基于WIFI的桥式起重机实时监控技术研究

毛久昌

(扬州大洋造船有限公司，江苏 扬州 225107)



基于WIFI的桥式起重机实时监控技术研究

毛久昌

(扬州大洋造船有限公司，江苏 扬州 225107)

为了降低船厂起重设备安全事故的发生，确保船厂车间生产作业的安全，提出了基于WIFI的船厂桥式起重机的实时监控系统设计。首先对桥式起重机的结构特点及工作原理进行叙述，然后基于国内起重设备的管理现状，提出了基于WIFI的船厂桥式起重机实时监控技术。通过WIFI无线通信技术实现本地及远程同时监控，掌握桥式起重机的实时工作状态，及时发现起重机工作过程中存在的问题并给予解决，提高了起重机的操作安全性，从而更好地保证船厂工作人员及生产的安全。

船厂；桥式起重机；WIFI；实时监控

0 引言

起重作业虽然在建筑、制造等行业中使用越来越广泛，但它又是一种对驾驶员、对他人以及周围设施的安全存在重大危险且容易发生伤亡事故的作业。船厂起重作业主要包括门式起重机、塔式起重机、桥式起重机等。门式起重机主要用于船台总段吊装、合拢等作业，塔式起重机主要用于铁舾件、管子之类的吊装，桥式起重机主要用于车间内吊装。

考虑到船厂生产场地的安全性以及国家对起重设备的管理要求，传统的人工监控和管理的方式已经不能满足生产安全需要，起重设备的实时监控技术研究迫在眉睫。潘建华[1]对造船门式起重机(龙门吊)运行过程中的故障信息及运行状态进行监控，提出了龙门吊安全监控管理系统的设计办法，从而确保其运行状况得到有效的监控和管理。马成斌等[2]开发了门式起重机的GPRS监控系统，介绍了其工作原理及硬件设计，实现了门式起重机的智能化控制管理。郑夕键等[3]研究并构建了基于PLC可编辑逻辑控制器的塔式起重机(塔吊)的安全监控系统，实现了对塔吊多参数的安全监控。目前国内学者对塔式起重机和门式起重机的安全监控系统研究较多，而对船厂桥式起重机的研究相对较少。船厂桥式起重机在车间内应用广泛，其安全监控系统的研究很有必要。本文提出采用基于WIFI的桥式起重机远程实时监控方案，通过在船厂内建立用于信息传输的WIFI无线局域网，实现车间内桥式起重机的本地及远程实时监控，从而保证船厂车间内的安全生产。

1 桥式起重机简介

1.1 桥式起重机结构简介

船厂桥式起重机主要用作车间起重设备，横架于车间上空进行物料吊运，工厂内一般称其为行车，如图1所示。行车的形状像桥一样，两端支承在车间两侧的金属支架上。行车进行起重作业时，起重小车在行车桥架上沿铺设的轨道进行水平横向运行，行车桥架在车间两侧金属支架上沿铺设的轨道进行水平纵向运行，形成矩形的工作区域。行车不受地面设备及场地的阻碍，能够充分利用行车桥架下面的自由空间进行吊装作业，有利于提高车间的生产效率。

图1 船厂桥式起重机

行车根据自身的结构构造特点可以分为金属结构、机械传动和电气部分，其中，金属结构包括桥架和起重小车。桥架由端梁(与大车运行方向平行)、主梁(与大车运行方向垂直)、起重小车运行轨道、护栏、走台和操纵室构成。桥架是可移动结构，通过其端部车轮支承在车间两侧的高架轨道上，承受载重小车的重量，是行车的主要承载构件。操纵室是行车的吊舱，也称驾驶室，内部安装有起升机构和大车、小车的操纵系统、总控制箱、保护装置以及电气保护装置。起重小车由小车架和栏杆组成，小车架支承整个小车，承受载荷。机械传动部分包括大车、小车运行机构和起升机构。起升机构是行车中最基本的机构，用来实现车间内货物的升降。电气部分包括电气设备和电气线路。

1.2 桥式起重机工作原理

1.2.1 起升机构

电动机通电后产生电磁转矩，然后通过传动轴和联轴器将其输入到减速器的高速轴上，经过减速器的齿轮传动减速后，带动卷筒作定轴转动，使带有取物装置(吊钩等)的钢丝绳在卷筒上绕入或绕出，从而使吊物作上升或下降运动。

1.2.2 大车运行机构

大车运行机构的作用是驱动大车的车轮沿车间高架轨道实现水平方向的纵向运行。集中驱动和分别驱动是常见的2种大车运行机构的驱动方式。集中驱动是大车两边的主动轮通过传动轴由1台电动机同时驱动，优点是大车两边的主动轮容易保持同步，缺点是大车的传动轴长，结构较为笨重且安装复杂，只适用于起重量和跨度较小的行车。分别驱动是由2台电动机分别驱动大车两边的主动轮，依靠桥架本身的刚性和控制系统保持两侧车轮同步，结构相对于集中驱动更为轻便，电动机总功率小，目前在船厂中广泛应用。

1.2.3 小车运行结构

小车运行机构的作用是驱动起重小车沿桥架上的小车轨道实现水平方向的横向运行。起重小车的4个车轮是带有角形轴承箱的成组部件，它们分别固定在小车架的4个角落。小车运行机构的电动机安装在小车架的台面上，处于车轮轴与电动机轴之间，通过全齿轮联轴器或带浮动轴的半齿轮联轴器连接，以此来补偿小车架变形以及安装的误差。

2 现有起重设备管理技术及不足

2.1 现有起重设备管理技术的不足

通过对国内船厂起重设备安全监控管理技术的调研，目前起重设备的安全监控管理主要存在以下不足：

(1)一些船厂通过在起重设备上安装限位器、起重量限制器等安全保护装置确保操作安全，但这些限制装置无法显示起重设备运行过程中的工作参数及状态，致使作业人员无法判断出当前起重设备是否接近工作极限状态。这些安全保护装置仅在起重设备达到极限状态时才工作，其他状态情况下处于闲置状态。起重设备若需要继续工作，必须重新启动起重设备，这样大大降低了起重设备的工作效率。这些安全保护装置没有自检功能，一旦损坏不能及时被发现并维修，可靠性存在问题，为事故的发生埋下安全隐患。

(2)一些船厂除了安装安全保护装置外，还在起重设备上安装小型的有线监控系统，如摄像头等，实时监控起重设备运行过程中的状态，目前在大多数船厂中应用。但有线传输方式需要单独布设通信线路，这样限制了车间可利用空间的拓展，不利于船厂车间内的安全生产。另外，有线传输方式对通信距离也有一定的限制。当传输距离很远时需要布设较长的通信电缆，大大增加了工程成本。

2.2 起重设备的管理需求

大型起重机械的安全生产形势较为严峻，起重机械安全事故频繁发生，给企业经济带来极大的损失及人员损害。国家相关机构联合制定了《大型起重机械安装安全监控管理系统实施方案》，该方案规定在大型起重机械上需要大力推进安全监控系统的使用工作，以有效监控大型起重机械的实时运行状态，提高起重机械的操作安全性能，保护驾驶员及他人的安全，进而防止和减少大型起重机械重大事故的发生。

船厂起重设备的工作环境复杂，导致起重设备容易发生各种各样的问题。为了保证起重设备在作业过程中能安全有效地发挥其最大潜能，并且保证驾驶员对起重设备的运行状况了如指掌，越来越有必要对起重设备的关键参数进行实时监测，从而达到降低起重设备的停机次数，预防起重设备重大事故的发生，保证起重设备的安全性能，提高起重设备的工作效率，降低因起重设备事故而造成的经济和人员损失的目的，实现对船厂起重设备的安全保障。

3 基于WIFI的桥式起重机实时监控技术

3.1 无线通信技术

电磁波信号在空间中能够自由传播，无线通信技术正是利用这种特性进行信息交换。目前使用比较普遍的远距离无线通信技术主要有CDMA和GPRS技术，而使用比较普遍的近距离无线通信技术主要有ZigBee、近距离无线传输(NFC)、Bluetooth(蓝牙)、WIFI(无线局域网)和超宽频(Ultra Wide Band，UWB)技术。本文使用WIFI无线通信技术在船厂架设多个无线路由，实现船厂内的无线网络通信，从而实现行车的远程实时监控。

3.2 桥式起重机的实时监控系统设计

本文主要研究船厂车间行车的实时监控技术，实时掌握行车的工作参数及状态，保证其安全可靠运行。行车的运行工作参数主要包括起重量、起升高度、大车运行行程、小车运行行程、运行机构安全距离等。

为了方便对行车进行实时监控管理，本文设计的行车远程实时监控系统采用本地监控与远程监控同时运行。此种监控系统将采集数据全部记录到本地监控系统上，远程监控以客户端形式访问本地监控设备数据。

本文通过监控系统实现行车的实时状态监控、实时数据记录、历史数据查询、及时报警等功能，可提升行车的安全性，加强对行车的管理。监控中心可以实时监测行车的当前运行数据，也可以通过网络调阅某台行车的历史工作记录。

桥式起重机实时监控系统架构图如图2所示。

图2 桥式起重机实时监控系统架构图

在信息采集模块中，起重量、起升高度、大车运行行程、小车运行行程等单元采集的是模拟量，都可以借助行车现有的仪器仪表上的传感器来采集。传感器设备直接与行车上被监控对象相连，检测被监控对象需要监控的信号，并与采集设备相连将信息上传至信息采集模块。如起重量可以通过起重量限制器中的压力传感器来获取，起升高度可以通过卷筒上的角位移传感器来获取，大小车运行行程可以通过运行机构上的位移传感器来获取。通过数据采集和控制设备(PLC程序等)，控制和采集传感器并将数据上传给本地监控中心。

信息处理模块将信息采集模块中采集到的数据

进行计算和处理，即将采集到的模拟信号进行A/D转换并存储。本地监控模块包括信息存储单元、信息显示单元和控制输出单元。信息存储单元保存信息采集模块中采集到的行车的相关工作参数，保证通过此模块能够对行车之前的运行状况进行历史查询。所存储的数据可以通过信号导出接口导出。信号显示单元可以在本地实时显示行车的工作参数，并通过车间摄像头实时显示行车的工作状态画面。当行车的工作参数达到临近极限状态时，控制输出单元进行预警，达到极限状态时进行报警并切断工作电路。

远程传输模块利用WIFI无线通信技术实现信息采集模块、本地监控模块及远程服务器之间的数据进行高速可靠传输。无线网络系统由多个分布在船厂中的无线路由器组成。远程监控系统是利用WIFI无线通信技术实现与多个区域的本地监控系统之间的通信，可以对船厂所有车间行车的状态信息进行统计监测，同时可以实时地发送控制信号，实现远程统一管理。

4 结论

为了确保船厂车间作业的安全生产，提高桥式起重机的安全监控管理，本文设计了基于WIFI的船厂桥式起重机的实时监控系统。整个系统架构中包括信息采集模块、信息处理模块、本地监控模块、远程传输模块和远程监控模块，可以实现行车的工作参数及运行状态的实时显示、历史查询、及时报警、远程监控等功能，及时发现行车运行过程中存在的问题并解决，有力地提高行车的操作安全性，保证车间生产及人员的安全。

本文对船厂桥式起重机的实时监控系统进行设计，提出了监控系统的架构，后续需要对监控系统的软硬件展开研究，包括系统中各模块的功能编程、模块采集卡的采购、无线传输模块、远程监控模块的设计、系统界面设计等。

[1] 潘建华. 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.

[2] 马成斌，蒋剑锋，项华芬，等. 智能化控制及GPRS监控在桥门式起重机安全中的应用[J]. 机械研究与应用，2011(4)：156-158.

[3] 郑夕键，于扬，张国忠. 基于PLC的塔式起重机安全监控系统设计[J]. 机电产品开发与创新，2007，20(5)：143-144.

2016-10-15

毛久昌(1973—)，男，工程师，主要从事船厂生产设备管理技术。

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