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        門式起重機遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)

        2014-06-09 12:33:06胡立文樊留群李德忠
        關(guān)鍵詞:起重機械起重機報警

        胡立文,樊留群,陳 剛,李德忠

        (1.同濟大學(xué) 中德學(xué)院,上海 201804;2.中船第九設(shè)計研究院 工程有限公司,上海 201804)

        門式起重機遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)

        胡立文1,樊留群1,陳 剛2,李德忠1

        (1.同濟大學(xué) 中德學(xué)院,上海 201804;2.中船第九設(shè)計研究院 工程有限公司,上海 201804)

        監(jiān)控管理系統(tǒng)可以對大型起重機械的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控,有效預(yù)防和減少安全事故。論文在分析了起重機械遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)上,提出了一種適合船用門式起重機的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案。通過OPC技術(shù)對門式起重機PLC控制數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,采用3G技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞,所開發(fā)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在多家造船企業(yè)得到了實際運用。

        遠(yuǎn)程監(jiān)控;起重機;3G技術(shù)

        0 引言

        為了提高大型起重機械安全,預(yù)防和減少起重機械特大事故的發(fā)生,近年來國家對大型起重機械安裝安全監(jiān)控管理系統(tǒng)進(jìn)行了大力的推動[1]。根據(jù)《大型起重機械安裝安全監(jiān)控管理系統(tǒng)實施方案》(國質(zhì)檢特聯(lián)〔2011〕137號)的要求,從2014年開始,在所有在用的大型起重機械上全部安裝安全監(jiān)控管理系統(tǒng)。鑒于船用特種起重機在造船業(yè)的廣泛運用,開發(fā)運用在船用特種起重機的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)顯得越來越重要。

        1 起重機遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)組成和功能

        起重機遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是指能夠?qū)ζ鹬貦C械工作過程進(jìn)行監(jiān)控,并能夠?qū)ζ渲匾\行參數(shù)和安全狀態(tài)進(jìn)行記錄管理的起重機械信息系統(tǒng)[2]。在起重機設(shè)備控制系統(tǒng)中集成 “起重機遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)”,可以實現(xiàn)對控制過程中的關(guān)鍵信息和使用信息實時采集和存儲,并利用無線通訊和Internet網(wǎng)絡(luò)技術(shù),將這些信息及時地提供給異地(遠(yuǎn)程)監(jiān)控人員,實現(xiàn)異地對設(shè)備使用狀況的遠(yuǎn)程監(jiān)控以及出現(xiàn)故障時進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)和故障診斷,也可以借助該系統(tǒng)實現(xiàn)起重機使用信息的管理。起重機遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是由多個功能模塊按需組合而成,可以根據(jù)用戶的需要定制個性化的監(jiān)控模塊。根據(jù)《起重機械 安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》(GB/T 28264-2012)對起重機械監(jiān)控管理系統(tǒng)的功能要求及項目實際情況,將該系統(tǒng)劃分為以下三個模塊:實時監(jiān)控模塊、故障診斷模塊、歷史回溯模塊。圖1為起重機遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件總體設(shè)計圖。

        1.1 實時監(jiān)控模塊

        該模塊實時監(jiān)控起重機總體及各個機構(gòu)的運行狀態(tài)、電機的狀態(tài)和操作人員的實時操作。主要有以下幾個單元組成:

        (1)起重機總體狀態(tài)監(jiān)測單元:監(jiān)控起重機的總體運行狀態(tài),通過該單元界面可以了解起重機運行的一般狀態(tài),比如起重機是否在工作,上下小車的位置、速度,剛?cè)嵬鹊奈恢?,報警發(fā)生部位等等。

        圖1 起重機遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件總體設(shè)計

        (2)操作臺狀態(tài)監(jiān)測單元:監(jiān)控操作臺按鈕和檔位信息,從而監(jiān)視司機正在進(jìn)行的操作,掌握起重機運行動態(tài)信息,起重機的行走方向、速度檔位,上下小車行走或起升的方向、速度檔位,以及單動、聯(lián)動狀態(tài)等等。

        (3)剛、揉腿狀態(tài)監(jiān)測單元:監(jiān)控剛、柔腿車的運行狀態(tài),監(jiān)控剛、柔腿車的速度,錨定的狀態(tài),夾軌器的狀態(tài)等等。

        (4)上、下小車狀態(tài)監(jiān)測單元:監(jiān)控上、下小車的行走狀態(tài)和兩個吊鉤的狀態(tài),監(jiān)控上、下小車的行走速度,兩個吊鉤的起升速度,風(fēng)機的運行狀態(tài)等。

        (5)電機狀態(tài)監(jiān)測單元:監(jiān)控電機、變頻器、熔斷器和斷路器的狀態(tài)。

        (6)總線狀態(tài)監(jiān)測單元:監(jiān)控工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點的狀態(tài),如PLC主站的狀態(tài)。

        各個單元所采集到的數(shù)據(jù)類型主要有兩類,開關(guān)量和模擬量。表1為主要的數(shù)據(jù)采集源及其數(shù)據(jù)信息。

        表1 主要數(shù)據(jù)采集源信息

        1.2 故障診斷模塊

        該模塊主要是將采集到的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中預(yù)存的標(biāo)準(zhǔn)做比較,當(dāng)不符合標(biāo)準(zhǔn)時系統(tǒng)發(fā)出報警信號,并根據(jù)預(yù)存的故障表判斷系統(tǒng)出現(xiàn)的故障。該模塊提供三種查詢:實時報警、歷史報警和報警統(tǒng)計。

        (1)實時報警。實時報警是指當(dāng)前發(fā)生的未被確認(rèn)或者解除的報警。通過該單元可以查詢實時報警。

        (2)歷史報警。歷史報警是指所有發(fā)生過的、已經(jīng)確認(rèn)的和未被確認(rèn)或者解除的報警,它包括了實時報警。

        (3)報警統(tǒng)計。報警統(tǒng)計單元針對報警的發(fā)生頻率進(jìn)行統(tǒng)計。如可以通過該單元查看報警頻率發(fā)生最高的幾項報警的名稱以及發(fā)生的次數(shù)。

        1.3 歷史回溯模塊

        該模塊可以重現(xiàn)起重機在某段時間內(nèi)運行的狀態(tài)??蛻艨梢赃x擇回放的時間節(jié)點,從而可以了解起重機在該時間段內(nèi)的運行狀態(tài)、操作記錄和報警故障信息。該功能尤其適用于專業(yè)人員查找起重機出現(xiàn)故障的原因。

        2 船廠特種起重機遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)

        起重機遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用了無線接入、現(xiàn)場總線、3G技術(shù)及OPC(OLE for Process Control)等先進(jìn)技術(shù),具有穩(wěn)定可靠、功能全面、界面友好、可擴展性強等優(yōu)點。根據(jù)船廠起重機的特殊要求,在現(xiàn)場采用現(xiàn)場總線技術(shù)將分布于設(shè)備上的傳感器、監(jiān)控設(shè)備等連接起來,然后在現(xiàn)場實施實時監(jiān)控,同時也可以通過Internet在遠(yuǎn)程客戶端對現(xiàn)場工況進(jìn)行實時監(jiān)控。具體來說就是,在工業(yè)現(xiàn)場,利用自主開發(fā)的監(jiān)控軟件采取現(xiàn)場起重機的運行狀態(tài)信息和報警信息,然后把信息儲存到現(xiàn)場數(shù)據(jù)庫(SQL Server)中。通過3G Router將監(jiān)控信息發(fā)送到具有固定IP的中間服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(SQL Server)中,遠(yuǎn)程客戶端利用客戶端監(jiān)控軟件讀取中間服務(wù)器中的數(shù)據(jù),實現(xiàn)對現(xiàn)場的遠(yuǎn)程監(jiān)控。一旦出現(xiàn)故障,遠(yuǎn)程技術(shù)人員可以根據(jù)報警信息及時提出解決方案。圖2為遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的整體設(shè)計方案。

        按照圖2所示的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)方案,船廠特種起重機遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)其實主要就是實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的一系列處理過程,數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸以及軟件中實現(xiàn)的數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)回溯。

        圖2 監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計方案

        2.1 數(shù)據(jù)采集

        (1)底層配置。底層配置為數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ),提供完整的通訊線路。以大洋造船有限公司為例,其總控系統(tǒng)采用 S7-300解決方案,由 1個主站和 6個分站構(gòu)成PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò),每個分站上的CPU都為S7 315-2DP。上位機使用 SIMATIC NET軟件組態(tài) PC Station,然后在STEP7軟件進(jìn)行硬件組態(tài)和PLC編程,并將參數(shù)和編制好的程序通過CP5611通訊卡下載到PLC主站之中。另一方面,上位機用遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件進(jìn)行監(jiān)控,該軟件為自主開發(fā),通過集成的OPC客戶端與SIMATIC NET軟件自帶的OPC Server的通訊來讀取PLC的過程數(shù)據(jù)和報警數(shù)據(jù),從而監(jiān)視和控制門式起重機的運行狀態(tài)。

        (2)數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)。不同的起重機可能會采用不同廠家的通信模塊硬件。為了降低各通信模塊硬件與應(yīng)用軟件之間的耦合性,減少監(jiān)控軟件開發(fā)工作的重復(fù)性,提高各設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化、開放性及網(wǎng)絡(luò)化,本系統(tǒng)采用OPC技術(shù)來實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備訪問。

        信息采集主要由OPC服務(wù)器和OPC客戶端兩部分來完成。OPC服務(wù)器由SIMATIC NET提供,完成的工作是收集數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息,并接受來自客戶端程序的指令數(shù)據(jù),然后通過標(biāo)準(zhǔn)的OPC接口傳送給OPC客戶應(yīng)用程序,即由本文所開發(fā)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)集成。

        OPC實際上提供了一種機制,使監(jiān)控系統(tǒng)以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的統(tǒng)一接口通過服務(wù)器存取現(xiàn)場數(shù)據(jù)[3]。這樣,當(dāng)現(xiàn)場設(shè)備發(fā)生變化或系統(tǒng)中加入新設(shè)備時,由于服務(wù)器所提供的接口的一致性,監(jiān)控系統(tǒng)軟件不作更改 (或僅需重新組態(tài))即可繼續(xù)使用。

        圖3 基于OPC的數(shù)據(jù)采集方案

        2.2 數(shù)據(jù)顯示

        為了便于觀察,如何在軟件中實現(xiàn)監(jiān)控對象的可視化動態(tài)顯示是要解決的關(guān)鍵問題。本系統(tǒng)采用Flash制作動畫并以腳本的形式實現(xiàn)動畫與數(shù)據(jù)之間的綁定。解決步驟如下:

        (1)Flash動畫的制作。通過Macromedia Flash軟件制作flash動畫,總共有8動畫(總體狀態(tài)、操作臺、上小車、下小車、剛腿、柔腿、總線狀態(tài)、電機狀態(tài)),分別進(jìn)行制作,并編寫相應(yīng)的驅(qū)動腳本。

        (2)XML的寫入與讀取。從監(jiān)控設(shè)備中取出想要的數(shù)據(jù),并作相應(yīng)的處理,按照一定的格式存儲軌道相應(yīng)的Xml文件中。

        (3)數(shù)據(jù)和模型的關(guān)聯(lián)。由于數(shù)據(jù)是實時監(jiān)控的,這樣不同時刻的數(shù)據(jù)是不同的。第一步,只要獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù),將其寫入相應(yīng)的Xml文件中。第二步,將動畫的數(shù)據(jù)源進(jìn)行刷新,腳本就可以根據(jù)數(shù)據(jù)的變化使flash動畫顯示不同的畫面。

        圖4 為起重機運行總體狀態(tài)監(jiān)控圖,也為監(jiān)控軟件的主界面。該界面實現(xiàn)了監(jiān)控對象的可視化動態(tài)顯示。如果界面中起重機中的某個機構(gòu)為紅色(正常應(yīng)為灰色),表明該機構(gòu)存在著未解除的報警,可以直接在界面上點擊該結(jié)構(gòu),進(jìn)入該結(jié)構(gòu)的監(jiān)控界面。

        2.3 數(shù)據(jù)傳輸

        由于起重機所處的工業(yè)現(xiàn)場條件的限制,以及其工作地點的不固定性,造成了現(xiàn)場布線受到一定限制,故傳輸網(wǎng)絡(luò)采用無線接入Internet的方式。考慮到相對于其他無線技術(shù),3G技術(shù)的主要優(yōu)點是能極大地增加系統(tǒng)容量、提高通信質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸速率,并可以在不同網(wǎng)絡(luò)間無縫漫游,故系統(tǒng)通過3G路由器實現(xiàn)和Internet的接入。由于工業(yè)現(xiàn)場的無線信號并非十分穩(wěn)定,且現(xiàn)場會對無線信號產(chǎn)生屏蔽和干擾,網(wǎng)絡(luò)接入很可能存在時斷時續(xù)的情況[4]。為了能實現(xiàn)無人值守傳送,程序中必須加入容錯機制。為保證數(shù)據(jù)的傳送質(zhì)量,可以采取軟件容錯和硬件容錯相結(jié)合的方法。

        硬件容錯:設(shè)定3G路由器相關(guān)的硬件參數(shù)。定時向固定IP服務(wù)器發(fā)送心跳包,確保連接,一旦連接失敗,立即掛斷當(dāng)前連接,重新進(jìn)行撥號。

        軟件容錯:傳送過程中數(shù)據(jù)包的丟失,可能會產(chǎn)生軟件錯誤。因此,要在程序中加入了軟件容錯功能。方法是在程序中增設(shè)錯誤計數(shù)器。一旦錯誤次數(shù)超過設(shè)定的次數(shù),就自動重新啟動程序,重新連接SQL SERVER服務(wù)器,重新進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。

        圖4 起重機運行總體狀態(tài)監(jiān)控界面

        2.4 數(shù)據(jù)回溯

        首先,將要回放的狀態(tài)數(shù)據(jù)全部下載到 “歷史表”之中,通過 “播放器”將要播放的數(shù)據(jù)從 “歷史表”轉(zhuǎn)移到 “臨時表”中,監(jiān)控軟件實時顯示 “臨時表”中的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)流向:“歷史表”→“臨時表”→“軟件變量”→“圖形界面”。歷史數(shù)據(jù)回溯加入了 “播放器”控制數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移,要播放某個時間點的狀態(tài),只需將該時間點的數(shù)據(jù)從 “歷史表”復(fù)制到 “臨時表”即可,可以通過控制 “臨時表”中的數(shù)據(jù)內(nèi)容來控制追溯的時間節(jié)點,通過控制 “臨時表”的更新速度來控制追溯的速度。

        3 總結(jié)及實際應(yīng)用

        本文設(shè)計的船用起重機遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),利用OPC技術(shù)對起重機的運行狀態(tài)信號和報警信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并采用3G技術(shù)實現(xiàn)對Internet網(wǎng)絡(luò)接入實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸,不但提高了系統(tǒng)的擴展性,而且有較好的人機交互界面,提高了系統(tǒng)的適用性。該監(jiān)控系統(tǒng)已在多個項目中得到應(yīng)用,下圖為該系統(tǒng)在大洋造船有限公司的應(yīng)用實例。

        圖5 為剛腿狀態(tài)監(jiān)控圖,通過該界面監(jiān)控剛腿的運行狀態(tài),包括剛腿的行走速度、所處位置、剛?cè)嵬任恢闷?,運行時間以及錨定狀態(tài)、夾軌器的狀態(tài)等等。

        實際應(yīng)用效果表明,系統(tǒng)具有較好的適用性和推廣價值。下一步的研究是針對目前企業(yè)對信息資源整合的要求,開發(fā)集監(jiān)控系統(tǒng)、生產(chǎn)控制和管理決策為一體的全面監(jiān)控管理系統(tǒng)。

        圖5 剛腿狀態(tài)監(jiān)控圖

        [1]崔英,杜文遼,李根.起重機遠(yuǎn)程監(jiān)控及故障診斷數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)[J].機械設(shè)計與研究,2013,1.

        [2]國家質(zhì)檢總局.起重機械 安全監(jiān)控管理系 [OL].http://tzsbaqjcj. aqsiq.gov.cn/tzwj/bgtwh/201302/t20130201_342305.htm

        [3]李建輝,蔡偉波,吳修國.基于 OPC技術(shù)的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)研究與設(shè)計[J].微計算機信息,2007,8.

        [4]劉宏威,張 浩.船廠特種起重機遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J].起重運輸機械,2006,10.

        Research and Development of Remote Monitoring and Control System for Cranes

        HU Li-Wen1,FAN Liu-Qun1,CHENG Gang2,LI De-Zhong1
        (1.Tongji University,Shanghai 201804,China;2.China Shipbuilding Nari Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 201804,China)

        Real-time monitoring and management system can monitor large lifting machinery working condition,can effectively prevent and reduce accidents.On the basis of the function and structure of the lifting machinery remote monitoring system present a suitable remote monitoring solution for the shipyard cranes.Software development is based on OPC technology,3G technology and remote control technology,and the system has been successfully used in many shipyards.

        remote monitoring and control;gantry crane;3G technology

        TP277;TP311

        :Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.046

        1002-6673(2014)03-118-04

        2014-05-04

        胡立文(1987-),男,河北邢臺人,同濟大學(xué)中德學(xué)院碩士研究生。專業(yè)方向:工業(yè)自動化。

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