一、起重機(jī)械安全管理現(xiàn)狀

   近年來(lái)政府一直強(qiáng)調(diào)要采取法律、行政、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等措施，加強(qiáng)特種設(shè)備的管理，堅(jiān)決遏止重特大事故的發(fā)生，但由于各種原因，其事故率近幾年一直居高不下，導(dǎo)致人員傷亡的絕對(duì)數(shù)字一直高居八大類(lèi)特種設(shè)備之首。

從事故原因分析，由于人為原因，例如無(wú)證操作、人為過(guò)載、操作不規(guī)范等違章操作引起的事故約占事故總數(shù)的 57%；起重機(jī)控制裝置失靈或鋼絲繩質(zhì)量差等制造質(zhì)量引起的事故約占 29%；還有 14%的事故原因是風(fēng)速大、地基下沉等自然災(zāi)害引發(fā)的事故。引起事故的主要原因有:違規(guī)操作、設(shè)計(jì)缺陷、制造缺陷、維修缺陷、管理缺陷等。其中，違規(guī)操作主要原因包括:起重機(jī)操作人員未經(jīng)安全與操作培訓(xùn)直接上崗;無(wú)視起重機(jī)的承載上限， 放松警惕，導(dǎo)致起重機(jī)過(guò)載;未有可依的操作章程， 操作人員無(wú)章可循等。

鑒于以上結(jié)果， 安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)非常必要，通過(guò)將現(xiàn)代自動(dòng)化控制、 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無(wú)線通訊等多種技術(shù)相結(jié)合，改變?cè)瓉?lái)自我封閉的單一控制方式，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)智能化和管理網(wǎng)絡(luò)化，這是起重機(jī)，尤其是船廠特種起重機(jī)的發(fā)展方向。

二、安全監(jiān)控管理系統(tǒng)研究目標(biāo)與內(nèi)容

研究目標(biāo)

起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)主要是為保證起重機(jī)械運(yùn)行的安全性、可控性以及可管理性而設(shè)計(jì)研發(fā)的一套設(shè)備管理解決方案，主要用于反映起重機(jī)械實(shí)時(shí)和有效的運(yùn)行狀況，并能夠?qū)@些狀況和司機(jī)的操作指令進(jìn)行實(shí)時(shí)地監(jiān)控、 記錄和歷史回放；實(shí)時(shí)監(jiān)控檢測(cè)起重機(jī)工況，自帶診斷功能，快速危險(xiǎn)狀況報(bào)警以及安全控制。系統(tǒng)具有黑匣子功能，自動(dòng)記錄作業(yè)時(shí)的危險(xiǎn)工況，為事故分析處理提供依據(jù)。

安全監(jiān)控信息采集要求

根據(jù) GB/T28264 標(biāo)準(zhǔn)的要求， 大型起重機(jī)械安全監(jiān)控系統(tǒng)信息采集源有 18 項(xiàng)，但針對(duì)門(mén)式起重機(jī)，其所要求采集的信息源為 11 項(xiàng)，分別是:起重量限制器、起升高度限位器/下降深度限位器、運(yùn)行行程限位器、偏斜限位器、聯(lián)鎖保護(hù)安全裝置、抗風(fēng)防滑裝置、風(fēng)速儀裝置、同一或不同一軌道運(yùn)行機(jī)構(gòu)防碰撞裝置、超速保護(hù)裝置、供電電纜卷筒安全限位、 起升機(jī)構(gòu)制動(dòng)器。當(dāng)有遠(yuǎn)程監(jiān)控要求時(shí)，還要增加遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控。

三、安全監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

總體構(gòu)思和模塊劃分

起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)主要由兩個(gè)子系統(tǒng)組成， 分別是數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)、 視頻信息系統(tǒng)， 其硬件設(shè)備安裝位置如圖 1 所示。

數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)將起重機(jī)運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)地采集進(jìn)來(lái)，并且對(duì)其進(jìn)行處理和存儲(chǔ)， 然后控制起重機(jī)的運(yùn)行，此外，系統(tǒng)還將故障信號(hào)和危險(xiǎn)信號(hào)反映出來(lái)，提醒操作人員和維修管理員。該系統(tǒng)包括信息采集單元(限位、 重量傳感器、 編碼器等)， 信息處理單元(PLC)， 信息存儲(chǔ)單元和控制輸出單元(CMS)。視頻信息系統(tǒng)采集起重機(jī)行走區(qū)域和吊點(diǎn)的圖像畫(huà)面， 并顯示在司機(jī)室內(nèi)的顯示器上，供司機(jī)查看，同時(shí)存儲(chǔ) 72 h。

數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)

1.信息采集單元

信息采集單元用于讀取信息源數(shù)據(jù)。它由機(jī)械限位、感應(yīng)限位、紅外線光電限位、超速開(kāi)關(guān)、重量傳感器、測(cè)速編碼器、絕對(duì)值編碼器、PLC 的輸入模塊等組成，信息采集模塊示意圖如圖 2 所示，它們將采集的信號(hào)送至信息處理單元。

PLC 模塊用于接收操作站和機(jī)上各個(gè)傳感器的信號(hào)， 并進(jìn)行相應(yīng)地運(yùn)算和處理， 然后輸出控制指令， 控制相關(guān)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行。其具有開(kāi)機(jī)自診斷功能，當(dāng)檢測(cè)到模塊故障或通訊問(wèn)題時(shí)， 紅色的 Error 指示燈會(huì)亮起。

2.信息處理單元

信息處理單元將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和處理，同時(shí)根據(jù)起重機(jī)工況的要求， 執(zhí)行邏輯控制。它由可編程序控制器和工控機(jī)組成。PLC 的 I/O 及模擬量模塊將造船門(mén)式起重機(jī)上安裝的各種限位、編碼器、重量傳感器、風(fēng)速儀等信號(hào)實(shí)時(shí)地采集進(jìn)來(lái)，然后通過(guò) PLC的 CPU 對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，控制相關(guān)機(jī)構(gòu)運(yùn)行，并作出邏輯處理和故障報(bào)警等判斷。對(duì)于極限限位和超速開(kāi)關(guān)這類(lèi)信號(hào)，則采取同時(shí)進(jìn)入硬件控制回路和 PLC 模塊，這樣可以起到雙保險(xiǎn)的作用；而對(duì)于有些不會(huì)造成損失的信號(hào)則直接進(jìn) PLC 模塊。并且極限限位等一類(lèi)故障中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)通常使用的常態(tài)為常閉觸點(diǎn)，這樣，只要信號(hào)丟失，就認(rèn)為極限動(dòng)作，或者線路有問(wèn)題，提高了安全性。工控機(jī)用于實(shí)時(shí)讀取 PLC 程序內(nèi)相應(yīng)的信息，并且通過(guò)監(jiān)控軟件將造船門(mén)式起重機(jī)的各種監(jiān)控信息實(shí)時(shí)顯示在電腦上，是信息處理單元和CMS 單元的連接紐帶。該軟件還提供了接口，可以將數(shù)據(jù)導(dǎo)出成 Excel 通用形式。

3.信息存儲(chǔ)單元和控制輸出單元( CMS)

CMS 的功能是實(shí)時(shí)存儲(chǔ)所采集的信息，并記錄操作指令和起重機(jī)實(shí)時(shí)工況， 輸出控制信號(hào)和報(bào)警信號(hào)。它主要由 PLC 的輸出模塊、 驅(qū)動(dòng)器和數(shù)字硬盤(pán)等組成， CMS 子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 3 所示。

CMS 和 PLC 通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)相聯(lián)， 實(shí)時(shí)讀取PLC 內(nèi)相應(yīng)的信息， 并且通過(guò)監(jiān)控軟件， 將各種監(jiān)控信息實(shí)時(shí)顯示在電腦上， 同時(shí)存儲(chǔ)在硬盤(pán)內(nèi)。無(wú)線設(shè)備又將工控機(jī)、 PLC、 硬盤(pán)錄像機(jī)接入地面局域網(wǎng)，將信息傳輸至服務(wù)器。局域網(wǎng)又與公網(wǎng)相連，用戶可以通過(guò)公網(wǎng)訪問(wèn)起重機(jī)上的 CMS。

當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的容量大于 2 GB 的時(shí)候系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行壓縮數(shù)據(jù)，并根據(jù)程序設(shè)置，自動(dòng)刪除最早的歷史數(shù)據(jù)，刪除的數(shù)量在程序中可以定義。故障記錄達(dá)到設(shè)定數(shù)量時(shí)，會(huì)在 CMS 的故障畫(huà)面上，提醒用戶備份。

PLC 擁有700MHz的CPU，采樣速度為 0.14 ms內(nèi)可以處理1 000個(gè)布爾量，其滿足“標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)行周期內(nèi)采用周期不大于100ms”的要求。

視頻信息系統(tǒng)

視頻信號(hào)采集系統(tǒng)由前端、傳輸、控制和后端組成，前端主要由高性能攝像機(jī)組成；傳輸采用數(shù)字式光端機(jī)；控制由小型控制鍵盤(pán)和四畫(huà)面分割器組成，鍵盤(pán)用于控制前端球機(jī)的旋轉(zhuǎn)和變焦，四畫(huà)面分割器用于整合多路視頻，將它們組合成一個(gè)畫(huà)面；后端為 2 臺(tái)監(jiān)視器和一臺(tái)高性能硬盤(pán)錄像機(jī)。司機(jī)通過(guò)司機(jī)室內(nèi)的2臺(tái)監(jiān)視器，觀察到大車(chē)行走區(qū)域，吊點(diǎn)區(qū)域的環(huán)境情況，硬盤(pán)錄像機(jī)提供存儲(chǔ)視頻和 Web 瀏覽功能，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 4 所示。

目前，系統(tǒng)上用的的信號(hào)接口如下:無(wú)源開(kāi)關(guān)量信號(hào)接口有110 V 輸入/輸出模塊，用于接收限位、光控開(kāi)關(guān)，溫控開(kāi)關(guān)等信號(hào)。模擬量信號(hào)接口有4 mA ～20 mA的模擬量輸入模塊，用于接收重量傳感器，風(fēng)速等信號(hào)。脈沖量信號(hào)接口有，在驅(qū)動(dòng)器的主控板上有編碼器信號(hào)輸入板，它可以接收來(lái)自脈沖編碼器的信號(hào)。整機(jī)的數(shù)據(jù)采用 PＲOFIBUS 和 GPＲS 通訊，這些滿足國(guó)家現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，是對(duì)外開(kāi)放的協(xié)議。

采用GPRS無(wú)線接入 Internet 的方式，雖然比較靈活、方便，但是這種方式也存在著一定的缺陷。數(shù)據(jù)傳送速率相對(duì)較慢，當(dāng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生大量的報(bào)警信息和狀態(tài)信息時(shí)，無(wú)法滿足數(shù)據(jù)傳送的要求。由于GPRS無(wú)線接入方式自身?xiàng)l件的限制，為了降低網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)，可以在服務(wù)器端建立存儲(chǔ)過(guò)程。這主要是由于存儲(chǔ)過(guò)程的以下優(yōu)點(diǎn):

(1)可以與其他應(yīng)用程序共享應(yīng)用程序的邏輯，從而確保一致的數(shù)據(jù)訪問(wèn)和操縱；

(2)提供了一種安全機(jī)制；

(3)執(zhí)行速度快， 便于提高系統(tǒng)的性能；

(4)可以減少網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間。

通過(guò)使用服務(wù)器端存儲(chǔ)過(guò)程，可極大地降低網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)，使用過(guò)程存儲(chǔ)前、后，數(shù)據(jù)量的對(duì)比如表1所示。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，雖然在建立連接時(shí)，使用存儲(chǔ)過(guò)程的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)比較大， 但是每條數(shù)據(jù)的傳送開(kāi)銷(xiāo)，存儲(chǔ)過(guò)程的優(yōu)勢(shì)則十分明顯，這十分適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)大量數(shù)據(jù)傳送的需求。

表 1   使用存儲(chǔ)過(guò)程前、 后網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)的比較