王 翔

（北京科技大学信息化建设与管理办公室，北京 100083）

随着世界工业全球化和一体化的深入发展，传统制造业正向定制化、高端化、智能化方向转型，机械制造产品升级市场潜力巨大。起重机械行业作为制造业的重要组成部分，其技术性贸易壁垒，已从早期的功能性、标准性延伸到安全性、持续性等领域。起重机设备全生命周期的安全、可控、精准、高效成为技术发展的突破方向，也是提高企业核心竞争力的关键。

目前，我国已迅速发展成为世界工程机械大国，整机指标已位居世界前列，超大吨位、超长臂架的起重机械相继研制完成并投入使用。起重机械具有较大危险性，因此被列入特种设备来进行监管。据统计，起重机械事故率一直位于八大类特种设备之首。为保证施工效率、提高施工过程中的设备与人身安全，国家质检总局办公厅、安全监督总局办公厅联合下发了《关于公布<安装安全监控管理系统的大型起重机械目录>和做好2015年大型起重机械安全监控管理系统推广应用与试点工作的通知》（质检特联[2015]192号），文件要求100t 以上的门式起重机，需要安装安全监控管理系统，并进行调试验证，对设备的智能控制、实时监控与维护技术提出了更高的要求。文章针对起重机设备施工过程中遇到的整机倾翻、电控系统失稳、故障状态快速识别等难题，围绕施工安全规划、系统安全评估、作业安全监控展开研究，设计了一套全新智能化起重机安全监控预警系统和信息化管理系统，能够全方位监控起重机的安全运行，包括起重机起重量、运行行程、偏斜、环境风速等大功能，能够提供起重机工作状态的实时预警和控制，是集精密测量、人工智能、自动控制等多种高新技术于一体的电子系统产品和信息管理系统。

起重机械状态总则可参照GB/T 25196.1—2010《起重机状态监控第1部分：总则》，该标准以综述的方式规定了较为完善的监控范围，由于起重机械种类繁多，各类起重机械可根据该标准参照执行数据采集和监控。结合调研和工程实践，可采用基于状态监测和预警的成熟体系实现起重机械安全监控方案。

1 起重机智能安全监控系统

起重机智能安全监控系统主要包括3部分：吊点的视频监控部分；运行实时状态、历史信息、实时报警的全面安全监控管理部分；起重机的图纸管理、备件管理、设备维护管理、寿命管理等模块的信息管理部分。

1.1 起重机视频监控部分

在起重机司机目视有困难的情况下，根据现场具体情况选择合适的摄像机将吊点等关键部位通过视频监控系统显示在司机室显示屏上，避免由于目视不清导致的安全事故。同时，视频监控系统将起重机运行过程的视频信息记录下来，方便对起重机运行过程、事故的回查、追溯。

1.2 起重机安全监控管理部分

起重机安全监控管理系统在满足GB/T 28264—2017《起重机械安全监控管理系统》标准的基础上，针对起重机使用过程中的实际安全问题，并结合用户的实际需要，对起重机进行全面的、可靠的、高于标准的安全监控管理。起重机安全监控管理并不仅是对起重机的运行状态进行简单的显示和记录，而是对所采集的数据进行统计、分析、处理，充分满足用户对起重机安全运行的需要。

1.3 起重机信息管理部分

起重机信息管理系统主要针对起重机用户在设备运行、维护、保养过程中面临的实际问题，为各类起重机量身定制的集文件管理、设备保养管理、寿命管理、数据分析等为一体的信息化管理系统，解决了起重机的运行安全、维保等问题，提高了用户的起重机管理水平。

2 方案技术内容

该方案包含了一些列设备，元器件和线路改造和建设，同时设计有对应的软件系统，对系统数据进行采集、处理和分析。

2.1 硬件设备和电子器件

方案中涉及到的各类设备、电子器件主要由以下几个单元组成。

2.1.1 安全监控管理系统基本单元

该单元主要有敞开式电气屏、嵌入式工控机、显示器、硬盘录像机、继电器组、接线端子组、微型断路器、浪涌保护器、24 V 直流电源、电机保护器、交换机、硬盘录像机、不间断电源、控制变压器、起升高度显示仪表、大车与小车行程显示仪表、主起升转速显示仪表等。

2.1.2 采集单元

更换主起升、副起升旋转限位开关，加装正交编码器；加装主起升电机转速接近开关；加装起升制动器位置接近开关；加装大、小车行程检测正交编码器；在控制屏的接触器加装辅助触点，不与现有电控系统发生直接连接。

2.2 软件模块及功能

2.2.1 报警事件模块

该模块主要是对起重机的相关异常状态设计报警条件和管理报警信息，实时报警，历史报警查询，报警变量配置，报警解决方案，报警事件统计，报警事件跟踪回放，使用频次、累计时间超预限报警。报表输出，截图保存。主要具有以下功能。

（1）起升机构报警条件：超载报警，电机超速报警，起升极限报警，机构电源断路器报警，装置故障报警，操作台故障报警。

（2）运行机构报警：运行极限报警，防碰撞报警，机构电源断路器报警，装置故障报警，操作台故障报警，门开关报警。

（3）总控制屏报警：重锤报警，总接触器跳闸报警，控制电源跳闸报警，总断路器断开报警。

（4）实时报警信息：实时报警信息显示在界面的上方，记录有报警变量，PLC 的I/O 地址，当前报警时间，精确到0.1 s。报警发生时间，报警解除时间，报警处理状态记录。

（5）历史报警查询：通过时间搜索查询，变量搜索查询，机构搜索查询。报警发生时间，报警解除时间。

（6）历史报警事件统计：截至当前，每个报警变量的累计次数。在报警栏，报警解决方案选项，弹出故障解决导航文本，可编辑；点击跟踪可以回放事件默认前2s 后8s，所有变量信息。历史追溯曲线，回放数据表。

（7）使用频次累计时间预限报警：元件设定的工作频次预限，工作时间预限，超过预限，弹出报警，预限清零。

（8）变量报警配置：开关状态，模拟量设限，设定频次和累计时间等。

2.2.2 事件回放模块

回放数据采样周期100 ms。回放追溯曲线，时间轴（水平），数值轴（垂直），设置回放按键，前进按键，后退按键，暂停键，停止按键。并列4组回放追溯曲线，可以是任意变量，方便维护人员比对相关变量；回放数据表查询：按机构查询，按单一变量查询，时间最小单位0.1 s。支持报表输出，并可以截图进行保存。

2.2.3 实时监控模块

该模块由总览界面、各机构界面、控制流程界面、动力供电界面和通信界面组成，主要监控以下相关信息：

（1）起升机构包括超载报警，电机超速报警，电机过热报警，起升极限报警，机构电源断路器报警，装置故障报警，操作台故障报警信息等。

（2）各类控制信息包括控制接触器，制动接触器，制动器状态，机构断路器，主令开关，操作按钮，速度给定，装置状态字，装置参数电流、电压、转速，起升高度，起升重量，工作循环。

（3）各类运行机构包括运行极限报警、防碰撞报警、电机热继报警、机构电源断路器报警、装置故障报警、操作台故障报警、门开关报警。

2.2.4 系统配置模块

在进行核设施的生物辐射影响评价时，需要考虑放射源释放出放射性核素的过程、核素在环境中的扩散过程、核素从环境向生物体及其在生物体中的传输过程、生物体中的核素产生辐照剂量的过程以及最终辐射剂量产生生物效应的过程，如图1所示。在这些过程中，放射源、环境和生物体中的放射性核素浓度在某些情况下可以直接测量得到，某些情况下则要根据上一环节的数值来进行计算。将生物辐射影响评价的计算过程制成计算机软件，可以方便使用，推广应用。

主要包括PLC 通信和OPC 通信组件配置、实时数据库配置、历史数据库配置、时间数据库配置、数据报表配置、变量属性配置。

3 软件实现及流程

主要功能及流程见图1。

图1 软件功能流程

3.1 创建表格模板和记录体

在组态王工程浏览器中的SQL 访问管理器点击表格模板。在右侧目录内容中双击“新建”创建一个名称为“table1”且字段为“日期”“时间”“主起升上升限位”“主起升下降限位”“主起升超速保护”“主起升制动器限位”“主起升超力矩开关信号”“主起升起重量限位”“主起升起重量”等31项的表格。注意：当编辑字段名称时，应与新建组态王变量一样（最好不要用字符），不含非法字符，如：“+”“-”“=”“#”等。此表格格式决定了ACCESS 数据库的表格格式。同样在SQL 管理器中点击记录体，在右侧目录内容中双击“新建”，创建一个名称为“bind1”的记录体。其字段名称与表格模板中的字段相对应。

3.2 数据库的连接

在工程浏览器窗口的数据词典中定义一个内存整型变量（DeviceID），然后在工程浏览器命令语言的应用程序命令语言的启动时输入如下命令语言使组态王与起重机数据源建立连接。接着在SQL 画面中添加一个按钮，按钮文本为：创建表格。在按钮的弹起事件中输入如下命令语言。上述命令语言的作用是以表格模板“table1”的格式在数据库中建立名为“起重机数据”的表格。此命令语言只需执行一次即可，如果表格模板有改动，需要用户先将数据库中的表格删除才能重新创建。接着在工程浏览器命令语言的应用程序命令语言的运行时输入如下命令语言，作用是在系统运行阶段每100 ms 往表格“起重机数据库”中插入一组新的数据。

3.3 开关量设置

工程浏览器左栏中单击“数据字典”，在数据字典中新定义变量，系统中各个限位器故障点接入PLC均为干接点开关量信号，在组态王中选择开关类型为I/O 离散型，连接设备选择在前面所配置的C200HE，寄存器选择IR 寄存器，地址对应PLC 梯形图中所对应的地址。读写类型选择只读，数据类型为位读取。按照如上步骤建立开关量采集点数据字典。

3.4 模拟量设置

系统中起重量传感器、风速传感器、幅度传感器等接入PLC 模拟量模块AD003均为模拟量信号，在组态王中选择开关类型为I/O 实数型，连接设备选择在前面所配置的C200HE，寄存器选择DM 寄存器，地址对应采集点PLC 梯形图中采集数据的存储区域。读写类型选择只读，数据类型为USHORT。AD003模块的分辨率为1/4000，将变量最小原始值设置成0，最大原始值设置成4000。最小值和最大值分别表示实际需要测量的量程。

3.5 自诊断技术

在事件命令语言中编写如下代码，下面以上升为例说明。

发生时代码实现的功能是：事件发生时记录开始事件，判断主副起升，然后将字符串“主起升上升”或者“副起升上升”记录到字符串变量“右手柄操作”中，用来显示同时记录实时起重量。

结束时代码实现的功能是：记录该事件的结束事件，并连同开始事件、操作相等一同插入数据库“操作相”表格中。然后将右手柄操作恢复：默认状态：“未操作”。\本站点终止时间=\本站点$时间；\本站点开始时间=\本站点开始时间1；\本站点操作相=\本站点右手柄操作。

4 结束语

本方案经过上海某港口机械有限公司进行了建设应用，界面如图2，设计建设了如下子模块工程：实时状态监控、故障报警、历史故障查询、操作记录查询等，同时对监控系统可扩展性，预留了足够的接口，满足了港口作业对起重机整个安全监控系统的要求。截止目前安全监控系统经过一段时间的运行，经历了严冬、酷夏和台风等恶劣环境，监控系统运行状态良好。在将来的工作中，准备进一步完善远程监控和远程管理及其他方面的工作，把管—控一体化新思路，应用到起重机械的安全监控领域中，为工业生产中的起重机安全做到保驾护航的作用。

图2 港口起重机安全监控系统界面示意