袁 容, 袁卓異, 朱紅求

(1.中南大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083； 2.湖南華博信息技術(shù)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410035)

0 引言

橋式起重機(jī)是一種架設(shè)在工業(yè)生產(chǎn)車(chē)間或貨運(yùn)碼頭等場(chǎng)地的常用重型搬運(yùn)裝備，操作人員也常習(xí)慣上稱(chēng)其為行車(chē)[1]。在2020年全國(guó)特種設(shè)備安全狀況的通告中，起重機(jī)械事故起數(shù)排名前三，且指出多是因?yàn)槭褂霉芾聿划?dāng)、維修檢修及運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的質(zhì)量安全缺陷導(dǎo)致，可見(jiàn)，解決起重機(jī)的管控問(wèn)題非常重要。在起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)起重機(jī)械的安全監(jiān)控管理系統(tǒng)提出了新的、具體的要求[2]。為了提高行車(chē)作業(yè)的安全性和自動(dòng)化程度，開(kāi)發(fā)起重機(jī)的安全監(jiān)控管理系統(tǒng)十分必要。

傳統(tǒng)的有色金屬電解車(chē)間是離散生產(chǎn)模式的典型代表，生產(chǎn)設(shè)備之間的信息非互聯(lián)互通，執(zhí)行生產(chǎn)作業(yè)時(shí)聯(lián)動(dòng)性較差。近些年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的迅速發(fā)展，以計(jì)算機(jī)為核心的集中監(jiān)控管理系統(tǒng)日益發(fā)展，并逐步獲得了認(rèn)可及應(yīng)用[3-4]。何好平等以金隆銅業(yè)的銅電解車(chē)間為對(duì)象，介紹了過(guò)程級(jí)、生產(chǎn)級(jí)和企業(yè)級(jí)為架構(gòu)的三層信息管理系統(tǒng)[5]。王志勇介紹了用于港口起重機(jī)械上的無(wú)線(xiàn)起重機(jī)監(jiān)控管理系統(tǒng)，提高了信息化管理水平[6]。于智超、潘健華將圖像處理、視頻監(jiān)控等技術(shù)應(yīng)用于門(mén)式橋式起重機(jī)中，減少了安全事故的發(fā)生[7,8]。馬志鵬等采用系統(tǒng)工程的方法，使監(jiān)控管理系統(tǒng)的整體與局部之間的關(guān)系能協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行[9]。

本文以電解車(chē)間橋式起重機(jī)為對(duì)象，貫徹"標(biāo)準(zhǔn)化提升管理，信息化減人增效"理念，實(shí)現(xiàn)對(duì)電解行車(chē)控制的可視化、可量化和故障可預(yù)防[10]，以提高其安全性能和作業(yè)效率、改善車(chē)間智能化水平為目標(biāo)，采集了電解行車(chē)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)并進(jìn)行科學(xué)的數(shù)據(jù)分析，構(gòu)建與生產(chǎn)作業(yè)信息相適應(yīng)的安全監(jiān)控及信息管理系統(tǒng)。系統(tǒng)能實(shí)時(shí)地監(jiān)控行車(chē)運(yùn)行情況，進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)及預(yù)警，進(jìn)一步提升行車(chē)的安全性能，保障作業(yè)人員的人身安全，且能提高工作效率，達(dá)到資源效益最大化。結(jié)合電解生產(chǎn)的工況，搭建以PLC為核心的硬件系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)一套電解橋式起重機(jī)的安全監(jiān)控管理系統(tǒng)，以保證起重機(jī)的無(wú)事故、高效穩(wěn)定運(yùn)行，提高作業(yè)的安全性和智能化。

1 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)

安全監(jiān)控管理系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)橋式起重機(jī)重要運(yùn)行參數(shù)及安全狀態(tài)的記錄，以及相關(guān)數(shù)據(jù)信息的分析顯示，必須具有信號(hào)采集及信號(hào)處理單元、控制輸出及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、信號(hào)顯示及信號(hào)導(dǎo)出單元。系統(tǒng)總體架構(gòu)圖如下圖1所示，主要由運(yùn)動(dòng)控制硬件系統(tǒng)和監(jiān)控管理軟件系統(tǒng)組成，硬件系統(tǒng)包括設(shè)備采集及控制處理單元，用來(lái)控制及感知起重機(jī)的運(yùn)行工況，數(shù)據(jù)經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行可靠性傳輸，通過(guò)軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)圖形化分析與展示，并根據(jù)需求進(jìn)行報(bào)警、數(shù)據(jù)備份等處理。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

1.1 下位機(jī)系統(tǒng)

下位機(jī)是系統(tǒng)中的智能采集設(shè)備，其與行車(chē)運(yùn)行過(guò)程所需的傳感及控制設(shè)備結(jié)合，實(shí)時(shí)采集重要參數(shù)并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò)上傳至上位機(jī)。PLC選用德國(guó)Siemens的S7系列產(chǎn)品，并根據(jù)系統(tǒng)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)及存儲(chǔ)容量等要求，對(duì)電源模塊PM1507 、CPU 1513-1PN、MMC存儲(chǔ)卡、數(shù)字量輸入/輸出、TP1500觸摸屏等進(jìn)行選型和組態(tài)。

此外，構(gòu)建完整的下位機(jī)系統(tǒng)，其他檢測(cè)和控制設(shè)備也是必不可少的。起重機(jī)各運(yùn)行機(jī)構(gòu)均為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，選用瑞士高性能特點(diǎn)的ABB變頻器，提供高效率及高精度的速度控制；根據(jù)位移測(cè)量精度及距離的要求，大小車(chē)選用勞易測(cè)AMS系列激光測(cè)距儀，起升選擇測(cè)量范圍大的多圈絕對(duì)值編碼器。其中，可編程邏輯控制器PLC進(jìn)行控制并采集傳感及驅(qū)動(dòng)設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳；激光測(cè)距儀用于大車(chē)位置感知，絕對(duì)值編碼器用于吊具位置，這些傳感設(shè)備直接監(jiān)測(cè)被控對(duì)象的數(shù)據(jù)，并與采集控制設(shè)備相連上傳數(shù)據(jù)；變頻器和交流異步電機(jī)等驅(qū)動(dòng)設(shè)備通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通信，保障起重機(jī)工作運(yùn)行；觸摸屏和監(jiān)控管理系統(tǒng)可用于監(jiān)控與控制，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

1.2 上位機(jī)系統(tǒng)

上位機(jī)系統(tǒng)位于中控室，主要由PC機(jī)、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備等硬件組成。PLC與變頻器、擴(kuò)展模塊等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議進(jìn)行通信，完成對(duì)起重機(jī)各個(gè)機(jī)構(gòu)的控制，并將處理后生成的信息上傳給上位機(jī)，上位機(jī)接收信息后，進(jìn)行進(jìn)一步加工、處理并顯示在人機(jī)界面上，供用戶(hù)管理分析。上位機(jī)與PLC則可通過(guò)以太網(wǎng)模塊進(jìn)行工業(yè)以太網(wǎng)通信，安全監(jiān)控管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)將獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和組織，并通過(guò)圖像、報(bào)表等形式呈現(xiàn)給用戶(hù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控管理系統(tǒng)的首要基本功能。同時(shí)，上位機(jī)可以接受作業(yè)人員的指示，達(dá)到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程控制管理的目的，且主要參數(shù)可根據(jù)需求，經(jīng)過(guò)處理后保存在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，便于歷史查詢(xún)分析使用，為優(yōu)化調(diào)度及生產(chǎn)管理提供數(shù)據(jù)支撐。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況及需求分析可知，系統(tǒng)需要采集和監(jiān)控的主要參數(shù)包括起重量、起升高度以及速度、大小車(chē)運(yùn)行狀態(tài)及其運(yùn)行行程、制動(dòng)器狀態(tài)及累計(jì)工作時(shí)長(zhǎng)等，通過(guò)分析處理后可上傳顯示，供作業(yè)人員及管理人員及時(shí)掌握起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，也可為進(jìn)一步提高起重機(jī)自動(dòng)化及智能化提供支撐，便于后續(xù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電解行車(chē)的定位防擺及防滑等控制。

2 軟件設(shè)計(jì)

安全監(jiān)控管理系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)層、傳輸接入層、業(yè)務(wù)邏輯層和應(yīng)用層等幾部分組成。其中，數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)層主要完成下位機(jī)數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換等功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的訪(fǎng)問(wèn)和存儲(chǔ)；傳輸接入層主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的穩(wěn)定及可靠性傳輸；業(yè)務(wù)邏輯層主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體的監(jiān)控、管理及控制等功能，分清各模塊之間的功能及主要任務(wù)，為系統(tǒng)的核心和主要部分；應(yīng)用層則實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和相應(yīng)的控制功能。橋式起重機(jī)的運(yùn)行工況通過(guò)數(shù)據(jù)采集與分析，網(wǎng)絡(luò)傳輸與控制應(yīng)用等功能，將數(shù)據(jù)結(jié)果圖形化顯示出來(lái)，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、工作內(nèi)容的監(jiān)控和工作量的統(tǒng)計(jì)，有效提高生產(chǎn)管理水平。

2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)概要設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)概要設(shè)計(jì)是為了在系統(tǒng)需求的基礎(chǔ)上，將起重機(jī)具體的研究對(duì)象抽象為一種數(shù)據(jù)模型，幫助后續(xù)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)理清數(shù)據(jù)的組織架構(gòu)及數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在關(guān)系。通過(guò)前期調(diào)研及分析可得出如圖3的E-R圖，其反映了主要對(duì)象之間的聯(lián)系，顯示了各實(shí)體與屬性之間的關(guān)系。當(dāng)用戶(hù)登錄系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)判斷并提供相應(yīng)的權(quán)限，通過(guò)選定對(duì)應(yīng)的起重機(jī)查看各實(shí)時(shí)狀態(tài)信息及報(bào)警日志，也可通過(guò)歷史查詢(xún)查看特定時(shí)間內(nèi)的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。

圖3 數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)E-R圖

2.2 數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)

通信網(wǎng)絡(luò)在系統(tǒng)中具有重要作用，系統(tǒng)中的各設(shè)備都依靠通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。本文的安全監(jiān)控管理系統(tǒng)采用層次化的設(shè)計(jì)方案，分為現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及車(chē)間管理網(wǎng)絡(luò)，其中，控制站與從站之間采用PROFIBUS-DP通信；控制站與激光測(cè)距儀、變頻器等控制系統(tǒng)之間通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行連接，使用PROFINET通信協(xié)議；控制站與中控室上位機(jī)則通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)通信。該方式可根據(jù)監(jiān)控管理及工業(yè)控制對(duì)網(wǎng)絡(luò)速度及傳輸可靠性的不同要求進(jìn)行相應(yīng)配置，滿(mǎn)足監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的可靠性以及控制信號(hào)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性。

系統(tǒng)硬件組態(tài)中，外設(shè)的絕對(duì)值編碼器信號(hào)、激光測(cè)距儀信號(hào)以及限位開(kāi)關(guān)等信號(hào)控制變頻器的輸出，使行車(chē)的大小車(chē)、吊具按給定的速度和路徑規(guī)劃運(yùn)行，安全高效地進(jìn)行出裝槽作業(yè)。PLC模塊則需要將電源、CPU、開(kāi)關(guān)量輸入輸出、模擬量輸入輸出及通信等模塊進(jìn)行配置，并給每個(gè)模塊分配其物理地址，以方便后續(xù)按需使用，進(jìn)行相應(yīng)端口的數(shù)據(jù)交換傳輸。其中，中控室上位機(jī)通過(guò)HslCommunication組件庫(kù)實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的數(shù)據(jù)通信，其讀寫(xiě)關(guān)鍵程序如下：

1.HslCommunication.OperateResult tmp = siemensTcpNet.Read(adr[i], 4);

2. if (tmp.IsSuccess)

3.{Value[i]=siemensTcpNet.ByteTransform.TransInt32(tmp.Content, 0);

4.SaveData_db(); }

5.else

6. {read=HslCommunication.OperateResult.CreateFailedResult(tmp);

7. failed++;

8.ShowFailedMessage(failed); }

2.3 功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)采用模塊化設(shè)計(jì)思想， 根據(jù)電解行車(chē)的實(shí)際工況需求設(shè)計(jì)了行車(chē)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、槽面信息監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警、歷史查詢(xún)、報(bào)表管理及用戶(hù)管理等模塊。每個(gè)模塊下又分設(shè)多個(gè)子模塊，通過(guò)這些子模塊可以實(shí)現(xiàn)大小車(chē)、起升、電解槽的監(jiān)測(cè)、起重機(jī)故障報(bào)警、數(shù)據(jù)查詢(xún)與分析及用戶(hù)登錄權(quán)限等功能。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)整體的主要功能如下：

(1)用戶(hù)管理：包括登錄和多權(quán)限用戶(hù)的分類(lèi)，實(shí)現(xiàn)了同一個(gè)系統(tǒng)不同用戶(hù)所能使用功能的不同；

(2)監(jiān)控功能：主要包括行車(chē)監(jiān)控和機(jī)組設(shè)備的監(jiān)控，故障報(bào)警功能可以對(duì)系統(tǒng)故障的產(chǎn)生和原因進(jìn)行查看；

(3)信息處理功能：包括槽位信息的處理顯示和報(bào)表功能。

其中，行車(chē)狀態(tài)監(jiān)測(cè)主要實(shí)現(xiàn)行車(chē)實(shí)時(shí)作業(yè)的參數(shù)信息監(jiān)控的功能，界面顯示實(shí)時(shí)情況下起重機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及大車(chē)運(yùn)行速度曲線(xiàn)，并可進(jìn)行導(dǎo)出打印存檔，如圖5所示；歷史查詢(xún)界面主要實(shí)現(xiàn)各監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的歷史查詢(xún)功能，并可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份或刪除等操作，便于對(duì)生產(chǎn)監(jiān)控及故障數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)檢和追溯，為后續(xù)管理及控制提供數(shù)據(jù)支撐，保障風(fēng)險(xiǎn)可控，如圖6所示；槽面信息界面可與電解槽短路檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行通信連接，通過(guò)上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示各槽的工況，判斷是否存在短路情況，并對(duì)檢測(cè)出的故障極板報(bào)警；用戶(hù)管理界面則主要是對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的登錄用戶(hù)進(jìn)行管理，可以進(jìn)行刪除、添加、修改等操作，對(duì)不同用戶(hù)的權(quán)限進(jìn)行管理，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全高效管理。

圖5 橋式起重機(jī)監(jiān)控界面

圖6 歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)界面

作為橋式起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)，重點(diǎn)在于能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控，及時(shí)提供故障位置及相關(guān)故障信息，并對(duì)可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行預(yù)警及已出現(xiàn)的故障進(jìn)行報(bào)警。實(shí)現(xiàn)的前提是建立完善的故障庫(kù)，并針對(duì)重要的故障進(jìn)行保存，便于事后分析原因，進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)，減少故障的發(fā)生，保障作業(yè)的安全性。

3 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)以電解車(chē)間橋式起重機(jī)為對(duì)象，分析了現(xiàn)場(chǎng)工況的需求、運(yùn)行機(jī)理和運(yùn)行現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了電解橋式起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)及系統(tǒng)的軟件架構(gòu)，開(kāi)發(fā)了起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)了電解車(chē)間橋式起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與安全管理，提高了其安全性能，并能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息的統(tǒng)計(jì)分析，為生產(chǎn)調(diào)度和管理提供了便利。