王 翔

（北京科技大學(xué)信息化建設(shè)與管理辦公室，北京 100083）

隨著世界工業(yè)全球化和一體化的深入發(fā)展，傳統(tǒng)制造業(yè)正向定制化、高端化、智能化方向轉(zhuǎn)型，機(jī)械制造產(chǎn)品升級(jí)市場(chǎng)潛力巨大。起重機(jī)械行業(yè)作為制造業(yè)的重要組成部分，其技術(shù)性貿(mào)易壁壘，已從早期的功能性、標(biāo)準(zhǔn)性延伸到安全性、持續(xù)性等領(lǐng)域。起重機(jī)設(shè)備全生命周期的安全、可控、精準(zhǔn)、高效成為技術(shù)發(fā)展的突破方向，也是提高企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。

目前，我國(guó)已迅速發(fā)展成為世界工程機(jī)械大國(guó)，整機(jī)指標(biāo)已位居世界前列，超大噸位、超長(zhǎng)臂架的起重機(jī)械相繼研制完成并投入使用。起重機(jī)械具有較大危險(xiǎn)性，因此被列入特種設(shè)備來(lái)進(jìn)行監(jiān)管。據(jù)統(tǒng)計(jì)，起重機(jī)械事故率一直位于八大類(lèi)特種設(shè)備之首。為保證施工效率、提高施工過(guò)程中的設(shè)備與人身安全，國(guó)家質(zhì)檢總局辦公廳、安全監(jiān)督總局辦公廳聯(lián)合下發(fā)了《關(guān)于公布<安裝安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的大型起重機(jī)械目錄>和做好2015年大型起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)推廣應(yīng)用與試點(diǎn)工作的通知》（質(zhì)檢特聯(lián)[2015]192號(hào)），文件要求100t 以上的門(mén)式起重機(jī)，需要安裝安全監(jiān)控管理系統(tǒng)，并進(jìn)行調(diào)試驗(yàn)證，對(duì)設(shè)備的智能控制、實(shí)時(shí)監(jiān)控與維護(hù)技術(shù)提出了更高的要求。文章針對(duì)起重機(jī)設(shè)備施工過(guò)程中遇到的整機(jī)傾翻、電控系統(tǒng)失穩(wěn)、故障狀態(tài)快速識(shí)別等難題，圍繞施工安全規(guī)劃、系統(tǒng)安全評(píng)估、作業(yè)安全監(jiān)控展開(kāi)研究，設(shè)計(jì)了一套全新智能化起重機(jī)安全監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)和信息化管理系統(tǒng)，能夠全方位監(jiān)控起重機(jī)的安全運(yùn)行，包括起重機(jī)起重量、運(yùn)行行程、偏斜、環(huán)境風(fēng)速等大功能，能夠提供起重機(jī)工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)預(yù)警和控制，是集精密測(cè)量、人工智能、自動(dòng)控制等多種高新技術(shù)于一體的電子系統(tǒng)產(chǎn)品和信息管理系統(tǒng)。

起重機(jī)械狀態(tài)總則可參照GB/T 25196.1—2010《起重機(jī)狀態(tài)監(jiān)控第1部分：總則》，該標(biāo)準(zhǔn)以綜述的方式規(guī)定了較為完善的監(jiān)控范圍，由于起重機(jī)械種類(lèi)繁多，各類(lèi)起重機(jī)械可根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)參照?qǐng)?zhí)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。結(jié)合調(diào)研和工程實(shí)踐，可采用基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)警的成熟體系實(shí)現(xiàn)起重機(jī)械安全監(jiān)控方案。

1 起重機(jī)智能安全監(jiān)控系統(tǒng)

起重機(jī)智能安全監(jiān)控系統(tǒng)主要包括3部分：吊點(diǎn)的視頻監(jiān)控部分；運(yùn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)、歷史信息、實(shí)時(shí)報(bào)警的全面安全監(jiān)控管理部分；起重機(jī)的圖紙管理、備件管理、設(shè)備維護(hù)管理、壽命管理等模塊的信息管理部分。

1.1 起重機(jī)視頻監(jiān)控部分

在起重機(jī)司機(jī)目視有困難的情況下，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況選擇合適的攝像機(jī)將吊點(diǎn)等關(guān)鍵部位通過(guò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)顯示在司機(jī)室顯示屏上，避免由于目視不清導(dǎo)致的安全事故。同時(shí)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)將起重機(jī)運(yùn)行過(guò)程的視頻信息記錄下來(lái)，方便對(duì)起重機(jī)運(yùn)行過(guò)程、事故的回查、追溯。

1.2 起重機(jī)安全監(jiān)控管理部分

起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)在滿(mǎn)足GB/T 28264—2017《起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)起重機(jī)使用過(guò)程中的實(shí)際安全問(wèn)題，并結(jié)合用戶(hù)的實(shí)際需要，對(duì)起重機(jī)進(jìn)行全面的、可靠的、高于標(biāo)準(zhǔn)的安全監(jiān)控管理。起重機(jī)安全監(jiān)控管理并不僅是對(duì)起重機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行簡(jiǎn)單的顯示和記錄，而是對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、處理，充分滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)起重機(jī)安全運(yùn)行的需要。

1.3 起重機(jī)信息管理部分

起重機(jī)信息管理系統(tǒng)主要針對(duì)起重機(jī)用戶(hù)在設(shè)備運(yùn)行、維護(hù)、保養(yǎng)過(guò)程中面臨的實(shí)際問(wèn)題，為各類(lèi)起重機(jī)量身定制的集文件管理、設(shè)備保養(yǎng)管理、壽命管理、數(shù)據(jù)分析等為一體的信息化管理系統(tǒng)，解決了起重機(jī)的運(yùn)行安全、維保等問(wèn)題，提高了用戶(hù)的起重機(jī)管理水平。

2 方案技術(shù)內(nèi)容

該方案包含了一些列設(shè)備，元器件和線(xiàn)路改造和建設(shè)，同時(shí)設(shè)計(jì)有對(duì)應(yīng)的軟件系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理和分析。

2.1 硬件設(shè)備和電子器件

方案中涉及到的各類(lèi)設(shè)備、電子器件主要由以下幾個(gè)單元組成。

2.1.1 安全監(jiān)控管理系統(tǒng)基本單元

該單元主要有敞開(kāi)式電氣屏、嵌入式工控機(jī)、顯示器、硬盤(pán)錄像機(jī)、繼電器組、接線(xiàn)端子組、微型斷路器、浪涌保護(hù)器、24 V 直流電源、電機(jī)保護(hù)器、交換機(jī)、硬盤(pán)錄像機(jī)、不間斷電源、控制變壓器、起升高度顯示儀表、大車(chē)與小車(chē)行程顯示儀表、主起升轉(zhuǎn)速顯示儀表等。

2.1.2 采集單元

更換主起升、副起升旋轉(zhuǎn)限位開(kāi)關(guān)，加裝正交編碼器；加裝主起升電機(jī)轉(zhuǎn)速接近開(kāi)關(guān)；加裝起升制動(dòng)器位置接近開(kāi)關(guān)；加裝大、小車(chē)行程檢測(cè)正交編碼器；在控制屏的接觸器加裝輔助觸點(diǎn)，不與現(xiàn)有電控系統(tǒng)發(fā)生直接連接。

2.2 軟件模塊及功能

2.2.1 報(bào)警事件模塊

該模塊主要是對(duì)起重機(jī)的相關(guān)異常狀態(tài)設(shè)計(jì)報(bào)警條件和管理報(bào)警信息，實(shí)時(shí)報(bào)警，歷史報(bào)警查詢(xún)，報(bào)警變量配置，報(bào)警解決方案，報(bào)警事件統(tǒng)計(jì)，報(bào)警事件跟蹤回放，使用頻次、累計(jì)時(shí)間超預(yù)限報(bào)警。報(bào)表輸出，截圖保存。主要具有以下功能。

（1）起升機(jī)構(gòu)報(bào)警條件：超載報(bào)警，電機(jī)超速報(bào)警，起升極限報(bào)警，機(jī)構(gòu)電源斷路器報(bào)警，裝置故障報(bào)警，操作臺(tái)故障報(bào)警。

（2）運(yùn)行機(jī)構(gòu)報(bào)警：運(yùn)行極限報(bào)警，防碰撞報(bào)警，機(jī)構(gòu)電源斷路器報(bào)警，裝置故障報(bào)警，操作臺(tái)故障報(bào)警，門(mén)開(kāi)關(guān)報(bào)警。

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

（4）實(shí)時(shí)報(bào)警信息：實(shí)時(shí)報(bào)警信息顯示在界面的上方，記錄有報(bào)警變量，PLC 的I/O 地址，當(dāng)前報(bào)警時(shí)間，精確到0.1 s。報(bào)警發(fā)生時(shí)間，報(bào)警解除時(shí)間，報(bào)警處理狀態(tài)記錄。

（5）歷史報(bào)警查詢(xún)：通過(guò)時(shí)間搜索查詢(xún)，變量搜索查詢(xún)，機(jī)構(gòu)搜索查詢(xún)。報(bào)警發(fā)生時(shí)間，報(bào)警解除時(shí)間。

（6）歷史報(bào)警事件統(tǒng)計(jì)：截至當(dāng)前，每個(gè)報(bào)警變量的累計(jì)次數(shù)。在報(bào)警欄，報(bào)警解決方案選項(xiàng)，彈出故障解決導(dǎo)航文本，可編輯；點(diǎn)擊跟蹤可以回放事件默認(rèn)前2s 后8s，所有變量信息。歷史追溯曲線(xiàn)，回放數(shù)據(jù)表。

（7）使用頻次累計(jì)時(shí)間預(yù)限報(bào)警：元件設(shè)定的工作頻次預(yù)限，工作時(shí)間預(yù)限，超過(guò)預(yù)限，彈出報(bào)警，預(yù)限清零。

（8）變量報(bào)警配置：開(kāi)關(guān)狀態(tài)，模擬量設(shè)限，設(shè)定頻次和累計(jì)時(shí)間等。

2.2.2 事件回放模塊

回放數(shù)據(jù)采樣周期100 ms。回放追溯曲線(xiàn)，時(shí)間軸（水平），數(shù)值軸（垂直），設(shè)置回放按鍵，前進(jìn)按鍵，后退按鍵，暫停鍵，停止按鍵。并列4組回放追溯曲線(xiàn)，可以是任意變量，方便維護(hù)人員比對(duì)相關(guān)變量；回放數(shù)據(jù)表查詢(xún)：按機(jī)構(gòu)查詢(xún)，按單一變量查詢(xún)，時(shí)間最小單位0.1 s。支持報(bào)表輸出，并可以截圖進(jìn)行保存。

2.2.3 實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊

該模塊由總覽界面、各機(jī)構(gòu)界面、控制流程界面、動(dòng)力供電界面和通信界面組成，主要監(jiān)控以下相關(guān)信息：

（1）起升機(jī)構(gòu)包括超載報(bào)警，電機(jī)超速報(bào)警，電機(jī)過(guò)熱報(bào)警，起升極限報(bào)警，機(jī)構(gòu)電源斷路器報(bào)警，裝置故障報(bào)警，操作臺(tái)故障報(bào)警信息等。

（2）各類(lèi)控制信息包括控制接觸器，制動(dòng)接觸器，制動(dòng)器狀態(tài)，機(jī)構(gòu)斷路器，主令開(kāi)關(guān)，操作按鈕，速度給定，裝置狀態(tài)字，裝置參數(shù)電流、電壓、轉(zhuǎn)速，起升高度，起升重量，工作循環(huán)。

（3）各類(lèi)運(yùn)行機(jī)構(gòu)包括運(yùn)行極限報(bào)警、防碰撞報(bào)警、電機(jī)熱繼報(bào)警、機(jī)構(gòu)電源斷路器報(bào)警、裝置故障報(bào)警、操作臺(tái)故障報(bào)警、門(mén)開(kāi)關(guān)報(bào)警。

2.2.4 系統(tǒng)配置模塊

在進(jìn)行核設(shè)施的生物輻射影響評(píng)價(jià)時(shí)，需要考慮放射源釋放出放射性核素的過(guò)程、核素在環(huán)境中的擴(kuò)散過(guò)程、核素從環(huán)境向生物體及其在生物體中的傳輸過(guò)程、生物體中的核素產(chǎn)生輻照劑量的過(guò)程以及最終輻射劑量產(chǎn)生生物效應(yīng)的過(guò)程，如圖1所示。在這些過(guò)程中，放射源、環(huán)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(cè)量得到，某些情況下則要根據(jù)上一環(huán)節(jié)的數(shù)值來(lái)進(jìn)行計(jì)算。將生物輻射影響評(píng)價(jià)的計(jì)算過(guò)程制成計(jì)算機(jī)軟件，可以方便使用，推廣應(yīng)用。

主要包括PLC 通信和OPC 通信組件配置、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)配置、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)配置、時(shí)間數(shù)據(jù)庫(kù)配置、數(shù)據(jù)報(bào)表配置、變量屬性配置。

3 軟件實(shí)現(xiàn)及流程

主要功能及流程見(jiàn)圖1。

圖1 軟件功能流程

3.1 創(chuàng)建表格模板和記錄體

在組態(tài)王工程瀏覽器中的SQL 訪(fǎng)問(wèn)管理器點(diǎn)擊表格模板。在右側(cè)目錄內(nèi)容中雙擊“新建”創(chuàng)建一個(gè)名稱(chēng)為“table1”且字段為“日期”“時(shí)間”“主起升上升限位”“主起升下降限位”“主起升超速保護(hù)”“主起升制動(dòng)器限位”“主起升超力矩開(kāi)關(guān)信號(hào)”“主起升起重量限位”“主起升起重量”等31項(xiàng)的表格。注意：當(dāng)編輯字段名稱(chēng)時(shí)，應(yīng)與新建組態(tài)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?jīng)Q定了ACCESS 數(shù)據(jù)庫(kù)的表格格式。同樣在SQL 管理器中點(diǎn)擊記錄體，在右側(cè)目錄內(nèi)容中雙擊“新建”，創(chuàng)建一個(gè)名稱(chēng)為“bind1”的記錄體。其字段名稱(chēng)與表格模板中的字段相對(duì)應(yīng)。

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)的連接

在工程瀏覽器窗口的數(shù)據(jù)詞典中定義一個(gè)內(nèi)存整型變量（DeviceID），然后在工程瀏覽器命令語(yǔ)言的應(yīng)用程序命令語(yǔ)言的啟動(dòng)時(shí)輸入如下命令語(yǔ)言使組態(tài)王與起重機(jī)數(shù)據(jù)源建立連接。接著在SQL 畫(huà)面中添加一個(gè)按鈕，按鈕文本為：創(chuàng)建表格。在按鈕的彈起事件中輸入如下命令語(yǔ)言。上述命令語(yǔ)言的作用是以表格模板“table1”的格式在數(shù)據(jù)庫(kù)中建立名為“起重機(jī)數(shù)據(jù)”的表格。此命令語(yǔ)言只需執(zhí)行一次即可，如果表格模板有改動(dòng)，需要用戶(hù)先將數(shù)據(jù)庫(kù)中的表格刪除才能重新創(chuàng)建。接著在工程瀏覽器命令語(yǔ)言的應(yīng)用程序命令語(yǔ)言的運(yùn)行時(shí)輸入如下命令語(yǔ)言，作用是在系統(tǒng)運(yùn)行階段每100 ms 往表格“起重機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)”中插入一組新的數(shù)據(jù)。

3.3 開(kāi)關(guān)量設(shè)置

工程瀏覽器左欄中單擊“數(shù)據(jù)字典”，在數(shù)據(jù)字典中新定義變量，系統(tǒng)中各個(gè)限位器故障點(diǎn)接入PLC均為干接點(diǎn)開(kāi)關(guān)量信號(hào)，在組態(tài)王中選擇開(kāi)關(guān)類(lèi)型為I/O 離散型，連接設(shè)備選擇在前面所配置的C200HE，寄存器選擇IR 寄存器，地址對(duì)應(yīng)PLC 梯形圖中所對(duì)應(yīng)的地址。讀寫(xiě)類(lèi)型選擇只讀，數(shù)據(jù)類(lèi)型為位讀取。按照如上步驟建立開(kāi)關(guān)量采集點(diǎn)數(shù)據(jù)字典。

3.4 模擬量設(shè)置

系統(tǒng)中起重量傳感器、風(fēng)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(hào)，在組態(tài)王中選擇開(kāi)關(guān)類(lèi)型為I/O 實(shí)數(shù)型，連接設(shè)備選擇在前面所配置的C200HE，寄存器選擇DM 寄存器，地址對(duì)應(yīng)采集點(diǎn)PLC 梯形圖中采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)區(qū)域。讀寫(xiě)類(lèi)型選擇只讀，數(shù)據(jù)類(lèi)型為USHORT。AD003模塊的分辨率為1/4000，將變量最小原始值設(shè)置成0，最大原始值設(shè)置成4000。最小值和最大值分別表示實(shí)際需要測(cè)量的量程。

3.5 自診斷技術(shù)

在事件命令語(yǔ)言中編寫(xiě)如下代碼，下面以上升為例說(shuō)明。

發(fā)生時(shí)代碼實(shí)現(xiàn)的功能是：事件發(fā)生時(shí)記錄開(kāi)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(lái)顯示同時(shí)記錄實(shí)時(shí)起重量。

結(jié)束時(shí)代碼實(shí)現(xiàn)的功能是：記錄該事件的結(jié)束事件，并連同開(kāi)始事件、操作相等一同插入數(shù)據(jù)庫(kù)“操作相”表格中。然后將右手柄操作恢復(fù)：默認(rèn)狀態(tài)：“未操作”。\本站點(diǎn)終止時(shí)間=\本站點(diǎn)$時(shí)間；\本站點(diǎn)開(kāi)始時(shí)間=\本站點(diǎn)開(kāi)始時(shí)間1；\本站點(diǎn)操作相=\本站點(diǎn)右手柄操作。

4 結(jié)束語(yǔ)

本方案經(jīng)過(guò)上海某港口機(jī)械有限公司進(jìn)行了建設(shè)應(yīng)用，界面如圖2，設(shè)計(jì)建設(shè)了如下子模塊工程：實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控、故障報(bào)警、歷史故障查詢(xún)、操作記錄查詢(xún)等，同時(shí)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)可擴(kuò)展性，預(yù)留了足夠的接口，滿(mǎn)足了港口作業(yè)對(duì)起重機(jī)整個(gè)安全監(jiān)控系統(tǒng)的要求。截止目前安全監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，經(jīng)歷了嚴(yán)冬、酷夏和臺(tái)風(fēng)等惡劣環(huán)境，監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好。在將來(lái)的工作中，準(zhǔn)備進(jìn)一步完善遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程管理及其他方面的工作，把管—控一體化新思路，應(yīng)用到起重機(jī)械的安全監(jiān)控領(lǐng)域中，為工業(yè)生產(chǎn)中的起重機(jī)安全做到保駕護(hù)航的作用。

圖2 港口起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)界面示意