一、前言

隨著我國經濟形勢的快速發展，港口起重機逐漸呈現設備大型化、生產效率高、技術復雜和 作業連續性強等特點，可滿足提高裝卸效率、降 低生產成本等客觀要求，而由機械設備發生故障 造成停工停產所帶來的經濟損失卻越來越大。

為了保障起重機械的工作安全，國發[2010] 23號和國質檢特聯[2011]137號文相繼提出了 大型起重機械安全監管要求，新近頒布的國家標 準“起重機械安全監控管理系統”進一步細化提 出要構建“對起重機械工作過程進行監控，能對 重要運行參數和安全狀態進行記錄管理的起重機 械信息系統”。該標準具體地規范起重機械電氣系 統的全面安全性，并強調在正常工作過程階段和 事故發生階段的可記錄性，增加事故的可追溯性。

隨著智能傳感器技術、無線數據傳輸技術以 及物聯網技術的發展，不少無線監控系統開始在 港口起重機械行業上應用¨-31。本系統在國家標準 的基礎上，綜合客戶設備管理要求，設計了一套 新型的 起重機安全監控系統 ，主要特點有：實現了 各類安全數據的采集；設計了安全數據的黑匣子 式存儲；實現了數據的遠程傳輸與大容量服務器 存儲；實現了基于互聯網的起重機械金屬結構遠 程監測與故障診斷；設計了開放式的設備遠程管理系統等。

二、方案的選擇

國家標準要求監管的數據種類較多，采集到 的數據首先要完成本地存儲，然后再通過GPRS傳 輸到遠程服務器。針對數據采集和無線遠程傳輸 方式有以下3種方案可供選擇。 方案1：每個數據采集節點上均安裝一個數據 存儲單元和數據傳輸單元(GPRSDTU)，其優點 是數據量小，傳輸速度快，但由于每個DTU中均 需要傳送數據，每個數據包也都需要前綴、后綴 等冗余數據，這就大大增加了GPRS流量，．且每個 采集節點都要有數據存儲和DTU單元，這些將增 加系統成本。該方案1的原理圖見圖1。

方案2：各采集節點連接到一個基站節點上， 在此基站節點上安裝一套數據存儲單元和單個 DTU，將所有的采集數據放到一個數據包中進行傳 輸。該方案只選用一個DTU實現數據的遠程傳輸， 可大大減少數據傳輸的流量，降低系統成本。若 同時發送所有數據將會導致每包中的數據量過大， 傳輸速度會慢，實時性差。數據中除了包括國標 要求的安全數據外，還包括起重機械金屬結構狀 態監測等的數據，對現場數據存儲的容量和速度 均要求較高。方案2的原理見圖2。

方案3：綜合前2種方案，將國標要求的安全 監控數據作一組，結構監測等數據量較大的作為 一組，其他的作為一組，各組節點之間通過有線 (485總線)或無線(ZIGBEE模塊)進行通訊。3 套系統同時并行運行的方式既保證了該系統各項 數據的采集、存儲和傳輸的實施性與可靠性，又 在一定程度上節約了系統成本。 2遠程監測系統設計

 2．1監測系統總體框架

如圖3所示，門座起重機監測系統主要由3個 基站分別與設備運行信息管理、遠程結構監測級 故障診斷、常規檢測、服務器、現場人員和基層 管理等組成。

2．2安全黑匣子子系統

將國標中規定的安全數據作為一組，組內各 節點之間通過485總線進行通訊，并可實現對此子 系統中所有數據進行分析、傳輸和現場存儲，安 全黑匣子子系統的總體框圖如圖4所示。

1)同一軌道2車間距監測在起重機作業過 程中，為了避免同一軌道上的起重機發生碰撞， 需要對2車間距進行實時監測，當間距小于額定 間距時進行報警。常用的測距方法有激光測距、 超聲波測距和紅外測距方法等。超聲波測距具有 信息處理簡單、快速和價格低，易于實時控制的 優勢，且在測量精度方面也能達到測量要求，故 在本系統中選擇超聲波測距的方法。

2)安全防護裝置本系統設計的安全防護裝 置有起升／下降限制位幅度限位、防風防滑安全 裝置、聯鎖保護、回轉鎖定裝置和起升機構制動 器釋放裝置。

3)起重力矩數據采集該起重機的力矩限制 器同時采集了起重量和幅度信息，常規力矩限制 器供應商均可提供帶數字輸出接口的設備。為簡 化應用，本系統直接通過力矩限制器中的數字接 口獲取數據。遠程服務器實時顯示起重載荷和幅 度，并根據設計要求報警。

4)回轉角度采集：門座起重機回轉角度直接 影響載荷的結構受力，本系統選用電子羅盤實現對 回轉角度的狀態監測，它是通過磁感應器中2個互 相垂直軸同時感應地球磁場的磁分量，從而得出方 位角度。將電子羅盤安裝在司機室頂部，羅盤在初 次安裝使用前要對臂架等旋轉角度進行標定，使羅 盤的輸出可正確反映起重機回轉角度的實際值。電 子羅盤安裝過程中要注意周圍鐵磁性材料的影響。

5)現場存儲模塊設計監控數據的現場存儲 可防止由于公網的不穩定導致安全數據的丟失。采 用專用存儲裝置(如硬盤等)價格昂貴，本系統根 據起重機械安全監控需要設計基于SD存儲卡的現 場存儲方式。SD卡使用SPI接口與主控制器 C8o51FD20連接。SD卡的文件系統使用FAT16文件 系統，系統程序調用設計的函數進行SD卡讀寫操作， 這些操作主要包括新建文件、打開文件、讀(寫)數 據和刪除文件等。主要特包括文件按天命名、數據 寫滿指定天數后自動覆蓋最前一天的數據。

2．3設備運行信息管理子系統

1)操作人員信息很多事故的起因都是操作 人員的違規操作，為了便于在事故發生后查找到 具體的操作人員，追究責任，杜絕類似的事故再 次發生，該系統記錄操作人員的操作時間。本系 統中選用非接觸式的智能卡識別方式進行人員信 息的采集，人員信息采集節點采集到的信息包括 操作者編號信息、上機時間、下機時間及操作者 總的操作機時。

2)工作量和循環次數統計系統根據門座起 重機的起升載荷、幅度和回轉角度特征判定一次 工作循環，將工作循環中的載荷及循環次數進行 統計，可為企業管理提供有用信息，也可為設備 安全使用壽命預測提供數據支持。

3)耗電量獲取起重機上的電表信息進行存 儲和傳輸，服務器按操作者、時間等進行統計。

2．4遠程結構監測及故障診斷子系統

1)遠程結構監測及故障診斷無線應變采集 節點設計，應力測試技術是通過測量應變片阻值， 來算出鋼材所受力的大小及方向]。應變片采用 焊接式電阻應變片，通過點焊機與起重機鋼板完 全貼合。鋼材在受力變形時，拉壓應變片從而改 變它的阻值。系統采用新型傳感技術實現應變的 采集、傳輸，并在服務器實現起重機械金屬結構 的安全評價。

2)遠程振動監測及故障診斷門座起重機的 振動監測主要包括常規的減速器故障檢測及回轉 支承故障檢測‘，對其進行振動實時監測和分析， 可避免突發性故障的發生，及時對設備進行維護。 本系統中采用2種不同的加速度傳感器用于減速 器和回轉軸承。 采集的數據實現實時曲線，并對振動信號進行 時域分析、頻域分析和時頻域分析，求出信號的均 值、標準差、峰值、有效值和峭度值，并自動對 分析結果做出報表分析。振動信號分析見圖5。 值、標準差、峰值、有效值和峭度值，并自動對 分析結果做出報表分析。振動信號分析見圖5。

三、結論

本系統針對 國家監管部 門大型起 重機械安全 監管的要求 ， 設計 了一種 門座起重機 械網絡化安 全監控系統。 本 系統 既能夠 實現國標 的安全裝置 記錄要求 ， 還增加 了完成對人員信 息的管理和 電 量 、 工作臺時等的管理； 同時實現 現場的數據存 儲和基于互聯 網的遠程存儲 ； 實現結 構應變 的遠 程智能檢N ／監測 ； 實現 門座起重機遠程振動監測 和故障診斷等功能。 本系統 已在港 口多臺門座起 重機上進行 了應用 ， 不僅提 升港 口門座起 重機使 用的安全性 ， 更提升大型港機安全管理 和維修養 護的水平， 具有廣泛的應用前景和社會經濟效益