毛久昌

(揚(yáng)州大洋造船有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225107)

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基于WIFI的橋式起重機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)研究

毛久昌

(揚(yáng)州大洋造船有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225107)

為了降低船廠起重設(shè)備安全事故的發(fā)生，確保船廠車(chē)間生產(chǎn)作業(yè)的安全，提出了基于WIFI的船廠橋式起重機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。首先對(duì)橋式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理進(jìn)行敘述，然后基于國(guó)內(nèi)起重設(shè)備的管理現(xiàn)狀，提出了基于WIFI的船廠橋式起重機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)。通過(guò)WIFI無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)本地及遠(yuǎn)程同時(shí)監(jiān)控，掌握橋式起重機(jī)的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)起重機(jī)工作過(guò)程中存在的問(wèn)題并給予解決，提高了起重機(jī)的操作安全性，從而更好地保證船廠工作人員及生產(chǎn)的安全。

船廠；橋式起重機(jī)；WIFI；實(shí)時(shí)監(jiān)控

0 引言

起重作業(yè)雖然在建筑、制造等行業(yè)中使用越來(lái)越廣泛，但它又是一種對(duì)駕駛員、對(duì)他人以及周?chē)O(shè)施的安全存在重大危險(xiǎn)且容易發(fā)生傷亡事故的作業(yè)。船廠起重作業(yè)主要包括門(mén)式起重機(jī)、塔式起重機(jī)、橋式起重機(jī)等。門(mén)式起重機(jī)主要用于船臺(tái)總段吊裝、合攏等作業(yè)，塔式起重機(jī)主要用于鐵舾件、管子之類(lèi)的吊裝，橋式起重機(jī)主要用于車(chē)間內(nèi)吊裝。

考慮到船廠生產(chǎn)場(chǎng)地的安全性以及國(guó)家對(duì)起重設(shè)備的管理要求，傳統(tǒng)的人工監(jiān)控和管理的方式已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)安全需要，起重設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)研究迫在眉睫。潘建華[1]對(duì)造船門(mén)式起重機(jī)(龍門(mén)吊)運(yùn)行過(guò)程中的故障信息及運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，提出了龍門(mén)吊安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)辦法，從而確保其運(yùn)行狀況得到有效的監(jiān)控和管理。馬成斌等[2]開(kāi)發(fā)了門(mén)式起重機(jī)的GPRS監(jiān)控系統(tǒng)，介紹了其工作原理及硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了門(mén)式起重機(jī)的智能化控制管理。鄭夕鍵等[3]研究并構(gòu)建了基于PLC可編輯邏輯控制器的塔式起重機(jī)(塔吊)的安全監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)塔吊多參數(shù)的安全監(jiān)控。目前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)塔式起重機(jī)和門(mén)式起重機(jī)的安全監(jiān)控系統(tǒng)研究較多，而對(duì)船廠橋式起重機(jī)的研究相對(duì)較少。船廠橋式起重機(jī)在車(chē)間內(nèi)應(yīng)用廣泛，其安全監(jiān)控系統(tǒng)的研究很有必要。本文提出采用基于WIFI的橋式起重機(jī)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控方案，通過(guò)在船廠內(nèi)建立用于信息傳輸?shù)腤IFI無(wú)線局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)車(chē)間內(nèi)橋式起重機(jī)的本地及遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而保證船廠車(chē)間內(nèi)的安全生產(chǎn)。

1 橋式起重機(jī)簡(jiǎn)介

1.1 橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

船廠橋式起重機(jī)主要用作車(chē)間起重設(shè)備，橫架于車(chē)間上空進(jìn)行物料吊運(yùn)，工廠內(nèi)一般稱其為行車(chē)，如圖1所示。行車(chē)的形狀像橋一樣，兩端支承在車(chē)間兩側(cè)的金屬支架上。行車(chē)進(jìn)行起重作業(yè)時(shí)，起重小車(chē)在行車(chē)橋架上沿鋪設(shè)的軌道進(jìn)行水平橫向運(yùn)行，行車(chē)橋架在車(chē)間兩側(cè)金屬支架上沿鋪設(shè)的軌道進(jìn)行水平縱向運(yùn)行，形成矩形的工作區(qū)域。行車(chē)不受地面設(shè)備及場(chǎng)地的阻礙，能夠充分利用行車(chē)橋架下面的自由空間進(jìn)行吊裝作業(yè)，有利于提高車(chē)間的生產(chǎn)效率。

圖1 船廠橋式起重機(jī)

行車(chē)根據(jù)自身的結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點(diǎn)可以分為金屬結(jié)構(gòu)、機(jī)械傳動(dòng)和電氣部分，其中，金屬結(jié)構(gòu)包括橋架和起重小車(chē)。橋架由端梁(與大車(chē)運(yùn)行方向平行)、主梁(與大車(chē)運(yùn)行方向垂直)、起重小車(chē)運(yùn)行軌道、護(hù)欄、走臺(tái)和操縱室構(gòu)成。橋架是可移動(dòng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)其端部車(chē)輪支承在車(chē)間兩側(cè)的高架軌道上，承受載重小車(chē)的重量，是行車(chē)的主要承載構(gòu)件。操縱室是行車(chē)的吊艙，也稱駕駛室，內(nèi)部安裝有起升機(jī)構(gòu)和大車(chē)、小車(chē)的操縱系統(tǒng)、總控制箱、保護(hù)裝置以及電氣保護(hù)裝置。起重小車(chē)由小車(chē)架和欄桿組成，小車(chē)架支承整個(gè)小車(chē)，承受載荷。機(jī)械傳動(dòng)部分包括大車(chē)、小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)和起升機(jī)構(gòu)。起升機(jī)構(gòu)是行車(chē)中最基本的機(jī)構(gòu)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)間內(nèi)貨物的升降。電氣部分包括電氣設(shè)備和電氣線路。

1.2 橋式起重機(jī)工作原理

1.2.1 起升機(jī)構(gòu)

電動(dòng)機(jī)通電后產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，然后通過(guò)傳動(dòng)軸和聯(lián)軸器將其輸入到減速器的高速軸上，經(jīng)過(guò)減速器的齒輪傳動(dòng)減速后，帶動(dòng)卷筒作定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使帶有取物裝置(吊鉤等)的鋼絲繩在卷筒上繞入或繞出，從而使吊物作上升或下降運(yùn)動(dòng)。

1.2.2 大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)

大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的作用是驅(qū)動(dòng)大車(chē)的車(chē)輪沿車(chē)間高架軌道實(shí)現(xiàn)水平方向的縱向運(yùn)行。集中驅(qū)動(dòng)和分別驅(qū)動(dòng)是常見(jiàn)的2種大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式。集中驅(qū)動(dòng)是大車(chē)兩邊的主動(dòng)輪通過(guò)傳動(dòng)軸由1臺(tái)電動(dòng)機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)，優(yōu)點(diǎn)是大車(chē)兩邊的主動(dòng)輪容易保持同步，缺點(diǎn)是大車(chē)的傳動(dòng)軸長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)較為笨重且安裝復(fù)雜，只適用于起重量和跨度較小的行車(chē)。分別驅(qū)動(dòng)是由2臺(tái)電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)大車(chē)兩邊的主動(dòng)輪，依靠橋架本身的剛性和控制系統(tǒng)保持兩側(cè)車(chē)輪同步，結(jié)構(gòu)相對(duì)于集中驅(qū)動(dòng)更為輕便，電動(dòng)機(jī)總功率小，目前在船廠中廣泛應(yīng)用。

1.2.3 小車(chē)運(yùn)行結(jié)構(gòu)

小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的作用是驅(qū)動(dòng)起重小車(chē)沿橋架上的小車(chē)軌道實(shí)現(xiàn)水平方向的橫向運(yùn)行。起重小車(chē)的4個(gè)車(chē)輪是帶有角形軸承箱的成組部件，它們分別固定在小車(chē)架的4個(gè)角落。小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)安裝在小車(chē)架的臺(tái)面上，處于車(chē)輪軸與電動(dòng)機(jī)軸之間，通過(guò)全齒輪聯(lián)軸器或帶浮動(dòng)軸的半齒輪聯(lián)軸器連接，以此來(lái)補(bǔ)償小車(chē)架變形以及安裝的誤差。

2 現(xiàn)有起重設(shè)備管理技術(shù)及不足

2.1 現(xiàn)有起重設(shè)備管理技術(shù)的不足

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)船廠起重設(shè)備安全監(jiān)控管理技術(shù)的調(diào)研，目前起重設(shè)備的安全監(jiān)控管理主要存在以下不足：

(1)一些船廠通過(guò)在起重設(shè)備上安裝限位器、起重量限制器等安全保護(hù)裝置確保操作安全，但這些限制裝置無(wú)法顯示起重設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的工作參數(shù)及狀態(tài)，致使作業(yè)人員無(wú)法判斷出當(dāng)前起重設(shè)備是否接近工作極限狀態(tài)。這些安全保護(hù)裝置僅在起重設(shè)備達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)才工作，其他狀態(tài)情況下處于閑置狀態(tài)。起重設(shè)備若需要繼續(xù)工作，必須重新啟動(dòng)起重設(shè)備，這樣大大降低了起重設(shè)備的工作效率。這些安全保護(hù)裝置沒(méi)有自檢功能，一旦損壞不能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)并維修，可靠性存在問(wèn)題，為事故的發(fā)生埋下安全隱患。

(2)一些船廠除了安裝安全保護(hù)裝置外，還在起重設(shè)備上安裝小型的有線監(jiān)控系統(tǒng)，如攝像頭等，實(shí)時(shí)監(jiān)控起重設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)，目前在大多數(shù)船廠中應(yīng)用。但有線傳輸方式需要單獨(dú)布設(shè)通信線路，這樣限制了車(chē)間可利用空間的拓展，不利于船廠車(chē)間內(nèi)的安全生產(chǎn)。另外，有線傳輸方式對(duì)通信距離也有一定的限制。當(dāng)傳輸距離很遠(yuǎn)時(shí)需要布設(shè)較長(zhǎng)的通信電纜，大大增加了工程成本。

2.2 起重設(shè)備的管理需求

大型起重機(jī)械的安全生產(chǎn)形勢(shì)較為嚴(yán)峻，起重機(jī)械安全事故頻繁發(fā)生，給企業(yè)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)極大的損失及人員損害。國(guó)家相關(guān)機(jī)構(gòu)聯(lián)合制定了《大型起重機(jī)械安裝安全監(jiān)控管理系統(tǒng)實(shí)施方案》，該方案規(guī)定在大型起重機(jī)械上需要大力推進(jìn)安全監(jiān)控系統(tǒng)的使用工作，以有效監(jiān)控大型起重機(jī)械的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，提高起重機(jī)械的操作安全性能，保護(hù)駕駛員及他人的安全，進(jìn)而防止和減少大型起重機(jī)械重大事故的發(fā)生。

船廠起重設(shè)備的工作環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致起重設(shè)備容易發(fā)生各種各樣的問(wèn)題。為了保證起重設(shè)備在作業(yè)過(guò)程中能安全有效地發(fā)揮其最大潛能，并且保證駕駛員對(duì)起重設(shè)備的運(yùn)行狀況了如指掌，越來(lái)越有必要對(duì)起重設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而達(dá)到降低起重設(shè)備的停機(jī)次數(shù)，預(yù)防起重設(shè)備重大事故的發(fā)生，保證起重設(shè)備的安全性能，提高起重設(shè)備的工作效率，降低因起重設(shè)備事故而造成的經(jīng)濟(jì)和人員損失的目的，實(shí)現(xiàn)對(duì)船廠起重設(shè)備的安全保障。

3 基于WIFI的橋式起重機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)

3.1 無(wú)線通信技術(shù)

電磁波信號(hào)在空間中能夠自由傳播，無(wú)線通信技術(shù)正是利用這種特性進(jìn)行信息交換。目前使用比較普遍的遠(yuǎn)距離無(wú)線通信技術(shù)主要有CDMA和GPRS技術(shù)，而使用比較普遍的近距離無(wú)線通信技術(shù)主要有ZigBee、近距離無(wú)線傳輸(NFC)、Bluetooth(藍(lán)牙)、WIFI(無(wú)線局域網(wǎng))和超寬頻(Ultra Wide Band，UWB)技術(shù)。本文使用WIFI無(wú)線通信技術(shù)在船廠架設(shè)多個(gè)無(wú)線路由，實(shí)現(xiàn)船廠內(nèi)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信，從而實(shí)現(xiàn)行車(chē)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3.2 橋式起重機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文主要研究船廠車(chē)間行車(chē)的實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)，實(shí)時(shí)掌握行車(chē)的工作參數(shù)及狀態(tài)，保證其安全可靠運(yùn)行。行車(chē)的運(yùn)行工作參數(shù)主要包括起重量、起升高度、大車(chē)運(yùn)行行程、小車(chē)運(yùn)行行程、運(yùn)行機(jī)構(gòu)安全距離等。

為了方便對(duì)行車(chē)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控管理，本文設(shè)計(jì)的行車(chē)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)采用本地監(jiān)控與遠(yuǎn)程監(jiān)控同時(shí)運(yùn)行。此種監(jiān)控系統(tǒng)將采集數(shù)據(jù)全部記錄到本地監(jiān)控系統(tǒng)上，遠(yuǎn)程監(jiān)控以客戶端形式訪問(wèn)本地監(jiān)控設(shè)備數(shù)據(jù)。

本文通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)行車(chē)的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄、歷史數(shù)據(jù)查詢、及時(shí)報(bào)警等功能，可提升行車(chē)的安全性，加強(qiáng)對(duì)行車(chē)的管理。監(jiān)控中心可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)行車(chē)的當(dāng)前運(yùn)行數(shù)據(jù)，也可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)調(diào)閱某臺(tái)行車(chē)的歷史工作記錄。

橋式起重機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 橋式起重機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖

在信息采集模塊中，起重量、起升高度、大車(chē)運(yùn)行行程、小車(chē)運(yùn)行行程等單元采集的是模擬量，都可以借助行車(chē)現(xiàn)有的儀器儀表上的傳感器來(lái)采集。傳感器設(shè)備直接與行車(chē)上被監(jiān)控對(duì)象相連，檢測(cè)被監(jiān)控對(duì)象需要監(jiān)控的信號(hào)，并與采集設(shè)備相連將信息上傳至信息采集模塊。如起重量可以通過(guò)起重量限制器中的壓力傳感器來(lái)獲取，起升高度可以通過(guò)卷筒上的角位移傳感器來(lái)獲取，大小車(chē)運(yùn)行行程可以通過(guò)運(yùn)行機(jī)構(gòu)上的位移傳感器來(lái)獲取。通過(guò)數(shù)據(jù)采集和控制設(shè)備(PLC程序等)，控制和采集傳感器并將數(shù)據(jù)上傳給本地監(jiān)控中心。

信息處理模塊將信息采集模塊中采集到的數(shù)據(jù)

進(jìn)行計(jì)算和處理，即將采集到的模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并存儲(chǔ)。本地監(jiān)控模塊包括信息存儲(chǔ)單元、信息顯示單元和控制輸出單元。信息存儲(chǔ)單元保存信息采集模塊中采集到的行車(chē)的相關(guān)工作參數(shù)，保證通過(guò)此模塊能夠?qū)π熊?chē)之前的運(yùn)行狀況進(jìn)行歷史查詢。所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可以通過(guò)信號(hào)導(dǎo)出接口導(dǎo)出。信號(hào)顯示單元可以在本地實(shí)時(shí)顯示行車(chē)的工作參數(shù)，并通過(guò)車(chē)間攝像頭實(shí)時(shí)顯示行車(chē)的工作狀態(tài)畫(huà)面。當(dāng)行車(chē)的工作參數(shù)達(dá)到臨近極限狀態(tài)時(shí)，控制輸出單元進(jìn)行預(yù)警，達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)進(jìn)行報(bào)警并切斷工作電路。

遠(yuǎn)程傳輸模塊利用WIFI無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息采集模塊、本地監(jiān)控模塊及遠(yuǎn)程服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行高速可靠傳輸。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由多個(gè)分布在船廠中的無(wú)線路由器組成。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是利用WIFI無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)與多個(gè)區(qū)域的本地監(jiān)控系統(tǒng)之間的通信，可以對(duì)船廠所有車(chē)間行車(chē)的狀態(tài)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)，同時(shí)可以實(shí)時(shí)地發(fā)送控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程統(tǒng)一管理。

4 結(jié)論

為了確保船廠車(chē)間作業(yè)的安全生產(chǎn)，提高橋式起重機(jī)的安全監(jiān)控管理，本文設(shè)計(jì)了基于WIFI的船廠橋式起重機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)中包括信息采集模塊、信息處理模塊、本地監(jiān)控模塊、遠(yuǎn)程傳輸模塊和遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊，可以實(shí)現(xiàn)行車(chē)的工作參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示、歷史查詢、及時(shí)報(bào)警、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)行車(chē)運(yùn)行過(guò)程中存在的問(wèn)題并解決，有力地提高行車(chē)的操作安全性，保證車(chē)間生產(chǎn)及人員的安全。

本文對(duì)船廠橋式起重機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出了監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)，后續(xù)需要對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的軟硬件展開(kāi)研究，包括系統(tǒng)中各模塊的功能編程、模塊采集卡的采購(gòu)、無(wú)線傳輸模塊、遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)等。

[1] 潘建華. 大型船廠造船門(mén)式起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)[J]. 機(jī)電工程，2014，31(1)：72-75.

[2] 馬成斌，蔣劍鋒，項(xiàng)華芬，等. 智能化控制及GPRS監(jiān)控在橋門(mén)式起重機(jī)安全中的應(yīng)用[J]. 機(jī)械研究與應(yīng)用，2011(4)：156-158.

[3] 鄭夕鍵，于揚(yáng)，張國(guó)忠. 基于PLC的塔式起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2007，20(5)：143-144.

2016-10-15

毛久昌(1973—)，男，工程師，主要從事船廠生產(chǎn)設(shè)備管理技術(shù)。

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