0引言

門座式起重機是現(xiàn)代化港口和船廠機能作業(yè)的重要設(shè)備，隨著社會經(jīng)濟(jì)的增長及生產(chǎn)規(guī)模的擴大，門座式起重機正向大型化、重載化、高速化方向發(fā)展，其安全健康性能面臨著巨大的挑戰(zhàn)，作為極易發(fā)生重大安全事故的特種作業(yè)機

械，一旦發(fā)生事故，對安全生產(chǎn)形勢和人民的生命財產(chǎn)安全產(chǎn)生嚴(yán)重的威脅。因此，起重機安全健康監(jiān)測非常必要也迫在眉睫。為提高大型起重機械本質(zhì)安全，預(yù)防和減少起重機械重特大事故發(fā)生，國家質(zhì)檢總局和國家安監(jiān)總局發(fā)布了《關(guān)于印發(fā)大型起重機械安裝安全監(jiān)控管理系統(tǒng)實施方案的通知》(國質(zhì)檢特聯(lián)(2011)137號)，明確要求所有在用的大型起重機械上必須全部安裝安全監(jiān)控管理系統(tǒng)。目前，國內(nèi)起重機安全健康監(jiān)測系統(tǒng)功能較為單一，價格較為昂貴，系統(tǒng)的整體功能完善方面還有待進(jìn)一步提高。針對這種情況，對門座式起重機安全健康監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究并開發(fā)了安全健康監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以同時對起重機金屬結(jié)構(gòu)健康狀況和運行狀態(tài)安全狀況進(jìn)行監(jiān)測，采用電阻應(yīng)變片式傳感器，使整個系統(tǒng)性價比高，利于系統(tǒng)的普及推廣。

1、安全健康監(jiān)測系統(tǒng)要求

1．1系統(tǒng)主要功能

門座式起重機安全健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)主要具有如下功能：

1)實時監(jiān)測功能：要求系統(tǒng)對門座式起重機的各種運行狀態(tài)參數(shù)及關(guān)鍵點的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測。

2)實時顯示功能：將系統(tǒng)監(jiān)測的各種數(shù)據(jù)參數(shù)通過觸摸屏顯示給操作人員，使其及時了解門座式起重機的安全健康狀態(tài)。

3)報警和止停功能：系統(tǒng)識別門座式起重機的安全健康狀態(tài)后，做出相應(yīng)的處理，當(dāng)門座式起重機的安全健康參數(shù)達(dá)到額定參數(shù)的90％時，系統(tǒng)能夠進(jìn)行聲光預(yù)報警，當(dāng)上升到100％時，可以進(jìn)行聲光連續(xù)報警，阻止其向危險方向繼續(xù)運行，當(dāng)超過額定參數(shù)的一定范圍后，系統(tǒng)可以對整個起重機進(jìn)行自動斷電停機。從而達(dá)到安全保護(hù)的功能，使門座式起重機的整體安全性能大幅度提高。

4)數(shù)據(jù)存儲功能：系統(tǒng)應(yīng)具有對門座式起重機安全健康狀態(tài)、故障信息進(jìn)行實時記錄存儲的功能，并且在關(guān)閉電源或供電中斷的情況下，所有信息被保留，不因斷電而使信息丟失，為以后的維修等提供方便。

5)歷史查詢功能：系統(tǒng)應(yīng)具有對門座式起重機的安全健康狀態(tài)、故障信息歷史追溯的功能，一旦發(fā)生事故，可以作為事故原因分析的依據(jù)。

6)遠(yuǎn)程監(jiān)測功能：所有安全健康監(jiān)測參數(shù)能通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至遠(yuǎn)程安全健康監(jiān)測系統(tǒng)，特檢人員、起重機管理者、起重機生產(chǎn)廠家等具有一定權(quán)限的人員可以通過互聯(lián)網(wǎng)對遠(yuǎn)程安全健康監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行訪問，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測。

7)抗干擾能力：門座式起重機使用環(huán)境較為惡劣，且采用變頻器驅(qū)動，容易對安全健康監(jiān)測系統(tǒng)造成干擾，因此應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧┨岣呦到y(tǒng)的搞干擾能力。

8）良好操作界面：人機界面友好，系統(tǒng)能以圖形、圖表和文字的方式直觀的顯示門座式起重機的安全健康信息，使用簡單，操作方便。

1.2起重機監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

1）測理精度：

在起重機實際使用工況下，系統(tǒng)綜合誤差，如起重量、起升高度、回轉(zhuǎn)角度、變幅幅度等分別不大于5%、

2）工作溫度：0度-60度：濕度：10%-95%RH

3)在運行周期內(nèi)系統(tǒng)的采樣周期應(yīng)不大于100ms

4)數(shù)據(jù)存儲時間應(yīng)不少于30個連續(xù)工作日。

2、起重機監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成

門座式起重機安全健康監(jiān)測系統(tǒng)由本地門座式起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)和遠(yuǎn)程門座式起重機安全健康監(jiān)測系統(tǒng)組成。LSHMS可以獨立運行，RSHM以LSHMS為基礎(chǔ)，遠(yuǎn)程用戶可以隨時了解到起重機的健康狀況。其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

LSHMS對起重機的工作狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，以司機室內(nèi)配置的觸摸屏為上位機，實時顯示起重機的運行狀態(tài)安全狀況及結(jié)構(gòu)健康狀況，對故障及危險時行報警。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測部分是由應(yīng)變傳感器、應(yīng)變傳感器節(jié)點和傳感器網(wǎng)關(guān)組成。應(yīng)變傳感器用來感受起重機桔構(gòu)的受務(wù)情況并將應(yīng)變信息轉(zhuǎn)換成電信號傳送至應(yīng)變傳感器節(jié)點：應(yīng)變傳感器節(jié)點是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的數(shù)據(jù)發(fā)送模塊發(fā)送至傳感器網(wǎng)關(guān)：傳感器網(wǎng)關(guān)是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的數(shù)據(jù)傳輸部分，網(wǎng)關(guān)內(nèi)有數(shù)據(jù)接收模塊，它接收至各傳感器節(jié)點發(fā)關(guān)的數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)發(fā)送至觸摸屏。運行狀態(tài)監(jiān)測部分主要監(jiān)測起重機的運行狀態(tài)參數(shù)及起重機作業(yè)區(qū)域的視頻圖像，按照GB6067.1及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，絕大部分門座式起重機已安裝起重機械安全保護(hù)裝置，這些保護(hù)裝置能實時監(jiān)測門座式起重機的起重量、變幅幅度、旋轉(zhuǎn)角度等運行參數(shù)，這些數(shù)據(jù)被傳送至起重機的可編程控制器中，PLC通過擴展模塊與變頻器通訊，可獲知門座式起重機四大機構(gòu)電機的電流、電壓等參數(shù)值，運行狀態(tài)監(jiān)測只需完成PLC與觸摸屏的通訊并從PLC中讀出數(shù)據(jù)即可。視頻圖像通過在起重機上配置攝像頭來采集施工現(xiàn)場危害區(qū)域及司機視頻野盲區(qū)的實時動態(tài)圖像，一般配置多個攝像頭以監(jiān)測吊鉤、吊鉤周圍、各個門腿等區(qū)域，攝像頭與觸摸屏的信號采用有線傳輸。RSHMS指本地安全健康監(jiān)測系統(tǒng)所獲取的起重機信息可以通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，設(shè)備管理部門、特檢機構(gòu)等可以遠(yuǎn)程獲知起重機的運行及安全健康狀況。

3、硬件設(shè)計

系統(tǒng)中的硬件主要有觸摸屏、電阻應(yīng)變片、應(yīng)變傳感器節(jié)點及網(wǎng)關(guān)、攝像頭等。

3．1觸摸屏選擇

在門座式起重機安全健康監(jiān)測系統(tǒng)中，觸摸屏作為上位機主要完成與PLC及網(wǎng)關(guān)的通信，顯示所有的模擬量及開關(guān)量信號，實現(xiàn)故障報警，完成視頻監(jiān)測等功能，因此，要求觸摸屏應(yīng)具有基本的通信功能，支持多種通信協(xié)議，具有足夠的處理速度、足夠的畫面數(shù)據(jù)存儲及足夠的顯示方式等。基于系統(tǒng)所需功能，選擇了步科(kinco)MT5620T觸摸屏。

3．2電阻應(yīng)變片選擇

電阻應(yīng)變片按安裝方式主要分為粘貼式電阻應(yīng)變片和焊接式電阻應(yīng)變片兩種，粘貼式電阻應(yīng)變片具有成本較低、使用簡單方便等優(yōu)點，但是其對潮濕環(huán)境的不適應(yīng)限制了其在長期實時監(jiān)測中的應(yīng)用。因此，在門座式起重機長期實時監(jiān)測

系統(tǒng)中應(yīng)選用可靠性較高的焊接式應(yīng)變片。另外電阻應(yīng)變片應(yīng)選擇穩(wěn)定性高、電阻溫度系數(shù)小、熱輸出小、零點漂移小、橫向效應(yīng)系數(shù)小、機械滯后小、具有蠕變自補償功能的應(yīng)變片。

因此在滿足上述要求的前提下，綜合考慮使用環(huán)境、應(yīng)力狀態(tài)等因素，選用共和KCW一5—120一G10一l1G1M3S型焊接式電阻應(yīng)變片，其具體參數(shù)如表1所示。

3．3應(yīng)變傳感器節(jié)點及網(wǎng)關(guān)選擇

應(yīng)變傳感器節(jié)點及網(wǎng)關(guān)選用北京必創(chuàng)科技有限公司的CSG401型CAN總線應(yīng)變傳感器節(jié)點及BS909型CAN總線應(yīng)變傳感器網(wǎng)關(guān)。CSG401有線應(yīng)變傳感器節(jié)點可組成分布式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有通信距離遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)傳輸速率高等特點。它由采集處理模塊、CAN收發(fā)模塊組成。每個節(jié)點共有4個通道，每個通道內(nèi)置有獨立的高精度120Q橋路電阻和放大調(diào)理電路，可由軟件自動切換選擇1／4橋、半橋、全橋測量方式，采集數(shù)據(jù)實時傳輸至HMI，傳輸速率高且傳輸距離遠(yuǎn)。每個節(jié)點4個通道的設(shè)置便于位置相近的電阻應(yīng)變片傳感器連接到一個節(jié)點上，節(jié)省節(jié)點個數(shù)，降低整個監(jiān)測系統(tǒng)費用。BS909網(wǎng)關(guān)將傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)上傳給上位機，它具有數(shù)據(jù)透明傳輸和數(shù)據(jù)緩存的特性。網(wǎng)關(guān)的主控制板由電源部分、GPRS模塊、BEENET模塊和核心板組成a

3．4視頻攝像頭選擇及多通道切換控制模塊設(shè)計

安裝攝像頭可以取消操作人員的視野盲區(qū)，降低操作人員的操作難度。起重機安全健康監(jiān)測系統(tǒng)所用攝像頭應(yīng)具有高清晰度，有調(diào)節(jié)焦距的功能，能適應(yīng)戶外惡劣環(huán)境。攝像頭應(yīng)配備云臺裝置，使攝像頭能夠自由360。旋轉(zhuǎn)。因起重機

有夜間工作的情況，所以攝像頭上應(yīng)配備紅外補光裝置，使在光線較弱的夜間作業(yè)時也能獲取清晰的圖像。因此選用VK—IR230TF型工業(yè)級遠(yuǎn)距離紅外高速云臺可變焦距攝像頭，其影像感應(yīng)器為1／4”SONYSuperHADCCD，清晰度為540線，變焦率為23倍光學(xué)變倍／12倍電子放大，紅外照射距離達(dá)200m，信號制式為NTSC／PAL，采用IP68防水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，360度水平和豎直方向連續(xù)轉(zhuǎn)動，能很好的滿足現(xiàn)場監(jiān)控要求。根據(jù)現(xiàn)場所需監(jiān)測的門座式起重機作業(yè)危險區(qū)域，共采用55"攝像頭完成監(jiān)測任務(wù)，吊臂上安裝一個，用于攝取吊裝物體周圍的全局圖像，保證吊裝安全；象鼻梁頭部平臺下方位置安裝一個，用于攝取吊裝物體的近距離圖像，提高吊裝的精確性及效率；轉(zhuǎn)盤后方兩側(cè)各安裝一個，便于回轉(zhuǎn)時觀察后方情況，消除死角；司機室外安裝一個，用于觀察整機工作環(huán)境。而觸摸屏只有兩通道PAL制式視頻接口，為了滿足多個通道視頻圖像顯示，設(shè)計了多通道切換電路其原理框圖如圖2所示。

4、軟件設(shè)計

4．1LSHMS軟件設(shè)計

LSHMS利用EV5000組態(tài)編輯軟件(以下簡稱EV5000)進(jìn)行軟件設(shè)計，LSHMS是直接面向起重復(fù)機操作員使用的，要求操作界面友好，使用簡單，用戶界面框架如圖3所示。在進(jìn)行軟件設(shè)計編輯界面前首先進(jìn)行設(shè)備的選擇及通訊參數(shù)的配置，根據(jù)門座式起重機電氣系統(tǒng)PLC類型，選擇MitsubishiFX0n/1N/2N/3N,HMI與網(wǎng)關(guān)的通訊基于ModbusASCII協(xié)議，因此在PLC元素庫中選擇ModbusASCII,

5、結(jié)束語

起重設(shè)備的安全健康性是當(dāng)今相關(guān)工程領(lǐng)域所密切關(guān)注的研究課題。本文研發(fā)了完備的門座式起重機安全健康監(jiān)測系統(tǒng)，不僅可以同時監(jiān)測門式座式起重機的安全與健康性能，保障起重機安全有效運行，更能提升起重機的安全管理和維修養(yǎng)護(hù)的水平，具有廣泛的應(yīng)用前景和社會經(jīng)濟(jì)效益。