0引言

門座式起重機是現代化港口和船廠機能作業的重要設備，隨著社會經濟的增長及生產規模的擴大，門座式起重機正向大型化、重載化、高速化方向發展，其安全健康性能面臨著巨大的挑戰，作為極易發生重大安全事故的特種作業機

械，一旦發生事故，對安全生產形勢和人民的生命財產安全產生嚴重的威脅。因此，起重機安全健康監測非常必要也迫在眉睫。為提高大型起重機械本質安全，預防和減少起重機械重特大事故發生，國家質檢總局和國家安監總局發布了《關于印發大型起重機械安裝安全監控管理系統實施方案的通知》(國質檢特聯(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控管理系統。目前，國內起重機安全健康監測系統功能較為單一，價格較為昂貴，系統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測的關鍵技術進行研究并開發了安全健康監測系統，該系統可以同時對起重機金屬結構健康狀況和運行狀態安全狀況進行監測，采用電阻應變片式傳感器，使整個系統性價比高，利于系統的普及推廣。

1、安全健康監測系統要求

1．1系統主要功能

門座式起重機安全健康監測系統應主要具有如下功能：

1)實時監測功能：要求系統對門座式起重機的各種運行狀態參數及關鍵點的結構健康狀態進行實時監測。

2)實時顯示功能：將系統監測的各種數據參數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。

3)報警和止停功能：系統識別門座式起重機的安全健康狀態后，做出相應的處理，當門座式起重機的安全健康參數達到額定參數的90％時，系統能夠進行聲光預報警，當上升到100％時，可以進行聲光連續報警，阻止其向危險方向繼續運行，當超過額定參數的一定范圍后，系統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)數據存儲功能：系統應具有對門座式起重機安全健康狀態、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：系統應具有對門座式起重機的安全健康狀態、故障信息歷史追溯的功能，一旦發生事故，可以作為事故原因分析的依據。

6)遠程監測功能：所有安全健康監測參數能通過網絡傳輸至遠程安全健康監測系統，特檢人員、起重機管理者、起重機生產廠家等具有一定權限的人員可以通過互聯網對遠程安全健康監測系統進行訪問，實現遠程監測。

7)抗干擾能力：門座式起重機使用環境較為惡劣，且采用變頻器驅動，容易對安全健康監測系統造成干擾，因此應采取適當的措施提高系統的搞干擾能力。

8）良好操作界面：人機界面友好，系統能以圖形、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起重機監控系統技術指標

1）測理精度：

在起重機實際使用工況下，系統綜合誤差，如起重量、起升高度、回轉角度、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)在運行周期內系統的采樣周期應不大于100ms

4)數據存儲時間應不少于30個連續工作日。

2、起重機監控系統構成

門座式起重機安全健康監測系統由本地門座式起重機安全監控系統和遠程門座式起重機安全健康監測系統組成。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進行實時監測，以司機室內配置的觸摸屏為上位機，實時顯示起重機的運行狀態安全狀況及結構健康狀況，對故障及危險時行報警。結構健康監測部分是由應變傳感器、應變傳感器節點和傳感器網關組成。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換成電信號傳送至應變傳感器節點：應變傳感器節點是結構健康監測的數據發送模塊發送至傳感器網關：傳感器網關是結構健康監測的數據傳輸部分，網關內有數據接收模塊，它接收至各傳感器節點發關的數據后將數據發送至觸摸屏。運行狀態監測部分主要監測起重機的運行狀態參數及起重機作業區域的視頻圖像，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測門座式起重機的起重量、變幅幅度、旋轉角度等運行參數，這些數據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、電壓等參數值，運行狀態監測只需完成PLC與觸摸屏的通訊并從PLC中讀出數據即可。視頻圖像通過在起重機上配置攝像頭來采集施工現場危害區域及司機視頻野盲區的實時動態圖像，一般配置多個攝像頭以監測吊鉤、吊鉤周圍、各個門腿等區域，攝像頭與觸摸屏的信號采用有線傳輸。RSHMS指本地安全健康監測系統所獲取的起重機信息可以通過有線或無線網絡傳輸至遠程監控中心，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

系統中的硬件主要有觸摸屏、電阻應變片、應變傳感器節點及網關、攝像頭等。

3．1觸摸屏選擇

在門座式起重機安全健康監測系統中，觸摸屏作為上位機主要完成與PLC及網關的通信，顯示所有的模擬量及開關量信號，實現故障報警，完成視頻監測等功能，因此，要求觸摸屏應具有基本的通信功能，支持多種通信協議，具有足夠的處理速度、足夠的畫面數據存儲及足夠的顯示方式等?；谙到y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、使用簡單方便等優點，但是其對潮濕環境的不適應限制了其在長期實時監測中的應用。因此，在門座式起重機長期實時監測

系統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定性高、電阻溫度系數小、熱輸出小、零點漂移小、橫向效應系數小、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，綜合考慮使用環境、應力狀態等因素，選用共和KCW一5—120一G10一l1G1M3S型焊接式電阻應變片，其具體參數如表1所示。

3．3應變傳感器節點及網關選擇

應變傳感器節點及網關選用北京必創科技有限公司的CSG401型CAN總線應變傳感器節點及BS909型CAN總線應變傳感器網關。CSG401有線應變傳感器節點可組成分布式的數據采集系統，具有通信距離遠、數據傳輸速率高等特點。它由采集處理模塊、CAN收發模塊組成。每個節點共有4個通道，每個通道內置有獨立的高精度120Q橋路電阻和放大調理電路，可由軟件自動切換選擇1／4橋、半橋、全橋測量方式，采集數據實時傳輸至HMI，傳輸速率高且傳輸距離遠。每個節點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點上，節省節點個數，降低整個監測系統費用。BS909網關將傳感器節點采集到的數據上傳給上位機，它具有數據透明傳輸和數據緩存的特性。網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，降低操作人員的操作難度。起重機安全健康監測系統所用攝像頭應具有高清晰度，有調節焦距的功能，能適應戶外惡劣環境。攝像頭應配備云臺裝置，使攝像頭能夠自由360。旋轉。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時也能獲取清晰的圖像。因此選用VK—IR230TF型工業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轉動，能很好的滿足現場監控要求。根據現場所需監測的門座式起重機作業危險區域，共采用55"攝像頭完成監測任務，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；轉盤后方兩側各安裝一個，便于回轉時觀察后方情況，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的配置，根據門座式起重機電氣系統PLC類型，選擇MitsubishiFX0n/1N/2N/3N,HMI與網關的通訊基于ModbusASCII協議，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。本文研發了完備的門座式起重機安全健康監測系統，不僅可以同時監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護的水平，具有廣泛的應用前景和社會經濟效益。