0引言

門座式起重機是現(xiàn)代化港口和船廠機能作業(yè)的重要設備，隨著社會經(jīng)濟的增長及生產(chǎn)規(guī)模的擴大，門座式起重機正向大型化、重載化、高速化方向發(fā)展，其安全健康性能面臨著巨大的挑戰(zhàn)，作為極易發(fā)生重大安全事故的特種作業(yè)機

械，一旦發(fā)生事故，對安全生產(chǎn)形勢和人民的生命財產(chǎn)安全產(chǎn)生嚴重的威脅。因此，起重機安全健康監(jiān)測非常必要也迫在眉睫。為提高大型起重機械本質(zhì)安全，預防和減少起重機械重特大事故發(fā)生，國家質(zhì)檢總局和國家安監(jiān)總局發(fā)布了《關于印發(fā)大型起重機械安裝安全監(jiān)控管理系統(tǒng)實施方案的通知》(國質(zhì)檢特聯(lián)(2011)137號)，明確要求所有在用的大型起重機械上必須全部安裝安全監(jiān)控管理系統(tǒng)。目前，國內(nèi)起重機安全健康監(jiān)測系統(tǒng)功能較為單一，價格較為昂貴，系統(tǒng)的整體功能完善方面還有待進一步提高。針對這種情況，對門座式起重機安全健康監(jiān)測的關鍵技術進行研究并開發(fā)了安全健康監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以同時對起重機金屬結構健康狀況和運行狀態(tài)安全狀況進行監(jiān)測，采用電阻應變片式傳感器，使整個系統(tǒng)性價比高，利于系統(tǒng)的普及推廣。

1、安全健康監(jiān)測系統(tǒng)要求

1．1系統(tǒng)主要功能

門座式起重機安全健康監(jiān)測系統(tǒng)應主要具有如下功能：

1)實時監(jiān)測功能：要求系統(tǒng)對門座式起重機的各種運行狀態(tài)參數(shù)及關鍵點的結構健康狀態(tài)進行實時監(jiān)測。

2)實時顯示功能：將系統(tǒng)監(jiān)測的各種數(shù)據(jù)參數(shù)通過觸摸屏顯示給操作人員，使其及時了解門座式起重機的安全健康狀態(tài)。

3)報警和止停功能：系統(tǒng)識別門座式起重機的安全健康狀態(tài)后，做出相應的處理，當門座式起重機的安全健康參數(shù)達到額定參數(shù)的90％時，系統(tǒng)能夠進行聲光預報警，當上升到100％時，可以進行聲光連續(xù)報警，阻止其向危險方向繼續(xù)運行，當超過額定參數(shù)的一定范圍后，系統(tǒng)可以對整個起重機進行自動斷電停機。從而達到安全保護的功能，使門座式起重機的整體安全性能大幅度提高。

4)數(shù)據(jù)存儲功能：系統(tǒng)應具有對門座式起重機安全健康狀態(tài)、故障信息進行實時記錄存儲的功能，并且在關閉電源或供電中斷的情況下，所有信息被保留，不因斷電而使信息丟失，為以后的維修等提供方便。

5)歷史查詢功能：系統(tǒng)應具有對門座式起重機的安全健康狀態(tài)、故障信息歷史追溯的功能，一旦發(fā)生事故，可以作為事故原因分析的依據(jù)。

6)遠程監(jiān)測功能：所有安全健康監(jiān)測參數(shù)能通過網(wǎng)絡傳輸至遠程安全健康監(jiān)測系統(tǒng)，特檢人員、起重機管理者、起重機生產(chǎn)廠家等具有一定權限的人員可以通過互聯(lián)網(wǎng)對遠程安全健康監(jiān)測系統(tǒng)進行訪問，實現(xiàn)遠程監(jiān)測。

7)抗干擾能力：門座式起重機使用環(huán)境較為惡劣，且采用變頻器驅(qū)動，容易對安全健康監(jiān)測系統(tǒng)造成干擾，因此應采取適當?shù)拇胧┨岣呦到y(tǒng)的搞干擾能力。

8）良好操作界面：人機界面友好，系統(tǒng)能以圖形、圖表和文字的方式直觀的顯示門座式起重機的安全健康信息，使用簡單，操作方便。

1.2起重機監(jiān)控系統(tǒng)技術指標

1）測理精度：

在起重機實際使用工況下，系統(tǒng)綜合誤差，如起重量、起升高度、回轉(zhuǎn)角度、變幅幅度等分別不大于5%、

2）工作溫度：0度-60度：濕度：10%-95%RH

3)在運行周期內(nèi)系統(tǒng)的采樣周期應不大于100ms

4)數(shù)據(jù)存儲時間應不少于30個連續(xù)工作日。

2、起重機監(jiān)控系統(tǒng)構成

門座式起重機安全健康監(jiān)測系統(tǒng)由本地門座式起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)和遠程門座式起重機安全健康監(jiān)測系統(tǒng)組成。LSHMS可以獨立運行，RSHM以LSHMS為基礎，遠程用戶可以隨時了解到起重機的健康狀況。其總體結構如圖1所示。

LSHMS對起重機的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)測，以司機室內(nèi)配置的觸摸屏為上位機，實時顯示起重機的運行狀態(tài)安全狀況及結構健康狀況，對故障及危險時行報警。結構健康監(jiān)測部分是由應變傳感器、應變傳感器節(jié)點和傳感器網(wǎng)關組成。應變傳感器用來感受起重機桔構的受務情況并將應變信息轉(zhuǎn)換成電信號傳送至應變傳感器節(jié)點：應變傳感器節(jié)點是結構健康監(jiān)測的數(shù)據(jù)發(fā)送模塊發(fā)送至傳感器網(wǎng)關：傳感器網(wǎng)關是結構健康監(jiān)測的數(shù)據(jù)傳輸部分，網(wǎng)關內(nèi)有數(shù)據(jù)接收模塊，它接收至各傳感器節(jié)點發(fā)關的數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)發(fā)送至觸摸屏。運行狀態(tài)監(jiān)測部分主要監(jiān)測起重機的運行狀態(tài)參數(shù)及起重機作業(yè)區(qū)域的視頻圖像，按照GB6067.1及相關標準的要求，絕大部分門座式起重機已安裝起重機械安全保護裝置，這些保護裝置能實時監(jiān)測門座式起重機的起重量、變幅幅度、旋轉(zhuǎn)角度等運行參數(shù)，這些數(shù)據(jù)被傳送至起重機的可編程控制器中，PLC通過擴展模塊與變頻器通訊，可獲知門座式起重機四大機構電機的電流、電壓等參數(shù)值，運行狀態(tài)監(jiān)測只需完成PLC與觸摸屏的通訊并從PLC中讀出數(shù)據(jù)即可。視頻圖像通過在起重機上配置攝像頭來采集施工現(xiàn)場危害區(qū)域及司機視頻野盲區(qū)的實時動態(tài)圖像，一般配置多個攝像頭以監(jiān)測吊鉤、吊鉤周圍、各個門腿等區(qū)域，攝像頭與觸摸屏的信號采用有線傳輸。RSHMS指本地安全健康監(jiān)測系統(tǒng)所獲取的起重機信息可以通過有線或無線網(wǎng)絡傳輸至遠程監(jiān)控中心，設備管理部門、特檢機構等可以遠程獲知起重機的運行及安全健康狀況。

3、硬件設計

系統(tǒng)中的硬件主要有觸摸屏、電阻應變片、應變傳感器節(jié)點及網(wǎng)關、攝像頭等。

3．1觸摸屏選擇

在門座式起重機安全健康監(jiān)測系統(tǒng)中，觸摸屏作為上位機主要完成與PLC及網(wǎng)關的通信，顯示所有的模擬量及開關量信號，實現(xiàn)故障報警，完成視頻監(jiān)測等功能，因此，要求觸摸屏應具有基本的通信功能，支持多種通信協(xié)議，具有足夠的處理速度、足夠的畫面數(shù)據(jù)存儲及足夠的顯示方式等?；谙到y(tǒng)所需功能，選擇了步科(kinco)MT5620T觸摸屏。

3．2電阻應變片選擇

電阻應變片按安裝方式主要分為粘貼式電阻應變片和焊接式電阻應變片兩種，粘貼式電阻應變片具有成本較低、使用簡單方便等優(yōu)點，但是其對潮濕環(huán)境的不適應限制了其在長期實時監(jiān)測中的應用。因此，在門座式起重機長期實時監(jiān)測

系統(tǒng)中應選用可靠性較高的焊接式應變片。另外電阻應變片應選擇穩(wěn)定性高、電阻溫度系數(shù)小、熱輸出小、零點漂移小、橫向效應系數(shù)小、機械滯后小、具有蠕變自補償功能的應變片。

因此在滿足上述要求的前提下，綜合考慮使用環(huán)境、應力狀態(tài)等因素，選用共和KCW一5—120一G10一l1G1M3S型焊接式電阻應變片，其具體參數(shù)如表1所示。

3．3應變傳感器節(jié)點及網(wǎng)關選擇

應變傳感器節(jié)點及網(wǎng)關選用北京必創(chuàng)科技有限公司的CSG401型CAN總線應變傳感器節(jié)點及BS909型CAN總線應變傳感器網(wǎng)關。CSG401有線應變傳感器節(jié)點可組成分布式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有通信距離遠、數(shù)據(jù)傳輸速率高等特點。它由采集處理模塊、CAN收發(fā)模塊組成。每個節(jié)點共有4個通道，每個通道內(nèi)置有獨立的高精度120Q橋路電阻和放大調(diào)理電路，可由軟件自動切換選擇1／4橋、半橋、全橋測量方式，采集數(shù)據(jù)實時傳輸至HMI，傳輸速率高且傳輸距離遠。每個節(jié)點4個通道的設置便于位置相近的電阻應變片傳感器連接到一個節(jié)點上，節(jié)省節(jié)點個數(shù)，降低整個監(jiān)測系統(tǒng)費用。BS909網(wǎng)關將傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)上傳給上位機，它具有數(shù)據(jù)透明傳輸和數(shù)據(jù)緩存的特性。網(wǎng)關的主控制板由電源部分、GPRS模塊、BEENET模塊和核心板組成a

3．4視頻攝像頭選擇及多通道切換控制模塊設計

安裝攝像頭可以取消操作人員的視野盲區(qū)，降低操作人員的操作難度。起重機安全健康監(jiān)測系統(tǒng)所用攝像頭應具有高清晰度，有調(diào)節(jié)焦距的功能，能適應戶外惡劣環(huán)境。攝像頭應配備云臺裝置，使攝像頭能夠自由360。旋轉(zhuǎn)。因起重機

有夜間工作的情況，所以攝像頭上應配備紅外補光裝置，使在光線較弱的夜間作業(yè)時也能獲取清晰的圖像。因此選用VK—IR230TF型工業(yè)級遠距離紅外高速云臺可變焦距攝像頭，其影像感應器為1／4”SONYSuperHADCCD，清晰度為540線，變焦率為23倍光學變倍／12倍電子放大，紅外照射距離達200m，信號制式為NTSC／PAL，采用IP68防水設計標準，360度水平和豎直方向連續(xù)轉(zhuǎn)動，能很好的滿足現(xiàn)場監(jiān)控要求。根據(jù)現(xiàn)場所需監(jiān)測的門座式起重機作業(yè)危險區(qū)域，共采用55"攝像頭完成監(jiān)測任務，吊臂上安裝一個，用于攝取吊裝物體周圍的全局圖像，保證吊裝安全；象鼻梁頭部平臺下方位置安裝一個，用于攝取吊裝物體的近距離圖像，提高吊裝的精確性及效率；轉(zhuǎn)盤后方兩側(cè)各安裝一個，便于回轉(zhuǎn)時觀察后方情況，消除死角；司機室外安裝一個，用于觀察整機工作環(huán)境。而觸摸屏只有兩通道PAL制式視頻接口，為了滿足多個通道視頻圖像顯示，設計了多通道切換電路其原理框圖如圖2所示。

4、軟件設計

4．1LSHMS軟件設計

LSHMS利用EV5000組態(tài)編輯軟件(以下簡稱EV5000)進行軟件設計，LSHMS是直接面向起重復機操作員使用的，要求操作界面友好，使用簡單，用戶界面框架如圖3所示。在進行軟件設計編輯界面前首先進行設備的選擇及通訊參數(shù)的配置，根據(jù)門座式起重機電氣系統(tǒng)PLC類型，選擇MitsubishiFX0n/1N/2N/3N,HMI與網(wǎng)關的通訊基于ModbusASCII協(xié)議，因此在PLC元素庫中選擇ModbusASCII,

5、結束語

起重設備的安全健康性是當今相關工程領域所密切關注的研究課題。本文研發(fā)了完備的門座式起重機安全健康監(jiān)測系統(tǒng)，不僅可以同時監(jiān)測門式座式起重機的安全與健康性能，保障起重機安全有效運行，更能提升起重機的安全管理和維修養(yǎng)護的水平，具有廣泛的應用前景和社會經(jīng)濟效益。