基于無線網(wǎng)絡(luò)的塔式起重機(jī)安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

崔浩杰，段晨東

（長安大學(xué)電子與控制工程學(xué)院，陜西西安 710064）

塔式起重機(jī)是建筑施工中廣泛應(yīng)用的運(yùn)輸設(shè)備。但是，塔式起重機(jī)傾翻、人員墜落、墜物砸人等事故時有發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016—2020 年間，我國共發(fā)生塔機(jī)安全事故343 起，造成了嚴(yán)重的人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失。導(dǎo)致塔機(jī)發(fā)生故障的隱患絕大部分都能通過塔機(jī)的狀態(tài)和生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測提前進(jìn)行排除[1-4]，因此，塔機(jī)狀態(tài)監(jiān)測對安全生產(chǎn)具有重要意義。

目前，塔式起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)中的安全裝置大都獨(dú)立運(yùn)行，系統(tǒng)性差。塔式起重機(jī)無線安全監(jiān)測系統(tǒng)解決了這個問題，它綜合電氣控制系統(tǒng)中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)來判斷故障狀況。然而，由于安全裝置在故障發(fā)生后才動作，現(xiàn)有的塔機(jī)安全監(jiān)測系統(tǒng)不能防止故障的發(fā)生，只能在故障發(fā)生后及時止損。此外，這些塔機(jī)安全監(jiān)測系統(tǒng)少有涉及塔機(jī)運(yùn)行的最關(guān)鍵部分——電機(jī)[5-13]。事實(shí)上，通過電信號更能敏銳地發(fā)現(xiàn)塔機(jī)電機(jī)運(yùn)行過程中的故障[14]。另外，現(xiàn)有塔機(jī)安全監(jiān)測多采用有線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞剑@是由于生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，有線監(jiān)測成本高、難度大，有線電纜在施工環(huán)境下容易損壞，引發(fā)安全隱患。

該文針對現(xiàn)有塔式起重機(jī)安全監(jiān)測系統(tǒng)的缺陷提供了一套無線遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)首先通過現(xiàn)場傳感器讀取塔機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)，分時地將多臺塔機(jī)的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程上傳到監(jiān)控主機(jī)，以電機(jī)的輔助觸點(diǎn)信號來確定塔機(jī)的運(yùn)行過程，實(shí)時進(jìn)行故障監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析。與傳統(tǒng)塔機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)有三大優(yōu)勢：第一，以無線方式傳輸數(shù)據(jù)，更經(jīng)濟(jì)、更安全。第二，綜合分析各項(xiàng)數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確率高。第三，對塔機(jī)電動機(jī)電信號進(jìn)行統(tǒng)計(jì)量和頻率的監(jiān)測，能夠預(yù)警故障。

1 塔式起重機(jī)監(jiān)測需求分析

1.1 現(xiàn)有塔式起重機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)缺陷

目前塔式起重機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)一般通過讀取塔機(jī)電氣控制系統(tǒng)安全裝置的信號進(jìn)行安全監(jiān)測，這種方式有四大缺陷：

1）目前塔式起重機(jī)電氣系統(tǒng)的安全裝置只有在狀況發(fā)生時才會動作，達(dá)不到預(yù)防故障的目的。

2）塔式起重機(jī)的各監(jiān)測裝置獨(dú)立運(yùn)行，若事故發(fā)生時監(jiān)測的單項(xiàng)參數(shù)沒有明顯超限，就不會報警，事實(shí)上，如果系統(tǒng)分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，這些故障是可以被監(jiān)測的。

3）有線監(jiān)測線路冗長，容易損壞。

4）對電機(jī)的監(jiān)測不全面、監(jiān)控內(nèi)容不全面，只安裝電機(jī)的過載、過壓、相序保護(hù)裝置。

1.2 塔式起重機(jī)監(jiān)控內(nèi)容

如表1 所示，針對以上問題，并根據(jù)GB/T6067.1及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，塔機(jī)的監(jiān)測可以分兩個層次。第一，塔機(jī)電氣控制系統(tǒng)安全裝置的報警信號。第二，對塔機(jī)電動機(jī)電信號的監(jiān)測，實(shí)時監(jiān)控塔機(jī)電信號的有效值和頻率分量，出現(xiàn)有效值超標(biāo)或出現(xiàn)故障頻率，應(yīng)該提前預(yù)警故障[15]。

表1 塔式起重機(jī)監(jiān)控內(nèi)容

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)

1）完成塔機(jī)電氣控制系統(tǒng)的監(jiān)測。系統(tǒng)能實(shí)時監(jiān)測塔機(jī)電氣控制系統(tǒng)的狀態(tài)，并在電氣控制系統(tǒng)安全裝置動作時報警。

2）完成塔機(jī)電機(jī)狀態(tài)預(yù)警。系統(tǒng)能讀取塔機(jī)的動作狀態(tài)和電信號數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，預(yù)警塔機(jī)故障，為故障決策提供支持。

3）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集傳輸并設(shè)計(jì)相應(yīng)的監(jiān)測軟件。系統(tǒng)能遠(yuǎn)程傳輸塔機(jī)的各種數(shù)據(jù)并合理地進(jìn)行存儲、顯示、分析。

2.2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

如圖1 所示，系統(tǒng)主要由三部分組成，第一部分為電流電壓傳感器，負(fù)責(zé)信號采集和信號預(yù)處理與發(fā)送。第二部分是由網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商提供的通信及數(shù)據(jù)管理服務(wù)。第三部分是遠(yuǎn)程監(jiān)測中心，負(fù)責(zé)信號的實(shí)時顯示與數(shù)據(jù)庫的交互。如果施工現(xiàn)場有多臺塔機(jī)需要同時監(jiān)測，則每臺塔機(jī)都需要安裝現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)，通過無線網(wǎng)關(guān)發(fā)送傳感器的讀取數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)分時地接收多臺塔機(jī)的數(shù)據(jù)，同時監(jiān)測這些塔機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)需監(jiān)測塔機(jī)電氣系統(tǒng)安全裝置的報警狀態(tài)和塔機(jī)的電機(jī)電信號，這些數(shù)據(jù)由相應(yīng)的傳感器進(jìn)行讀取并連接到現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)的指定通道。塔機(jī)動作電機(jī)的電流和電壓信號由其相應(yīng)的輔助觸點(diǎn)確定，需要發(fā)送的觸點(diǎn)信息包括回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的觸點(diǎn)狀態(tài)、變幅機(jī)構(gòu)的觸點(diǎn)狀態(tài)、起升機(jī)構(gòu)的觸點(diǎn)狀態(tài)。這些數(shù)據(jù)在網(wǎng)關(guān)中進(jìn)行預(yù)處理后，被發(fā)送至監(jiān)測中心。

監(jiān)控機(jī)運(yùn)行時，首先分時接收各塔機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后把需要顯示的信號在界面上顯示出來。顯示的同時對信號進(jìn)行分析，如果發(fā)現(xiàn)信號長時間超過限位或塔機(jī)本身的安全裝置出現(xiàn)動作，及時進(jìn)行報警。另外，遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)把接收到的數(shù)據(jù)實(shí)時存入遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫中，以數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)長線分析塔機(jī)的運(yùn)行狀況，如果電流、電壓信號的頻譜中出現(xiàn)故障頻率，則根據(jù)統(tǒng)計(jì)量和頻率分析進(jìn)行故障診斷，預(yù)警塔機(jī)故障，為故障決策提供支持。

3 硬件設(shè)計(jì)

如圖2 所示，施工現(xiàn)場可能有多臺塔機(jī)進(jìn)行作業(yè)，這些塔機(jī)均需配備一套現(xiàn)場采集系統(tǒng)，所有采集系統(tǒng)共用與遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)連接的通道。一臺塔式起重機(jī)有三大電機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)：回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)和起升機(jī)構(gòu)，根據(jù)GB/T6067.1 及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，在塔機(jī)運(yùn)行過程中，回轉(zhuǎn)電機(jī)、變幅電機(jī)和起升電機(jī)在同一時間段只能運(yùn)行一臺，所以這三臺電機(jī)的電壓、電流信號可以每相合用一路通道，一共占用6 路通道，而到底是哪一臺電機(jī)在運(yùn)行可以通過對應(yīng)電機(jī)接觸器的輔助觸點(diǎn)狀態(tài)來判斷。起重量感器、高度傳感器、幅度傳感器、回轉(zhuǎn)角傳感器、傾角傳感器、風(fēng)速傳感器各占用一路模擬通道，合計(jì)12 路模擬信源。目標(biāo)塔機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)狀態(tài)、變幅機(jī)構(gòu)狀態(tài)、起升機(jī)構(gòu)狀態(tài)以及報警信號各占用一路數(shù)字信源，合計(jì)4 路數(shù)字信源。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)示意圖

根據(jù)以上要求，使用EM9118B2-12 數(shù)據(jù)采集卡作為現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)控。它是一種高速并行、高精度的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，帶有模擬輸入、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、計(jì)數(shù)、測頻、離線采集等功能，最多可以采集12路模擬信源，4 路模擬信號源。使用時，將各信號接至對應(yīng)通道即可。

得到采集數(shù)據(jù)后，使用InGateWay502無線網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)及時發(fā)送至監(jiān)控機(jī)進(jìn)行處理。InGateWay502是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的一款邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)，可以通過多種方式上網(wǎng)，除支持主流的Modbus TCP/RTU 等協(xié)議外，它還支持用戶二次開發(fā)，可以在這個網(wǎng)關(guān)上運(yùn)行編寫好的Python App 進(jìn)行邊緣計(jì)算。將EM9118B2-12數(shù)據(jù)采集卡和InGateWay502無線網(wǎng)關(guān)通過光纖進(jìn)行連接，就能通過這個功能調(diào)用EM9118B2-12 開發(fā)人員提供的API接口，讀到相應(yīng)數(shù)據(jù)同時對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，降低通信壓力提高通信速度。在InGateWay502無線網(wǎng)關(guān)中插入SIM 卡，將網(wǎng)關(guān)與互聯(lián)網(wǎng)相連接，數(shù)據(jù)預(yù)處理完成后，在App 中運(yùn)行TCP 服務(wù)端，向監(jiān)控機(jī)指定接口循環(huán)發(fā)送采集的數(shù)據(jù)。

4 軟件設(shè)計(jì)

如圖3 所示，該監(jiān)控系統(tǒng)的軟件主要分為兩部分：第一部分是運(yùn)行在InGateWay502 無線網(wǎng)關(guān)上的邊緣計(jì)算Python App，主要完成信號采集和數(shù)據(jù)預(yù)處理、發(fā)送的功能。第二部分是運(yùn)行在遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)上的Java 監(jiān)控程序，Java 具有多線程功能，可以并行接收數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)并報警、與MySQL 數(shù)據(jù)庫交互并進(jìn)行長時間的數(shù)據(jù)分析，完成塔機(jī)故障的提前預(yù)警。數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊采用可以在不同語言間通信的Open TCP 協(xié)議來完成，多個數(shù)據(jù)采集模塊分時地占用數(shù)據(jù)處理模塊。

圖3 塔機(jī)無線監(jiān)測系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)圖

4.1 信號采集部分

如圖4 所示，信號采集部分程序運(yùn)行在InGateWay502 無線網(wǎng)關(guān)上，由邊緣計(jì)算Python App 調(diào)用EM9118B2-12 的開發(fā)者動態(tài)鏈接庫來采集數(shù)據(jù)。首先，讀取起重量、高度、幅度、回轉(zhuǎn)角度、風(fēng)速、傾角、三相電流、三相電壓這12 路模擬信號，然后，讀回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)及安全裝置的狀態(tài)這4 路數(shù)字信號。最后，以16 進(jìn)制字符串的形式將采集到的數(shù)據(jù)通過開放TCP 協(xié)議從服務(wù)端發(fā)送到遠(yuǎn)程指定IP 端口。

圖4 采集程序流程圖

4.2 信號處理部分

監(jiān)控程序流程如圖5 所示，信號處理部分由Java主程序完成，主要功能包括數(shù)據(jù)標(biāo)定、顯示、存儲、追憶和塔機(jī)狀態(tài)顯示與報警。程序運(yùn)行時首先要對程序進(jìn)行設(shè)置，初始化操作主要包括設(shè)定報警閾值和超限報警時間、格式化數(shù)據(jù)庫等。進(jìn)入循環(huán)部分后，程序先使用TCP客戶端接收塔機(jī)的數(shù)據(jù)字符串，并對相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，并行進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存庫及數(shù)據(jù)分析。

圖5 監(jiān)控程序流程圖

數(shù)據(jù)顯示主要包括顯示當(dāng)前運(yùn)行的塔機(jī)序號和動作機(jī)構(gòu)，以標(biāo)簽顯示起重量、高度、幅度等數(shù)據(jù)，以曲線顯示電壓、電流波形及其對應(yīng)的有效值。顯示的同時將數(shù)據(jù)存入MySQL 數(shù)據(jù)庫中，以便后期長期分析數(shù)據(jù)，預(yù)警未來故障。當(dāng)前運(yùn)行電機(jī)的電壓、電流任何一相超過設(shè)定閾值或數(shù)據(jù)庫中的電信號，做FFT 分析后發(fā)現(xiàn)除工頻信號外的其他大量邊頻信號時，程序進(jìn)行報警并記錄故障信息。

4.3 管理及監(jiān)控4.3.1 程序運(yùn)行

圖6 為數(shù)據(jù)顯示界面，圖7 為故障記錄界面。

圖6 數(shù)據(jù)顯示界面

圖7 故障記錄界面

4.3.2 故障頻率分析與故障預(yù)測

如圖8 所示，在程序運(yùn)行過程中會調(diào)取大量數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行故障頻率的監(jiān)測，如果發(fā)現(xiàn)除工頻外的大量邊頻信號，說明電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)異常[16-17]。異常狀態(tài)出現(xiàn)后，通過統(tǒng)計(jì)量、時域波形和頻譜分析進(jìn)行故障分析，診斷潛在故障。

圖8 故障診斷

5 結(jié)束語

電機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測對塔式起重機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。該文通過電氣控制系統(tǒng)安全裝置監(jiān)測和電機(jī)電信號分析判斷塔機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了一種無線遠(yuǎn)程塔式起重機(jī)安全監(jiān)測系統(tǒng)，能及時發(fā)現(xiàn)塔機(jī)運(yùn)行過程中的危險狀況，保障了塔機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。與傳統(tǒng)塔機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢，首先，它整合了有關(guān)塔機(jī)安全運(yùn)行的所有信息，使用簡潔的單通道結(jié)構(gòu)讀取了大量數(shù)據(jù)。其次，它不僅監(jiān)測了塔機(jī)的起重量、高度等傳統(tǒng)信息，還分析了塔機(jī)運(yùn)行電機(jī)的電信號頻譜，能更敏銳地察覺到塔機(jī)故障。最后，該系統(tǒng)大部分信號使用無線傳輸?shù)姆绞剑瑴p少了監(jiān)測成本和安全隱患。