）總線通信技術(shù)具有輸出速度快、傳輸距離長、抗干擾能力強(qiáng)、線路簡單、組網(wǎng)方便、功耗低的特點(diǎn)[7]。20世紀(jì)80年代末,德國博世（BOSCH）公司開發(fā)了CAN總線協(xié)議,主要是應(yīng)用在汽車監(jiān)測、控制系統(tǒng)。1993年,CAN 成為國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 11898(高速應(yīng)用)和ISO 11519（低速應(yīng)用）[8],此后,CAN總線通信協(xié)議被廣泛地用于各類自動化控制領(lǐng)域。隨著總線技術(shù)的應(yīng)用普及,汽車發(fā)動機(jī)ECU（電子控制單元）設(shè)備、控制器、傳感器上普遍采用CAN總線通信協(xié)議,結(jié)合以上特點(diǎn)以及便于系統(tǒng)組網(wǎng),在工程機(jī)械裝備的自動控制系統(tǒng)中CAN總線逐漸成為一種主流的通訊方式[9]。

2.1 CAN總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

CAN通訊采用總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如圖3所示,在1個(gè)網(wǎng)絡(luò)上至少需要有2個(gè)節(jié)點(diǎn)存在,在總線的2個(gè)終端,各需要安裝1個(gè)120 Ω的終端電阻。

柜員在最底層貨架找了半天，拿出一小瓶白色藥片，我給了她兩塊錢，轉(zhuǎn)身走的時(shí)候聽見她還補(bǔ)了一刀：“這種維生素C不能經(jīng)常吃，會傷身。”

圖3 CAN總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖4中,雖然每一個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的任務(wù)有各自控制功能,但完成CAN通訊信息交換的功能是相同的。總線節(jié)點(diǎn)一般由微處理器、CAN控制器、CAN收發(fā)器3部分組成,結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 CAN總線節(jié)點(diǎn)示意圖

2.2 CAN總線在起重機(jī)械控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

各類工業(yè)起重機(jī)、建筑起重機(jī)電氣控制系統(tǒng),最初主要是以簡單的繼電回路為主,通過主令開關(guān)、邏輯器件、計(jì)時(shí)器等來實(shí)現(xiàn)基本的控制,線路復(fù)雜,控制原理簡單,難以實(shí)現(xiàn)自動控制及數(shù)據(jù)計(jì)算功能。隨著PLC（可編程邏輯控制器）在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,起重機(jī)械的核心控制主要由PLC來實(shí)現(xiàn),可以進(jìn)行數(shù)字量（DI）及模擬量（AI）的輸入輸出,邏輯運(yùn)算、一般的數(shù)據(jù)計(jì)算以及控制算法,具有總線通訊功能,使起重機(jī)械的電氣控制系統(tǒng)發(fā)生了根本性的改革,為自動控制等先進(jìn)功能的實(shí)現(xiàn)提供了硬件支撐。其中以西門子（Siemens）、施耐德（Schneider）、三菱（Mitsubishi）、羅克韋爾（AB）等國外品牌為主。在總線通信技術(shù)方面,各個(gè)廠家都推出自有的總線協(xié)議,如西門子公司的PROFIBUS-DP和PROFINET,施耐德公司的Modbus,三菱公司的CC-LINK,羅克韋爾公司的DeviceNet,這些協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)由各個(gè)公司掌握,相對封閉,同時(shí)PLC編程平臺不同。

隨著國家《中國制造2025》戰(zhàn)略布局,智能制造的推進(jìn),智能化、大數(shù)據(jù)、云平臺技術(shù)應(yīng)用已成為起重機(jī)械行業(yè)的核心競爭力,其控制技術(shù)朝著智能化、少人化、無人化的方向發(fā)展,對起重機(jī)械的安全監(jiān)控管理系統(tǒng)提出了更高的要求,對核心控制器件的響應(yīng)速度、計(jì)算能力、數(shù)據(jù)存儲、總線通信等也提出了更高要求[10]。同時(shí)隨著人力成本的不斷增加、各級安全意識的日益提升,用戶對起重機(jī)械的安全保障能力、智能化水平提出了更高、更迫切的需求。

基于CAN總線在移動車輛、工程機(jī)械裝備等控制系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用,配有CAN總線的控制器逐漸應(yīng)用到起重機(jī)械的控制中來。具有計(jì)算能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快、通訊組網(wǎng)便利,同時(shí)具有抗振、防護(hù)等級高的優(yōu)點(diǎn),適用在惡劣環(huán)境中,采用CODESYS進(jìn)行編程,編程平臺統(tǒng)一,便于程序在不同品牌的控制器之間進(jìn)行移植,大大減小了程序員的工作量。

綜上,配置CAN總線的控制器在起重機(jī)械控制系統(tǒng)中將得到廣泛應(yīng)用,非常方便地與遙控器的接收器通過CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

3 CAN總線遙控器起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)

基于起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)以及CAN總線在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用,針對遙控器操作的起重機(jī)械在使用中出現(xiàn)的操作人員難以觀察相關(guān)的狀態(tài)信息和故障報(bào)警信號以及安全監(jiān)控管理系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)防范作用降低的問題,本文開發(fā)了一種基于CAN總線遙控器的安全監(jiān)控管理系統(tǒng),將安全監(jiān)控與遙控器進(jìn)行深度融合,遙控器設(shè)計(jì)顯示屏監(jiān)視起重機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)及報(bào)警信號,提供更好的操作體驗(yàn),保障起重機(jī)的安全監(jiān)控管理系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)防范作用有效可靠。

3.1 起重機(jī)械安全監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)

根據(jù)GB/T 28264—2017標(biāo)準(zhǔn),以普通橋式起重機(jī)為例,需要監(jiān)視的數(shù)據(jù)見表1。

表1 橋式起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)信息采集源

3.2 起重機(jī)械安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于CAN總線遙控器的起重機(jī)械安全監(jiān)控系統(tǒng)以DAQ（數(shù)據(jù)采集及處理存儲單元）為核心,對表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并通過程序進(jìn)行處理。圖5所示為系統(tǒng)結(jié)構(gòu),主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

圖5 遙控一體起重機(jī)械安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1）數(shù)據(jù)采集：配置系統(tǒng)所需的傳感器,聯(lián)鎖保護(hù)安全裝置、超速信號、制動器狀態(tài)等數(shù)字量（DI）信號以及重量傳感器的模擬量信號（4～20 mA）直接進(jìn)入DAQ,其他的大小車運(yùn)行行程編碼器、起升高度編碼器以及聯(lián)動臺的操作指令CAN總線I/O模塊接入CAN總線通訊。

2）監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存儲：DAQ配置不小于16 G的存儲器實(shí)現(xiàn)存儲不少于30個(gè)連續(xù)工作日數(shù)據(jù)的功能。

3）數(shù)據(jù)運(yùn)算及處理：采集的信號進(jìn)行運(yùn)算,得到具體物理量及起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài),包括實(shí)時(shí)重量、行程、風(fēng)速等。

4）安全預(yù)警及報(bào)警信號：根據(jù)安全規(guī)則以及數(shù)據(jù)信息,產(chǎn)生安全警示信號,如超載、限位等預(yù)警及報(bào)警信號。

5）參數(shù)設(shè)置及顯示：設(shè)備上的顯示屏可以進(jìn)行參數(shù)設(shè)置及標(biāo)定,并顯示起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及安全警示信號。

6）安全保護(hù)輸出：DAQ通過總線的方式將安全保護(hù)動作信號發(fā)送到起重機(jī)電控系統(tǒng)控制器,進(jìn)行對應(yīng)的動作限制,如減速、停機(jī)等,總線可以是CAN總線,也可以配置與起重機(jī)電控系統(tǒng)一致的協(xié)議,同時(shí)保留數(shù)字量輸出（DO）,可以進(jìn)行冗余安全保護(hù)控制。

7）視頻信號：保留視頻采集單元、視頻存儲單元、視頻處理單元,實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)要求的信號采集及存儲,可進(jìn)行事故追溯。

8）遙控器信息接入及融合：遙控器發(fā)射器的信號通過無線通信,由接收器接收,接入到起重機(jī)電控系統(tǒng)的同時(shí)進(jìn)行處理,并轉(zhuǎn)換為CAN總線協(xié)議數(shù)據(jù),與安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的DAQ進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

9）遠(yuǎn)程傳輸接口：CAN總線可以方便地與遠(yuǎn)程模塊,如5G通訊模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,方便安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入云平臺。

3.3 起重機(jī)械安全監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視及報(bào)警

安全監(jiān)控系統(tǒng)顯示屏的主要功能有狀態(tài)監(jiān)視、參數(shù)設(shè)置、報(bào)警輸出、歷史故障存儲、數(shù)據(jù)記錄等。

主監(jiān)控界面[見圖6（a）]顯示起重機(jī)實(shí)時(shí)信息,包括：大、小車機(jī)構(gòu)的位置及速度,主、副鉤實(shí)時(shí)高度,起升速度,載荷重量,日期以及工作時(shí)間等。大、小車在屏幕上會隨著實(shí)時(shí)位置的變化而移動,并與實(shí)際位置成線性比例對應(yīng),當(dāng)出現(xiàn)超重、超速、限位等報(bào)警時(shí),相應(yīng)圖標(biāo)會變?yōu)榧t色警示。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)其他報(bào)警時(shí),“報(bào)警信息”圖標(biāo)會變紅并閃爍,提示人員進(jìn)入報(bào)警界面查看相關(guān)情況。

圖6 顯示屏監(jiān)視及故障報(bào)警界面

參數(shù)設(shè)置界面可以對傳感器進(jìn)行標(biāo)定,分編碼器標(biāo)定[見圖6（b）]、重量傳感器標(biāo)定、風(fēng)速儀標(biāo)定3個(gè)子界面。

歷史報(bào)警界面[見圖6（c）]可以查看實(shí)時(shí)報(bào)警以及歷史報(bào)警信息,“實(shí)時(shí)報(bào)警”顯示系統(tǒng)當(dāng)前的報(bào)警信息,如同時(shí)發(fā)生多個(gè)報(bào)警,則報(bào)警文本將滾動進(jìn)行顯示,“歷史報(bào)警信息”記錄系統(tǒng)最近發(fā)生的報(bào)警事件。

數(shù)據(jù)記錄界面[見圖6（d）]顯示起重機(jī)當(dāng)前的工作數(shù)據(jù)記錄,包括累計(jì)工作時(shí)間、本次工作循環(huán)次數(shù)。黑匣子數(shù)據(jù)文件記錄了起重機(jī)的運(yùn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),包括報(bào)警記錄、操作記錄2個(gè)文件,以CSV格式文件存儲。

3.4 遙控器及落地監(jiān)視

操作人員手持的發(fā)射器（見圖7）配置人機(jī)交互界面（HMI）,起重機(jī)上的接收器與它通過無線電技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及安全數(shù)據(jù)的落地監(jiān)視。與起重機(jī)上顯示屏的數(shù)據(jù)同步,可以對主監(jiān)控、歷史報(bào)警這些與設(shè)備操作安全密切相關(guān)的重要信息顯示,提高操作人員對設(shè)備安全運(yùn)行狀態(tài)的掌握程度,再結(jié)合發(fā)射器的指紋識別、IC卡等權(quán)限管理功能,可以提升設(shè)備的安全等級。

圖7 遙控器發(fā)射器端監(jiān)視界面

4 結(jié)束語

針對采用遙控器操作的起重機(jī)械,設(shè)計(jì)基于CAN總線遙控器的起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng),將安全監(jiān)控管理系統(tǒng)、遙控器、起重機(jī)的電氣控制系統(tǒng)相結(jié)合,遙控器數(shù)據(jù)與相關(guān)的安全控制進(jìn)行深度融合,同時(shí)也可以拓展數(shù)據(jù)云平臺,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)監(jiān)視、權(quán)限管理、分析及報(bào)警。為起重機(jī)械提供了起重機(jī)操作和監(jiān)控一體式的解決方案,改善了操作人員操作體驗(yàn),保證了起重機(jī)械作業(yè)安全,以期降低事故風(fēng)險(xiǎn),保障生產(chǎn)勞動中作業(yè)人員的生命安全和企業(yè)的財(cái)產(chǎn)安全。