一、起重機械安全管理現(xiàn)狀

   近年來政府一直強調(diào)要采取法律、行政、經(jīng)濟、技術(shù)等措施，加強特種設(shè)備的管理，堅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，導致人員傷亡的絕對數(shù)字一直高居八大類特種設(shè)備之首。

從事故原因分析，由于人為原因，例如無證操作、人為過載、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%的事故原因是風速大、地基下沉等自然災害引發(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:起重機操作人員未經(jīng)安全與操作培訓直接上崗;無視起重機的承載上限， 放松警惕，導致起重機過載;未有可依的操作章程， 操作人員無章可循等。

鑒于以上結(jié)果， 安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的研究與開發(fā)非常必要，通過將現(xiàn)代自動化控制、 計算機網(wǎng)絡技術(shù)、無線通訊等多種技術(shù)相結(jié)合，改變原來自我封閉的單一控制方式，實現(xiàn)起重機智能化和管理網(wǎng)絡化，這是起重機，尤其是船廠特種起重機的發(fā)展方向。

二、安全監(jiān)控管理系統(tǒng)研究目標與內(nèi)容

研究目標

起重機械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)主要是為保證起重機械運行的安全性、可控性以及可管理性而設(shè)計研發(fā)的一套設(shè)備管理解決方案，主要用于反映起重機械實時和有效的運行狀況，并能夠?qū)@些狀況和司機的操作指令進行實時地監(jiān)控、 記錄和歷史回放；實時監(jiān)控檢測起重機工況，自帶診斷功能，快速危險狀況報警以及安全控制。系統(tǒng)具有黑匣子功能，自動記錄作業(yè)時的危險工況，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 標準的要求， 大型起重機械安全監(jiān)控系統(tǒng)信息采集源有 18 項，但針對門式起重機，其所要求采集的信息源為 11 項，分別是:起重量限制器、起升高度限位器/下降深度限位器、運行行程限位器、偏斜限位器、聯(lián)鎖保護安全裝置、抗風防滑裝置、風速儀裝置、同一或不同一軌道運行機構(gòu)防碰撞裝置、超速保護裝置、供電電纜卷筒安全限位、 起升機構(gòu)制動器。當有遠程監(jiān)控要求時，還要增加遠程視頻監(jiān)控。

三、安全監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計

總體構(gòu)思和模塊劃分

起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)主要由兩個子系統(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)將起重機運行時的數(shù)據(jù)信息實時地采集進來，并且對其進行處理和存儲， 然后控制起重機的運行，此外，系統(tǒng)還將故障信號和危險信號反映出來，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)， 信息存儲單元和控制輸出單元(CMS)。視頻信息系統(tǒng)采集起重機行走區(qū)域和吊點的圖像畫面， 并顯示在司機室內(nèi)的顯示器上，供司機查看，同時存儲 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)。它由機械限位、感應限位、紅外線光電限位、超速開關(guān)、重量傳感器、測速編碼器、絕對值編碼器、PLC 的輸入模塊等組成，信息采集模塊示意圖如圖 2 所示，它們將采集的信號送至信息處理單元。

PLC 模塊用于接收操作站和機上各個傳感器的信號， 并進行相應地運算和處理， 然后輸出控制指令， 控制相關(guān)機構(gòu)的運行。其具有開機自診斷功能，當檢測到模塊故障或通訊問題時， 紅色的 Error 指示燈會亮起。

2.信息處理單元

信息處理單元將采集到的數(shù)據(jù)進行計算和處理，同時根據(jù)起重機工況的要求， 執(zhí)行邏輯控制。它由可編程序控制器和工控機組成。PLC 的 I/O 及模擬量模塊將造船門式起重機上安裝的各種限位、編碼器、重量傳感器、風速儀等信號實時地采集進來，然后通過 PLC的 CPU 對信號進行處理，控制相關(guān)機構(gòu)運行，并作出邏輯處理和故障報警等判斷。對于極限限位和超速開關(guān)這類信號，則采取同時進入硬件控制回路和 PLC 模塊，這樣可以起到雙保險的作用；而對于有些不會造成損失的信號則直接進 PLC 模塊。并且極限限位等一類故障中，系統(tǒng)設(shè)計時通常使用的常態(tài)為常閉觸點，這樣，只要信號丟失，就認為極限動作，或者線路有問題，提高了安全性。工控機用于實時讀取 PLC 程序內(nèi)相應的信息，并且通過監(jiān)控軟件將造船門式起重機的各種監(jiān)控信息實時顯示在電腦上，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)導出成 Excel 通用形式。

3.信息存儲單元和控制輸出單元( CMS)

CMS 的功能是實時存儲所采集的信息，并記錄操作指令和起重機實時工況， 輸出控制信號和報警信號。它主要由 PLC 的輸出模塊、 驅(qū)動器和數(shù)字硬盤等組成， CMS 子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 3 所示。

CMS 和 PLC 通過以太網(wǎng)交換機相聯(lián)， 實時讀取PLC 內(nèi)相應的信息， 并且通過監(jiān)控軟件， 將各種監(jiān)控信息實時顯示在電腦上， 同時存儲在硬盤內(nèi)。無線設(shè)備又將工控機、 PLC、 硬盤錄像機接入地面局域網(wǎng)，將信息傳輸至服務器。局域網(wǎng)又與公網(wǎng)相連，用戶可以通過公網(wǎng)訪問起重機上的 CMS。

當數(shù)據(jù)庫存儲的容量大于 2 GB 的時候系統(tǒng)會自動進行壓縮數(shù)據(jù)，并根據(jù)程序設(shè)置，自動刪除最早的歷史數(shù)據(jù)，刪除的數(shù)量在程序中可以定義。故障記錄達到設(shè)定數(shù)量時，會在 CMS 的故障畫面上，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個布爾量，其滿足“標準的運行周期內(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組成；傳輸采用數(shù)字式光端機；控制由小型控制鍵盤和四畫面分割器組成，鍵盤用于控制前端球機的旋轉(zhuǎn)和變焦，四畫面分割器用于整合多路視頻，將它們組合成一個畫面；后端為 2 臺監(jiān)視器和一臺高性能硬盤錄像機。司機通過司機室內(nèi)的2臺監(jiān)視器，觀察到大車行走區(qū)域，吊點區(qū)域的環(huán)境情況，硬盤錄像機提供存儲視頻和 Web 瀏覽功能，遠程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 4 所示。

目前，系統(tǒng)上用的的信號接口如下:無源開關(guān)量信號接口有110 V 輸入/輸出模塊，用于接收限位、光控開關(guān)，溫控開關(guān)等信號。模擬量信號接口有4 mA ～20 mA的模擬量輸入模塊，用于接收重量傳感器，風速等信號。脈沖量信號接口有，在驅(qū)動器的主控板上有編碼器信號輸入板，它可以接收來自脈沖編碼器的信號。整機的數(shù)據(jù)采用 PＲOFIBUS 和 GPＲS 通訊，這些滿足國家現(xiàn)行的標準規(guī)定，是對外開放的協(xié)議。

采用GPRS無線接入 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)傳送速率相對較慢，當工業(yè)現(xiàn)場產(chǎn)生大量的報警信息和狀態(tài)信息時，無法滿足數(shù)據(jù)傳送的要求。由于GPRS無線接入方式自身條件的限制，為了降低網(wǎng)絡開銷，可以在服務器端建立存儲過程。這主要是由于存儲過程的以下優(yōu)點:

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

(2)提供了一種安全機制；

(3)執(zhí)行速度快， 便于提高系統(tǒng)的性能；

(4)可以減少網(wǎng)絡傳輸時間。

通過使用服務器端存儲過程，可極大地降低網(wǎng)絡開銷，使用過程存儲前、后，數(shù)據(jù)量的對比如表1所示。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，雖然在建立連接時，使用存儲過程的網(wǎng)絡開銷比較大， 但是每條數(shù)據(jù)的傳送開銷，存儲過程的優(yōu)勢則十分明顯，這十分適合工業(yè)現(xiàn)場大量數(shù)據(jù)傳送的需求。

表 1   使用存儲過程前、 后網(wǎng)絡開銷的比較