一種起重機安全監控系統的設計與實踐

王 翔

（北京科技大學信息化建設與管理辦公室，北京 100083）

隨著世界工業全球化和一體化的深入發展，傳統制造業正向定制化、高端化、智能化方向轉型，機械制造產品升級市場潛力巨大。起重機械行業作為制造業的重要組成部分，其技術性貿易壁壘，已從早期的功能性、標準性延伸到安全性、持續性等領域。起重機設備全生命周期的安全、可控、精準、高效成為技術發展的突破方向，也是提高企業核心競爭力的關鍵。

目前，我國已迅速發展成為世界工程機械大國，整機指標已位居世界前列，超大噸位、超長臂架的起重機械相繼研制完成并投入使用。起重機械具有較大危險性，因此被列入特種設備來進行監管。據統計，起重機械事故率一直位于八大類特種設備之首。為保證施工效率、提高施工過程中的設備與人身安全，國家質檢總局辦公廳、安全監督總局辦公廳聯合下發了《關于公布<安裝安全監控管理系統的大型起重機械目錄>和做好2015年大型起重機械安全監控管理系統推廣應用與試點工作的通知》（質檢特聯[2015]192號），文件要求100t 以上的門式起重機，需要安裝安全監控管理系統，并進行調試驗證，對設備的智能控制、實時監控與維護技術提出了更高的要求。文章針對起重機設備施工過程中遇到的整機傾翻、電控系統失穩、故障狀態快速識別等難題，圍繞施工安全規劃、系統安全評估、作業安全監控展開研究，設計了一套全新智能化起重機安全監控預警系統和信息化管理系統，能夠全方位監控起重機的安全運行，包括起重機起重量、運行行程、偏斜、環境風速等大功能，能夠提供起重機工作狀態的實時預警和控制，是集精密測量、人工智能、自動控制等多種高新技術于一體的電子系統產品和信息管理系統。

起重機械狀態總則可參照GB/T 25196.1—2010《起重機狀態監控第1部分：總則》，該標準以綜述的方式規定了較為完善的監控范圍，由于起重機械種類繁多，各類起重機械可根據該標準參照執行數據采集和監控。結合調研和工程實踐，可采用基于狀態監測和預警的成熟體系實現起重機械安全監控方案。

1 起重機智能安全監控系統

起重機智能安全監控系統主要包括3部分：吊點的視頻監控部分；運行實時狀態、歷史信息、實時報警的全面安全監控管理部分；起重機的圖紙管理、備件管理、設備維護管理、壽命管理等模塊的信息管理部分。

1.1 起重機視頻監控部分

在起重機司機目視有困難的情況下，根據現場具體情況選擇合適的攝像機將吊點等關鍵部位通過視頻監控系統顯示在司機室顯示屏上，避免由于目視不清導致的安全事故。同時，視頻監控系統將起重機運行過程的視頻信息記錄下來，方便對起重機運行過程、事故的回查、追溯。

1.2 起重機安全監控管理部分

起重機安全監控管理系統在滿足GB/T 28264—2017《起重機械安全監控管理系統》標準的基礎上，針對起重機使用過程中的實際安全問題，并結合用戶的實際需要，對起重機進行全面的、可靠的、高于標準的安全監控管理。起重機安全監控管理并不僅是對起重機的運行狀態進行簡單的顯示和記錄，而是對所采集的數據進行統計、分析、處理，充分滿足用戶對起重機安全運行的需要。

1.3 起重機信息管理部分

起重機信息管理系統主要針對起重機用戶在設備運行、維護、保養過程中面臨的實際問題，為各類起重機量身定制的集文件管理、設備保養管理、壽命管理、數據分析等為一體的信息化管理系統，解決了起重機的運行安全、維保等問題，提高了用戶的起重機管理水平。

2 方案技術內容

該方案包含了一些列設備，元器件和線路改造和建設，同時設計有對應的軟件系統，對系統數據進行采集、處理和分析。

2.1 硬件設備和電子器件

方案中涉及到的各類設備、電子器件主要由以下幾個單元組成。

2.1.1 安全監控管理系統基本單元

該單元主要有敞開式電氣屏、嵌入式工控機、顯示器、硬盤錄像機、繼電器組、接線端子組、微型斷路器、浪涌保護器、24 V 直流電源、電機保護器、交換機、硬盤錄像機、不間斷電源、控制變壓器、起升高度顯示儀表、大車與小車行程顯示儀表、主起升轉速顯示儀表等。

2.1.2 采集單元

更換主起升、副起升旋轉限位開關，加裝正交編碼器；加裝主起升電機轉速接近開關；加裝起升制動器位置接近開關；加裝大、小車行程檢測正交編碼器；在控制屏的接觸器加裝輔助觸點，不與現有電控系統發生直接連接。

2.2 軟件模塊及功能

2.2.1 報警事件模塊

該模塊主要是對起重機的相關異常狀態設計報警條件和管理報警信息，實時報警，歷史報警查詢，報警變量配置，報警解決方案，報警事件統計，報警事件跟蹤回放，使用頻次、累計時間超預限報警。報表輸出，截圖保存。主要具有以下功能。

（1）起升機構報警條件：超載報警，電機超速報警，起升極限報警，機構電源斷路器報警，裝置故障報警，操作臺故障報警。

（2）運行機構報警：運行極限報警，防碰撞報警，機構電源斷路器報警，裝置故障報警，操作臺故障報警，門開關報警。

（3）總控制屏報警：重錘報警，總接觸器跳閘報警，控制電源跳閘報警，總斷路器斷開報警。

（4）實時報警信息：實時報警信息顯示在界面的上方，記錄有報警變量，PLC 的I/O 地址，當前報警時間，精確到0.1 s。報警發生時間，報警解除時間，報警處理狀態記錄。

（5）歷史報警查詢：通過時間搜索查詢，變量搜索查詢，機構搜索查詢。報警發生時間，報警解除時間。

（6）歷史報警事件統計：截至當前，每個報警變量的累計次數。在報警欄，報警解決方案選項，彈出故障解決導航文本，可編輯；點擊跟蹤可以回放事件默認前2s 后8s，所有變量信息。歷史追溯曲線，回放數據表。

（7）使用頻次累計時間預限報警：元件設定的工作頻次預限，工作時間預限，超過預限，彈出報警，預限清零。

（8）變量報警配置：開關狀態，模擬量設限，設定頻次和累計時間等。

2.2.2 事件回放模塊

回放數據采樣周期100 ms?；胤抛匪萸€，時間軸（水平），數值軸（垂直），設置回放按鍵，前進按鍵，后退按鍵，暫停鍵，停止按鍵。并列4組回放追溯曲線，可以是任意變量，方便維護人員比對相關變量；回放數據表查詢：按機構查詢，按單一變量查詢，時間最小單位0.1 s。支持報表輸出，并可以截圖進行保存。

2.2.3 實時監控模塊

該模塊由總覽界面、各機構界面、控制流程界面、動力供電界面和通信界面組成，主要監控以下相關信息：

（1）起升機構包括超載報警，電機超速報警，電機過熱報警，起升極限報警，機構電源斷路器報警，裝置故障報警，操作臺故障報警信息等。

（2）各類控制信息包括控制接觸器，制動接觸器，制動器狀態，機構斷路器，主令開關，操作按鈕，速度給定，裝置狀態字，裝置參數電流、電壓、轉速，起升高度，起升重量，工作循環。

（3）各類運行機構包括運行極限報警、防碰撞報警、電機熱繼報警、機構電源斷路器報警、裝置故障報警、操作臺故障報警、門開關報警。

2.2.4 系統配置模塊

在進行核設施的生物輻射影響評價時，需要考慮放射源釋放出放射性核素的過程、核素在環境中的擴散過程、核素從環境向生物體及其在生物體中的傳輸過程、生物體中的核素產生輻照劑量的過程以及最終輻射劑量產生生物效應的過程，如圖1所示。在這些過程中，放射源、環境和生物體中的放射性核素濃度在某些情況下可以直接測量得到，某些情況下則要根據上一環節的數值來進行計算。將生物輻射影響評價的計算過程制成計算機軟件，可以方便使用，推廣應用。

主要包括PLC 通信和OPC 通信組件配置、實時數據庫配置、歷史數據庫配置、時間數據庫配置、數據報表配置、變量屬性配置。

3 軟件實現及流程

主要功能及流程見圖1。

圖1 軟件功能流程

3.1 創建表格模板和記錄體

在組態王工程瀏覽器中的SQL 訪問管理器點擊表格模板。在右側目錄內容中雙擊“新建”創建一個名稱為“table1”且字段為“日期”“時間”“主起升上升限位”“主起升下降限位”“主起升超速保護”“主起升制動器限位”“主起升超力矩開關信號”“主起升起重量限位”“主起升起重量”等31項的表格。注意：當編輯字段名稱時，應與新建組態王變量一樣（最好不要用字符），不含非法字符，如：“+”“-”“=”“#”等。此表格格式決定了ACCESS 數據庫的表格格式。同樣在SQL 管理器中點擊記錄體，在右側目錄內容中雙擊“新建”，創建一個名稱為“bind1”的記錄體。其字段名稱與表格模板中的字段相對應。

3.2 數據庫的連接

在工程瀏覽器窗口的數據詞典中定義一個內存整型變量（DeviceID），然后在工程瀏覽器命令語言的應用程序命令語言的啟動時輸入如下命令語言使組態王與起重機數據源建立連接。接著在SQL 畫面中添加一個按鈕，按鈕文本為：創建表格。在按鈕的彈起事件中輸入如下命令語言。上述命令語言的作用是以表格模板“table1”的格式在數據庫中建立名為“起重機數據”的表格。此命令語言只需執行一次即可，如果表格模板有改動，需要用戶先將數據庫中的表格刪除才能重新創建。接著在工程瀏覽器命令語言的應用程序命令語言的運行時輸入如下命令語言，作用是在系統運行階段每100 ms 往表格“起重機數據庫”中插入一組新的數據。

3.3 開關量設置

工程瀏覽器左欄中單擊“數據字典”，在數據字典中新定義變量，系統中各個限位器故障點接入PLC均為干接點開關量信號，在組態王中選擇開關類型為I/O 離散型，連接設備選擇在前面所配置的C200HE，寄存器選擇IR 寄存器，地址對應PLC 梯形圖中所對應的地址。讀寫類型選擇只讀，數據類型為位讀取。按照如上步驟建立開關量采集點數據字典。

3.4 模擬量設置

系統中起重量傳感器、風速傳感器、幅度傳感器等接入PLC 模擬量模塊AD003均為模擬量信號，在組態王中選擇開關類型為I/O 實數型，連接設備選擇在前面所配置的C200HE，寄存器選擇DM 寄存器，地址對應采集點PLC 梯形圖中采集數據的存儲區域。讀寫類型選擇只讀，數據類型為USHORT。AD003模塊的分辨率為1/4000，將變量最小原始值設置成0，最大原始值設置成4000。最小值和最大值分別表示實際需要測量的量程。

3.5 自診斷技術

在事件命令語言中編寫如下代碼，下面以上升為例說明。

發生時代碼實現的功能是：事件發生時記錄開始事件，判斷主副起升，然后將字符串“主起升上升”或者“副起升上升”記錄到字符串變量“右手柄操作”中，用來顯示同時記錄實時起重量。

結束時代碼實現的功能是：記錄該事件的結束事件，并連同開始事件、操作相等一同插入數據庫“操作相”表格中。然后將右手柄操作恢復：默認狀態：“未操作”。\本站點終止時間=\本站點$時間；\本站點開始時間=\本站點開始時間1；\本站點操作相=\本站點右手柄操作。

4 結束語

本方案經過上海某港口機械有限公司進行了建設應用，界面如圖2，設計建設了如下子模塊工程：實時狀態監控、故障報警、歷史故障查詢、操作記錄查詢等，同時對監控系統可擴展性，預留了足夠的接口，滿足了港口作業對起重機整個安全監控系統的要求。截止目前安全監控系統經過一段時間的運行，經歷了嚴冬、酷夏和臺風等惡劣環境，監控系統運行狀態良好。在將來的工作中，準備進一步完善遠程監控和遠程管理及其他方面的工作，把管—控一體化新思路，應用到起重機械的安全監控領域中，為工業生產中的起重機安全做到保駕護航的作用。

圖2 港口起重機安全監控系統界面示意