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利用网络优势的大型起重机械远程监控系统研究

来源:恺德尔起重机安全监控管理系统专家 发表日期: 2017-10-10 21:36:00

起重机械广泛应用于港口、造船、冶金、电力、建 筑业等国民经济各行业中。随着起重机械数量的迅 速增加和大型化、高参数发展的趋势,与起重机械相 关的安全生产形势日益严峻,对起重机械安全操作和 规范管理的要求也日益提高。


为进一步加强起重机械的安全监管,提高安全监 管的科学化和有效性,国务院在《关于进一步加强企 业安全生产工作的通知》(国发[2010]23号)中首次 提出了“大型起重机械要安装安全监控管理系统”的 要求。2012年,国家标准“起重机械安全监控管理 系统”(GB/T28264-2012)正式颁布,提出要构建“对 起重机械工作过程进行监控,并能够对重要运行参数 和安全状态进行记录管理的起重机械信息系统”,并 对起重机械的安全监控系统的构成、系统的监控、系 统的性能要求、系统的检验方法等做了明确的规定。


为落实国家对大型起重机械安全监控的工作要 求,宁波市特种设备检验研究院在符合安全监控国家 标准要求的基础上,研究起重机械安全监控信息系统 的关键技术,自主研发监控系统的硬件和软件,并进

行了实际应用,并达到了初步的研发目标。


一、远程起重机监控系统实现的目标

国家标准“起重机械安全监控管理系统”(GB/ T28264-2012)确立了起重机械安全监控管理系统的 总体要求和相应标准。起重机械安全监控管理系统 由下列单元构成:信息采集单元、信息处理单元、控制 输出单元、数据存储单元、信息显示单元、信息导出接 口单元等。当有远程监控要求时,应增加远程传输单


标准对于桥/门式起重机械安全监控信息采集的 内容要求进行了明确。应对起重量、起升高度、运行 位置、安全装置、防撞装置的信息进行采集。


通过上述分析,项目任务是开发一款基于网络的 起重机械远程监控信息系统。该系统安装后应实现 以下目标。

(1) 符合国家标准的要求,采集起重机械运行的 相应现场数据、信息,且能确保数据准确可靠。

(2) 实现设备的远程管理,数据的远程传输和远 程服务器存储。

(3) 实现起重机械结构远程智能检测及安全分析、评估、预警。


基于无线网络的安全监控系统可以有效解决现 有测试系统的弊端,实现数据的远程传输、设备故障 的实时分析、运行数据的实时统计等,对于保障设备 的安全运行具有重要的意义。


二、远程起重机监控系统的内容及实现方法

本项目应用智能传感技术、无线数据传输技术、 数据库开发技术及互联网技术等,对基于网络的起重 机械安全监控信息系统进行深人研究。通过GPRS 模块,综合B/S和C/S两种模式,实现高精度的结构 应力和运行参数的数据采集和远程数据传输,研发监 控软件实现金属结构和安全数据的管理。


2.1起重机金属结构应变测试方法


基于TDC(时间数字转化器)技术的应变测试方 法是通过测试时间间隔获取应变值。TDC测试系 统,利用其计算功能强大的处理器能,采取软件完成 增益补偿和零点漂移补偿。补偿原理如图1所示。


TDC测试首先在无载荷的情况下测量零点漂 移,将结果写人指定寄存器,后续的测量结果为计算 结果减去该寄存器值得到,用于零点漂移的补偿。


起重机械金属结构应力测试获取的是一个相对 值,需要找一个零点位置,然后在一定初始位置下 (如空载,小车位于端部等)对各测点清零。


进行有限元建模获取测点位置的自重应力。创 建有限元分析模型,根据测点所在的部位,分别建立 各部件的有限元模型。通过后处理査看计算结果,提 取某关键点某工况下的应力值。


无线结构应变测试节点能按照指定的工况定期 进行静载测试和动载测试,并通过服务器将每一次测 试的结果存入数据库相关表中,在web网页或C/S 界面上用户可以根据测试时间查看每次静载或动载 测试的结果[1]。


根据历史静载或动载测试结果,分析各个测点应 力值的变化情况,可判断各测点部位劣化趋势,进而推算整体结构的劣化趋势。


项目中应变测试选用基于TDC测量的集成芯片 PS021,TDC芯片获得的测量数据通过串口 SPI与单 片机控制模块进行数据传输。现场测试中分别在导 电侧主梁的端部、1/2处和1/4处布置了三个测点。 2.2大车安全防撞装置信息采集


在常用的激光测距、超声波测距和红外测距等三 种基于数字测距的大车防撞装置中超声波测距法虽 然测试精度不高,但因其具有信息处理快速、结构简 单、环境影响小、可靠性高等优势而被广泛应用在各 种测距装置中。本项目综合考虑测试距离、测试精 度、测试环境等因素,选用超声波测距方法。


超声波测距常用压电式超声波传感器,它利用压 电效应的原理将电能和超声波相互转化,超声波发生 器内部结构有两个压电晶片和一个共振板。当它的 两极外加脉冲信号,其频率等于压电晶片的固有振荡 频率时,压电晶片将会发生共振,并带动共振板振动, 便产生超声波。其模块包括固有频率正反馈发生器 电路、换能器、线性电路、单片机等部分。


超声波传感器在放大信号的驱动下,发射超声波 脉冲。接收电路将超声波传感器接收回波信号并将 其放大,之后将放大的信号整形为数字信号,作为中 断信号送人单片机外中断器,使其产生中断。


2.3起重载荷信息采集


起重量限制器在起重机械中的重要安全保护装 置,可有效防止起重机的超载运行,降低了起重机运 行的安全隐患,也对起重机械主梁钢结构起到了较好 的保护作用。


本项目试验的起重机采用电子式起重量限制器 (常欣QCX-M型),由电阻应变式传感器和电器控制 器两部分组成,传感器安装在卷筒的轴承支座上。当 起重机起吊重物时,传感器受力变形,产生一个与载 荷成比例的电压信号,传感器输出的信号由二级集成 运放器进行放大,放大后的信号进入比较器,与基准 电压作比较后实施相应的动作功能。


2.4限位器信息采集


限位器是为了防止起重机械运行到极限位置的 设备。本项目中利用监测限位开关中空置的常开触 点的状态来采集限位器的动作信息。


2.5人员信息采集


为提高起重机作业人员安全操作意识,防止野蛮 作业、超载吊重、歪拉斜吊、擅自短接安全保护装置等 违规现象,迫切需要对作业人员和作业过程进行记录 和监控。


项目借鉴门禁系统的非接触式智能卡识别模块, 设计开发了起重机械操作人员信息采集模块。读卡模块原理如图2所不。


读写器向1C卡发一组固定频率的电磁波后,卡 片内部的LC串联谐振电路的频率与读写器发射的 频率相同,在该电磁波的激励下,LC谐振电路产生共 振从而使电容内有了电荷,在这个电容的另一端,接 有一个单向导通的电子泵,将电容内的电荷送到另一 个电容内储存,并将卡内数据发射出去。

2.6起升高度信息采集


起重机械为防止过卷扬事故一般均设有高度限 制器,但大多数起重机上未设置高度信息采集装置。 项目中采用旋转编码器来实现起重机械起升高度位 置信息的采集。


三、远程起重机安全监控系统的无线传输技术

为了克服现有的有线测试方法的低效率和无线 方法的传输性能缺陷,项目开发了一种基于GPRS数 传技术和互联网技术结合的远程状态监测系统。该 系统能够实现公网范围内任意位置的数据远程可靠 传输,实现基于互联网的状态监测。


在常用的基于公共网络的数据传输方法—— GPRS、GSM短消息方式、CDMA技术、CDPD技术中, 由于GPRS数据传输方式具有系统覆盖范围广、“永 久在线”、易与网络连接等特点,能较好地保证传输 实时性、准确率、可靠性的要求,因此选用了 GPRS数 据传输方式。


起重机安全监控系统的总体结构如图3所示。 包括采集节点设计、基站节点设计以及远程服务器系 统设计等。3.1采集节点设计


采集节点和基站节点均采用同一型号单片机,型

号C8051F,是一种混合信号系统级单片机,片内含 CIP-51的CPU内核,完全集成的混合信号系统级 MCU芯片,具有64个数字I/O引脚。


C8051F020单片机所有模拟和数字外设均可根 据用户需求而配置。片内JTAG调试电路允许使用 安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵人式、 全速、在系统调试。


起重机械安全监控系统需长期监测运行,考虑减 少电源超导线接线的安全隐患,本系统利用AC/DC 将220交流转换为+12V直流。


单片机通过RS-485通讯协议,采集大车防撞装 置、起重量、限位装置、起升高度信息的采集,并发送 至基站。


3.2基站节点设计


系统基站节点设计了数据存储和无线数据传输 功能,具有现场黑匣子和远程服务器数据存储两种模 式。远程服务器数据可以实现海量数据存储,用于信 息的保存与数据的实时分析。现场黑匣子主要应用 于安全数据的保障存储。


项目研究了基于存储卡的现场存储方式,其中 SD卡以其高存储容量、快速的读取速度、极大的移动 灵活性以及很好的安全性成为本系统的选择。同时 为了在Windows操作系统可以识别,系统在SD卡中 建立了 FAT16格式的文件,同时实现数据的定期自 动覆盖。采用的单片机C8051F020能实现与SD卡 的良好对接。主要体现在:①指令运行速度可达 25MIPS,满足高速操作SD卡的功能要求;②具有SP1 硬件接口,支持其中断;③片内具有60多K的RAM, 不需要满足扩展外存即可满足SD卡中文件系统的 建立;④工作电压与SD卡兼容等。


四、远程起重机监控系统的软件设计

远程监控系统的软件设计主要是包括节点远程 参数设置、接收和处理终端发回的数据,数据库设计、 系统用户界面设计、系统分析软件设计等。


进入系统之后,在终端管理主界面上可以查看各 节点的在线动作情况,刷新时间为3 s,如图4所示。

点击“编辑终端”按钮进人通过终端管理页面, 终端管理模块可以对采样时间间隔.数据上传周期、 零点偏移量等参数进行实时修改。如图5所示。

系统能对作业人员和作业过程的信息进行记录 和统计。系统设计了测试报表,可以根据参数设置实 现各参数的统计功能。


五、总结

通过对起重机械远程监控系统的研究和应用,实 现了对起重机械的起重量、起升高度位置、大车防撞 装置、安全装置、人员信息的采集、存储和远程传输, 实现了起重机械主梁钢结构的无线应变测试和远程 传输。远程监控系统可以实时显示和统计记录设系统能对作业人员和作业过程的信息进行记录 和统计。系统设计了测试报表,可以根据参数设置实 现各参数的统计功能。


当前运行状况,较好地实现了后方管理部门对起重机 一线作业现场的有效监控。

但在实际应用中,现有系统还存在诸多不足,有 以下几点需要进一步改进。


(1) 进一步完善起重机械远程监控系统的功能, 增加起重机械作业指令的记录与监控,增加起升电机 制动器的动作状态监控等功能,使其全面符合国家标 准的要求。


(2) 进一步改进起重机械远程监控系统的软件 设计,使系统界面更加人性化,节点的设计更完整,在 满足起重机械使用单位对起重机运行的安全管理基 础上,也能为特种设备主管部门提供确切完整的运行 记录和数据。


(3) 进一步优化起重机械远程监控系统的无线 传输技术。考虑将起重机上所有信息采集点的数据 通过有线方式集中传输到车间内的微机里,然后再通 过因特网发送到后方设备的管理部分以及其他相关 部门,既能保证数据信息的共享性,也可较大程度节 约无线传输的费用。