大型起重机分布式安全监控管理系统的设计*

徐　梦，凌张伟，夏珺芳，王黎明，蔡伟勇

(浙江省特种设备检验研究院，浙江杭州310020)



大型起重机分布式安全监控管理系统的设计*

徐梦，凌张伟，夏珺芳，王黎明，蔡伟勇

(浙江省特种设备检验研究院，浙江杭州310020)

针对大型起重机已有安全监控系统的现状，采用低成本、高性能的ARM-Linux嵌入式开发技术和分布式无线传感器组网技术，设计了一套大型起重机分布式安全监控管理系统，可快捷、低成本地实现对大型起重机安全监控系统的改造，以满足GB/T28264-2012的有关监控管理要求。所设计的系统通过安全监控仪读取原有的PLC监控系统数据并无线接入风速仪等数据，可实现起重机实时运行数据的监控、记录和历史回放；实时监测起重机工况和分析，快速危险报警。设计的新系统具有低成本、快速组网改造的特点，在某船厂600T龙门吊中得到应用。

ARM-Linux大型起重机分布式安全监控系统改造

起重机是现代工业生产中广泛使用的工程机械。起重机在起吊和搬运重物时存在很多的危险因素，事故时有发生。近几年起重机的事故率一直居高不下，导致人员伤亡的绝对数字高居八大类特种设备之首[1-2]。国家对大型起重机的安全监控系统也提出了多项标准和管理要求[3]。但是目前已有的通用起重机安全监控系统还难以满足国家要求，特别是对于大型起重机自带的或早期安装的安全监控系统需要进行改造与升级。本系统就是在兼容原有系统的基础上，根据国家标准和规范，对600 T龙门吊进行了低成本的改造升级。

1　监控系统的结构和模型

图1　系统结构

该系统的目标是针对目前起重机安全监控系统的应用现状及国家标准的相关要求，在不更改原有控制系统程序的基础上，增加监控模块，读取原有监控数据，进行老旧系统整合，以实现最低成本、高性能的改造与升级。系统结构如图1所示。

本系统不修改原系统的PLC程序代码，根据已有的PLC源码和电气图纸分析大车行程、大车纠偏、高度、重量、小车行程、操作指令等数据地址。通过MODBUS-TCP协议，新装安全监控仪与CP343-1 LEAN的以太网接口来获取原PLC数据。根据标准要求及综合企业的生产安全需求，需要监控的内容如图2所示。

图2　监控系统模型图

信息采集单元主要读取包括重量、角度、高度、位移及风速等传感器信号，并将采集的信号进行A/D转换后，传输到信息处理模块[4-5]。信息经过系列的处理后，可以实时传输给监控系统，实现起重机械设备的全方面监控。

2　系统设计

该系统由传感器、无线采集盒、监控记录仪、控制器等组成，根据GB/T 28264-2012《起重机械安全监控管理系统》所要求的有关内容进行布点设置，特别是兼容采用已有监控系统中存在的传感器信号来设计新的传感器布置方案。根据现场实际环境，在老系统原有的基础上，通过分布式无线方式布置加装传感器，基于嵌入式开发监控系统，以低成本高性能实现中央控制器[6]。系统框架如图3所示。

图3　系统设计框架图

无线传感器网络是综合传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息技术及无线通信技术的新型网络[7]。它可以实时监测、感知和采集网络分布区域内各种监控信息，并通过嵌入式系统进行信息处理，最后传送到终端用户[8]。该系统采用分布式无线传感器网络技术对各个传感器进行组网。

其中，起重量、风速、水平度通过AI信号采集盒采集模拟信号。起升高度和大、小车行程通过SSI信号采集盒采集绝对值编码器输出的SSI信号。DI开关量信号采集盒采集门限位、机构间联锁、制动器状态、操作指令(例：小车1提升、小车1刹车、小车1放降)等无源触点信号。基于ARM的嵌入式监控仪安装在驾驶室，监控管理系统软件则是在基于LINUX操作系统平台下进行开发。实现了监控数据的图形显示、数据存储、查询与分析、以及声光报警等功能。

3　功能实现

图4　系统运行界面

该系统主要功能模块包括系统设置、参数设置、数据处理、辅助功能这四大模块。如图4为系统界面图。

用户管理模块，主要实现了两级权限管理，管理人员和操作人员，拥有密码修改，账户管理等功能。

参数设置模块，主要实现了设备信息查看，可现场选取多个监控对象，可简单方便地设定控制条件，并生成参数报表，可方便地标定现场设备。

数据处理模块，主要实现了主、副起升重量、高度等重要参数的实时存储；能绘制某一批次的载荷谱，能查询主、副起升的循环次数、超载次数、限位次数和超过某一吨位的循环次数；并且提供数据库手动和定期备份功能，防止数据的意外丢失。可以实时监测环境参数和起重机运行参数，并进行相应的控制以保证起重机工作于安全状态。

辅助模块，主要实现了用户修改控制条件和设备标定时会自动生成修改日志，便于用户查询。

图5　安全监控仪现场图

系统在某船厂600 T龙门吊安全监控系统改造升级中得到应用，图5为监控仪实际安装图。

4　结束语

安全监控对于大型起重机的安全运行具有十分重要的意义。本系统可快速对原起重机安全监控系统进行快速改造升级，满足有关安全管理要求。采用ARM-Linux设计具有功能强大、系统稳定的特点，采用无线分布式组网，可快速对风速仪、限位器等传感信息组网通讯，便于现场安装。本系统在船厂龙门吊中成功应用，对大型起重机安全监控系统改造升级具有良好借鉴作用。

[1]Yu Y, Zhao Z L, Chen L. Research and design of tower crane condition monitoring andfault diagnosis system[C]//2010 International Conference on Artificial Intelligence and Computation Intelligence. IEEE,2010:405-408.

[2]高金花.安全监控管理系统在门式起重机中推广探讨[J].机械研究与应用，2014，27(2):117-119.

[3]黄国健，刘金，李鋈春，等.广州造船龙门起重机安全监控管理系统检验情况[J].中国特种设备安全，2014，30(11):44-48.

[4]计三有，张伟健，仇艳丽.基于ARM-Linux的门座起重机作业监控系统的实现[J].工程机械，2013，44(6):6-12.

[5]林卫国.造船门式起重机安全监控管理系统[J].港口装卸，2013(3)：26-28.

[6]于浩，李捍东.基于ARM/Linux的无线传感器网络汇聚节点设计[J].现代机械，2014(4)：38-40.

[7]习琨.基于ZigBee的简单无线传感器网络设计与实现[D].南开大学，2008.

[8]潘健华.大型船厂造船门式起重机安全监控管理系统研究与开发[J].机电工程，2014,31(1):72-75.

Design of the distributed safety monitoring system for large-scale cranes

XU Meng, LING Zhangwei, XIA Junfang, WANG Liming, CAI Weiyong

Considering the present situation of crane safety monitoring system, we adopted the high-performance, lowcost ARM-Linux embedded development technology and the distributed wireless sensor network technology, and designed a distributed safety monitoring system for large-scale cranes, which could improve the old safety monitoring system quickly and at low cost. The new system meets the demand of GB/T 28264-2012. The new system reads the original PLC records through a new safety monitor, and accesses the anemometer wirelessly to get the data. It realizes the monitoring, recording and playback of the operation data of the crane, the analysis of the conditions of the carne, and rapid alarm. The new system is lowcost and fast to improve, and has been successfully applied to the 600T gantry crane in a shipyard.

ARM-Linux，large-scale crane，distributed，safety monitoring system，improvement

TP277

B

1002-6886(2016)04-0091-03

国家质量监督检验检疫总局科技计划项目(2015QK091)。

徐梦(1990-)，女，本科，浙江省特种设备检验研究院，从事电梯、起重机等特种设备检验与评估。

2016-01-15