李書強(qiáng) 王昭勝 宋祥吉 余珍勝 韓 旭

青島海西重機(jī)有限責(zé)任公司

1 引言

港口裝卸起重機(jī)設(shè)備管理能力直接關(guān)系到港口裝卸效率，是體現(xiàn)港口集成化、智能化、自動化水平的關(guān)鍵。起重機(jī)具有大型化、重載化、高速化等特點(diǎn)，存在多種安全隱患，需要一種包含狀態(tài)監(jiān)測和健康檢測的系統(tǒng)來有效地監(jiān)測管理起重機(jī)[1]。

目前，國內(nèi)外起重機(jī)安全健康監(jiān)測系統(tǒng)多針對應(yīng)力檢測和振動溫度檢測，系統(tǒng)功能參差不齊且管理起重機(jī)數(shù)量較少[2]，需進(jìn)一步提高和完善系統(tǒng)整體功能。結(jié)合系統(tǒng)研發(fā)現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢，提出了一種功能全面的起重機(jī)智能感知及健康檢測系統(tǒng)，主要包括設(shè)備狀態(tài)、應(yīng)力檢測、振動溫度監(jiān)測、智能潤滑、鋼絲繩自檢五大功能，可監(jiān)測管理多臺起重機(jī)，對加快全自動化港口的發(fā)展具有一定意義。

2 系統(tǒng)設(shè)計路徑

大部分港口起重機(jī)均處在工作環(huán)境惡劣、重載、連續(xù)作業(yè)的狀態(tài)，對整機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)構(gòu)、電氣元器件、安全保護(hù)裝置等設(shè)施狀況的監(jiān)測和管理，尤其是對老舊或自動化水平較高的起重機(jī)設(shè)備的監(jiān)測和管理提出了更高的設(shè)計要求。

為實現(xiàn)多臺起重機(jī)設(shè)備的狀態(tài)與健康監(jiān)控并滿足作業(yè)環(huán)境苛刻、運(yùn)作時間長、裝卸效率高等工況需求，提高設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性和港口裝卸效率，根據(jù)起重機(jī)運(yùn)行工況和設(shè)備設(shè)施特點(diǎn)，圍繞起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)、機(jī)械系統(tǒng)(起升、運(yùn)行機(jī)構(gòu)等)、控制系統(tǒng)(電氣或液壓系統(tǒng)等)，從功能角度出發(fā)來分析港口起重機(jī)的智能感知及健康監(jiān)測系統(tǒng)平臺的設(shè)計需求和實施方法。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計

3.1 起重機(jī)設(shè)備智能感知功能

3.1.1 鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測

鋼結(jié)構(gòu)長期受交變應(yīng)力影響導(dǎo)致起重機(jī)主要受力構(gòu)件點(diǎn)疲勞擴(kuò)張，當(dāng)損傷量達(dá)到一定程度后就會引發(fā)鋼結(jié)構(gòu)斷裂事故?？紤]到起重機(jī)服役年限不同，鋼結(jié)構(gòu)故障需綜合利用應(yīng)力檢測和壽命估算兩種方法進(jìn)行預(yù)防，按照特級安全級、安全級、臨界級、危險級4個等級評估鋼結(jié)構(gòu)健康。

應(yīng)力檢測利用有限元軟件分析整機(jī)鋼結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵點(diǎn)，在應(yīng)力較大處放置應(yīng)變儀和軸向振動傳感器，實時監(jiān)視特征信號異常的數(shù)據(jù)，保證鋼結(jié)構(gòu)的整體安全性。壽命估算由歷史工況和即時工況疊加計算后得到。

3.1.2 傳動系統(tǒng)檢測

傳動系統(tǒng)一般由減速箱、卷筒軸承、車輪驅(qū)動、車輪軸承等構(gòu)件組成。當(dāng)傳動部件出現(xiàn)系統(tǒng)缺陷或各構(gòu)件發(fā)生損傷時，影響起重機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和整體平衡。因此，需要在驅(qū)動減速箱、軸承、車輪等關(guān)鍵傳動部件進(jìn)行監(jiān)測，對傳動部件工作有效性、可靠性進(jìn)行分析、診斷，及時預(yù)判故障的發(fā)生，降低停機(jī)或發(fā)生重大事故的概率。

首先在傳動系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，利用力學(xué)分析法或應(yīng)用許用應(yīng)力分析法對磨損、損傷進(jìn)行核算分析。然后在驅(qū)動減速箱、關(guān)鍵軸承、車輪等測點(diǎn)放置振動/溫度一體傳感器，實時采集傳動部位的特征參數(shù)，通過振動溫度檢測技術(shù)實現(xiàn)傳動部件失效性故障的監(jiān)測。最后為保證部件傳動正常還應(yīng)配置一套智能潤滑系統(tǒng)，根據(jù)起重機(jī)作業(yè)情況，對軸承、齒輪、滑輪等部件定時、定壓、定量進(jìn)行潤滑；同時采集、顯示潤滑系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，實時監(jiān)控其運(yùn)行狀態(tài)。

3.1.3 鋼絲繩自檢

鋼絲繩是起重機(jī)安全作業(yè)的重要構(gòu)件之一，其自檢功能應(yīng)滿足在工作狀態(tài)時自動進(jìn)行實時監(jiān)測，當(dāng)出現(xiàn)設(shè)定的損傷量時，發(fā)出報警并提示采取相應(yīng)措施；在非工作狀態(tài)時應(yīng)定期對各種缺陷進(jìn)行檢測并生成報告，對延長自身壽命、減少安全事故具有重要意義。

針對該設(shè)備自檢需求，應(yīng)選取、設(shè)置多個關(guān)鍵測點(diǎn)，利用由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)診斷和維護(hù)單元形成完整的檢測體系達(dá)到監(jiān)測關(guān)鍵測點(diǎn)的目的，并實現(xiàn)鋼絲繩運(yùn)行狀態(tài)顯示、預(yù)警評估信息顯示、故障報警和定期監(jiān)測狀態(tài)顯示功能。

3.1.4 電氣元器件監(jiān)控功能分析

由于接觸器、驅(qū)動器、電機(jī)等電氣元器件開閉頻繁、壽命有限且不易檢修更換，而系統(tǒng)能夠及時預(yù)估電氣元器件的老化程度是保證控制系統(tǒng)健康的關(guān)鍵之一，故系統(tǒng)應(yīng)具備電氣元器件壽命監(jiān)測功能。

通過讀取控制系統(tǒng)內(nèi)部和傳感器所采集的電流、電壓、速度等特征參數(shù)，結(jié)合起重機(jī)運(yùn)行周期、負(fù)載率、起重負(fù)荷等關(guān)鍵運(yùn)行數(shù)據(jù)，利用微控制器對特征參數(shù)進(jìn)行篩選統(tǒng)計。最后根據(jù)診斷報告發(fā)出相關(guān)元器件的預(yù)警/報警功能，提示操作員進(jìn)行檢查、檢修或更換。

3.1.5 安全保護(hù)裝置監(jiān)測

除鋼結(jié)構(gòu)、機(jī)械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)外，起重機(jī)還利用安全聯(lián)鎖裝置、風(fēng)速儀、超負(fù)荷保護(hù)、自動消防、視頻監(jiān)控、電氣房環(huán)境監(jiān)測等保護(hù)裝置，對起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行聯(lián)鎖保護(hù)和外部狀態(tài)監(jiān)視，及時發(fā)現(xiàn)起重機(jī)內(nèi)外環(huán)境中的安全隱患，進(jìn)而保證起重機(jī)正常運(yùn)行。

這些安全裝置的狀態(tài)直接影響起重機(jī)安全運(yùn)行的健康狀況，系統(tǒng)首先針對這些不同類型裝置、系統(tǒng)和傳感器，通過通訊接口采集裝置和系統(tǒng)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，進(jìn)而利用A/D轉(zhuǎn)換模塊將傳感器模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最終對數(shù)字信號進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化管理并傳輸至中控室，根據(jù)不同設(shè)定參數(shù)實現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)顯示、預(yù)警評估信息顯示、故障報警等功能。

3.2 起重機(jī)健康診斷功能

3.2.1 運(yùn)行狀態(tài)管理

為保證岸邊、堆場多臺多種類起重機(jī)裝卸工作安全運(yùn)行，系統(tǒng)應(yīng)建立包含起重機(jī)類型、起重機(jī)編號、起重機(jī)機(jī)構(gòu)、起重機(jī)設(shè)備的安全健康管理檔案，主要監(jiān)測、獲取設(shè)備感知信息和電氣控制系統(tǒng)運(yùn)行信息。其中電氣控制運(yùn)行信息監(jiān)測利用CMS管理系統(tǒng)直接讀取PLC控制信號，動態(tài)監(jiān)測負(fù)載、運(yùn)行方向、電機(jī)溫控、安全聯(lián)鎖、電氣開關(guān)、網(wǎng)絡(luò)通訊等狀態(tài)信息，匯集到系統(tǒng)實現(xiàn)狀態(tài)回放、故障收集、故障查詢等管理功能并生成相應(yīng)的文檔信息。

3.2.2 故障診斷及運(yùn)行維護(hù)

起重機(jī)發(fā)生故障時，系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測信息及時提供合理的故障診斷意見，故要求系統(tǒng)具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。為及時排除故障，將健康診斷功能分為故障診斷和運(yùn)行維護(hù)兩個子功能，各子功能文檔信息均包含設(shè)備編號、故障現(xiàn)象、維修內(nèi)容、報修時間、報修人員等信息，可在信息有效期結(jié)束前發(fā)出提醒。

故障診斷，系統(tǒng)根據(jù)故障診斷邏輯圖對不同信息進(jìn)行分類和評估處理，將故障分為常規(guī)故障、非常規(guī)故障兩類且具有相應(yīng)的診斷報告。常規(guī)故障主要為應(yīng)力、振動、溫度、電氣運(yùn)行等異常信息，操作員只需要結(jié)合設(shè)備感知信息進(jìn)行日常維護(hù)檢查，排除異常報警，分析其安全性。非常規(guī)故障分為影響生產(chǎn)或人(環(huán)境)兩類，若故障處僅影響生產(chǎn)效率，應(yīng)及時進(jìn)行維修并定期檢查；若故障處已威脅到人或環(huán)境的安全健康時，應(yīng)及時改造故障處并評估其安全性。

運(yùn)行維護(hù)，根據(jù)設(shè)備工況、設(shè)計規(guī)范、真實案例、維護(hù)經(jīng)驗等資料建立運(yùn)行維護(hù)措施表，使系統(tǒng)根據(jù)故障位置及故障現(xiàn)象采取相應(yīng)維護(hù)措施(見表1)。同時，為方便操作員準(zhǔn)確排除故障還設(shè)置了作業(yè)演示功能。

表1 運(yùn)行維護(hù)措施

4 系統(tǒng)設(shè)計

4.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

智能感知及健康監(jiān)測系統(tǒng)由不同類型傳感器、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、通信模塊、串口通信模塊、電源模塊、工控機(jī)以及PLC控制模塊等構(gòu)成，可以針對起重機(jī)各功能點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，形成完整的起重機(jī)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)信息庫。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集典型框架見圖1。例如，應(yīng)力檢測將測量點(diǎn)產(chǎn)生的應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換、編碼調(diào)制后經(jīng)數(shù)據(jù)匯集網(wǎng)關(guān)利用有線/無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至PC端系統(tǒng)平臺。

圖1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集典型框架圖

4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

為適應(yīng)不同自動化水平的港口(全自動化港口或半自動化港口)并方便操作員查詢起重機(jī)信息，智能感知及健康監(jiān)測系統(tǒng)平臺在系統(tǒng)工作模式上分為自動化模式和單機(jī)模式，在數(shù)據(jù)管理上分為實時數(shù)據(jù)訪問和歷史數(shù)據(jù)查詢兩部分。PC端系統(tǒng)工作界面總體框架見圖2。

圖2 智能感知及健康監(jiān)測系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)平臺主要包含以下子功能：

(1)實時監(jiān)控。實時動態(tài)顯示起重機(jī)在現(xiàn)場的作業(yè)信息顯示，包括設(shè)備編號、設(shè)備作業(yè)狀態(tài)、設(shè)備運(yùn)行狀況、相對位置等信息。

(2)狀態(tài)回放。根據(jù)用戶選擇的時間段，通過歷史數(shù)據(jù)可以回放整機(jī)的歷史運(yùn)行狀態(tài)的實時信息。

(3)生產(chǎn)管理?？筛鶕?jù)班次、時間范圍(天、周、月、年)、裝入(卸出)等條件，實現(xiàn)模糊查詢功能，生成統(tǒng)計報表，并根據(jù)用戶要求生產(chǎn)電子表格。

(4)故障跟蹤。系統(tǒng)設(shè)有故障斷點(diǎn)保護(hù)功能，可存儲故障發(fā)生前數(shù)秒內(nèi)的開關(guān)量和模擬量，并以波形圖的形式表示出來，以作故障分析、排除、現(xiàn)象歸納的依據(jù)。

(5)故障診斷。顯示故障內(nèi)容、時間、具體位置、引起后果、解決方法并顯示相應(yīng)幫助文檔或作業(yè)演示等。

(6)運(yùn)行維護(hù)。系統(tǒng)對損耗元件、用品和周期性維護(hù)保養(yǎng)內(nèi)容的使用時間自動記錄，并與各自的預(yù)防更換和維護(hù)周期相比較，到達(dá)更新時間或維護(hù)周期時，系統(tǒng)自動提醒用戶進(jìn)行設(shè)備的維護(hù)和保養(yǎng)，更換間隔和維護(hù)周期可由用戶調(diào)整。

(7)系統(tǒng)工具。提供系統(tǒng)使用說明等文檔。

5 結(jié)語

從港口設(shè)備健康管理監(jiān)測角度，闡述了整個碼頭起重機(jī)健康監(jiān)測與管理的理念，除傳統(tǒng)設(shè)備振動、應(yīng)力監(jiān)測外，提出了更為廣泛的健康監(jiān)測要素。該系統(tǒng)可兼容、擴(kuò)展至多臺起重機(jī)設(shè)備的監(jiān)測與管理，實現(xiàn)對基本技術(shù)參數(shù)、運(yùn)行臺時、故障預(yù)警、維修信息統(tǒng)計以及備件更換記錄及管理，有效預(yù)防、減少港口重大事故的發(fā)生，為起重機(jī)安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行以及實現(xiàn)碼頭自動化運(yùn)行提供了有力保障，具有較好的推廣前景。