起重设备远程在线监控及安全管理系统的研制

李 骏

中铁二十四局集团贵溪桥梁厂有限公司 江西 贵溪 335400

1 项目研究的意义和目的

随着国内经济与各大行业的蓬勃发展，针对起重机械的技术需求也不断提高，安全性、稳定性、高效率已成为它的主要发展目标。

据国家特种设备安全监察局统计，2014年我国起重机发生的安全事故共计44起，其中违章作业或操作不当导致的事故35起，设备质量安全隐患导致的事故9起；在冶金、机电、铁路、港口、建筑等生产部门，在各类设备事故中起重机发生的事故高达25%左右。八成的故障是因为违规操作和监管不善造成的。

当前起重机安全监控系统多为本地监控，仅有国标强制规定的一些要求，对部分数据的状态监控，实现少量的报警功能以及历史数据的复现，且不能对设备进行有效管理，仅是被动的监控，不能满足企业现代化发展的需求。因而，研制出一种自动化程度极高的起重机远程监控系统，能够跟踪监测并存储信息，借助无线传输计算机技术完成对起重机所有指标的监测，实现实时数据监控与可视化监视，同时引入设备管理概念，将监控和管理良好地结合在一起，具有智能分析与预警控制、故障诊断等一系列管理功能，是企业监管部门、工地管理人员以及起重机操作人员共同的愿望。

鉴于此，针对我公司的实际需求，开发了起重设备远程在线监控及安全管理系统。本课题主要研究内容如下：

1）起重设备远程在线安全监控及管理系统的规划、系统结构搭建、云服务平台的研发。

2）起重设备监控数据的采集、无线传输、与系统平台的对接。

3）起重设备监控数据及视频，利用互联网，在远程系统平台呈现的功能实现。

4）实时监控和设备管理在系统平台的结合，实现多地区、多机型的集中监控及管理。

5）起重设备重要安全监控信息的采集分析。

6）通过软件系统实现起重设备管理流程化、标准化、系统化，设备维修、管理责任人监管到位。

2 系统组织架构、原理及实现方案

起重设备远程在线监控及安全管理系统由系统电源、数据采集、数据传输、远程监控平台、本地监控平台、视频监控等组成（图1），整体分为以下3个部分：数据采集、中间层数据处理和传输、顶层数据平台数据显示及管理[1-2]。

1）数据采集：通过对设备安全状态、运行状态的研究分析，在原有传感器的基础上，增加必要的安全监控、数据监控传感器，通过监控机及PLC对设备数据进行全面的、系统性的采集。

2）数据处理和传输：在本地监控机上，对所有采集数据进行分析处理，根据起重机的运行参数、安全参数评估及设备性能参数的系统逻辑分析及运算，通过无线方式将处理后的数据上传到系统服务器，包括视频的传输。

3）系统平台：将由监控机上传到服务器的数据进行平台展示，同时对数据进行整合分析，代表性的数据形成多种形式的趋势曲线。平台还增加了管理功能，对设备的点检、维修、改造等都做了系统的流程处理，也对预警、报警、操作人员等进行记录存储。

图1 系统组织架构

3 主要技术内容及创新点

本系统主要是针对起重机的特点而开发完成，系统基于BS架构，无需插件，用户采用浏览器进行操作，支持手机、平板电脑、PC机进行访问。基于H5和Ajax的Web框架应用平台，达到网页界面无刷的效果。利用Web浏览器可以实时查看起重机现场的工作状况，及时了解现场实时数据、报警信息、历史记录、视频在线监控、视频历史回放、远程故障诊断等。

本项目创新点在于将Wi-Fi数据以Modbus通信的方式引入起重机监控系统，利用物联网技术和机器视觉技术实现起重机运行状态实时监控、预警报警、故障诊断、设备点检、维修改造、统计分析、远程监控功能。为管理人员提供科学有效的管理方法和处理事故所需的数据，提高起重机远程监控信息化水平，有效减少施工伤亡事故的发生。

由系统平台和硬件终端产品组成的起重设备远程在线监控及安全管理系统，主要实现信息采集、信息处理、网络传输、分析记录、数据统计以及远程监控等功能。

主要技术创新点有：

1）关键特殊项点的监测，即如何实时监测工作级别、液位法测主梁下挠度和轨道高差、下滑量检测、歪拉斜吊检测等技术。

2）独有的设备管理系统，包括设备信息管理、工作流程、监控数据显示、预警、报警、设备点检、润滑保养、设备改造、参数设置、故障诊断、数据报表、工作日志、指纹采集识别等功能。

3.1 整机工作级别的监测

通过采集起重机的工作起止时间、循环次数、起重量等相关运行数据，根据GB 3811—2008《起重机设计规范》，利用推导算法，编程由软件计算起重机整机的工作级别。

3.2 下滑量检测

下滑量是指相应起升机构由下降变为操作零位的瞬间开始在3 s内相应高度的变动值。下滑量值过大将直接影响现场工作的安全。

目前下滑量测量的方法主要有以下几种：目测、采用行程开关控制的检测方法、采用光控继电器取代行程开关检测、基于单片机的智能测量等。

以上这些方法需要特定的机械结构和电路控制作辅助设施，其机械部分及电路控制部分安装较繁琐，仅适用于起重机的生产厂家在其出厂时检测其性能，或者需要在特定环境下对制动下滑量进行检测的场合，而不适用于起重机在生产现场安装后检验人员对其的安全检测。

为完美解决下滑量的检测问题，本系统通过安装在卷扬机上的编码器，根据特定算法计算解决。下滑量检测的目的是看下滑量的发展趋势，根据趋势图及时采取相应措施，将可能发生的事故消除在萌芽状态。

3.3 液位法测主梁下挠度和轨道高差

预制梁场采用的提梁起重机额定起重量大，使用年限长，存在锈蚀的情况，安全风险严峻。考虑到门吊钢主梁在交变应力下，易发生疲劳，许用应力降低，主梁刚度能否满足使用要求，检测主梁下挠度就显得尤为重要，并根据检测数据趋势预判设备的寿命或采取相应措施。同时在安装时轨道不平整以及后续的沉降也给设备安全带来了隐患，监测轨道高差并根据监测数据采取相应的措施也是一个关键项点。

为此，我们研发了液位传感器（图2）用于起重机下挠度和轨道的监测，分别设置在端部、中部，根据液位差计算挠度与轨道倾斜。

该装置的优点是有效可靠、结构简单、成本低、维护方便。

3.4 歪拉斜吊检测

起重机歪拉斜吊易产生横向分力，起吊中引发猛烈摇摆，导致钢丝绳缠绕滑出，加剧钢丝绳、卷筒及滑轮的磨损，使大、小车机电设备严重过载，这些非常容易引发安全事故。因此需限制歪拉斜吊。目前国内通用的做法是分别安装旁压式起重量限制器和斜吊限制器，或者是特制的倾角传感器。本系统采用一种新型的起重量斜吊一体化限制器（图3），包括旁压式拉力传感器、U形卡、双轴倾角传感器模块、报警装置等，设置于控制仪表内。

起重量斜吊一体化限制器通过U形卡安装在起重机的钢丝绳末端（或平衡滑轮处的钢丝绳），安装时应将倾角传感器的y轴向（或x轴向）平行于起重机的卷筒轴。

当起重量达到额定起重量的90%时，触发报警装置预警，起重机仍可起升和下降；当起重量达到起重机额定起重量的105%时，控制仪表发出报警，起升控制断电，起重机只能下降不能起升。

限制起重机在使用中歪拉斜吊，控制3个角度：与卷筒截面的斜角αx，与卷筒铅垂法面的斜角αy，总斜角α。任一个达到相应的预警阀值时（本系统设置为5°），将触发报警装置发出预警，起重机仍可操作；当歪拉斜吊的角度达到8°时，系统将发出报警，起重机的起升控制断电，起重机只能下降不能起升，起重机的小车和大车只能向减小总斜角α的方向动作。

3.5 系统的主要管理功能

系统平台通过对设备实时数据的在线监控（包含视频），增加了设备管理功能，主要功能模块有：预警、报警、设备体检、设备点检、维修改造、操作人员指纹身份识别等，实时记录并储存对应的管理数据，并生成相关报告，为提高设备管理提供有效的数据基础。

管理人员通过互联网，无论身处何处都能掌握设备的运行情况，也能实时了解设备的故障情况、事件的处理进度及设备的工作效率等。

4 效益分析

起重设备远程在线监控和安全管理系统的应用，强化了起重机的安全管理，降低了安全事故率。为设备及安全管理部门监察起重机这一特种设备，提供了监察平台。不同层级管理人员通过本系统可以有效监察、管理起重机，如起重机年审、操作人员持证上岗、设备迁移、起重机安全状态监控等。给起重机操作增加了一道保护屏障，能够快速地掌握设备当前运行的状况，有效地排查出设备的安全隐患，使因操作失误而造成安全事故的情况得到规避。同时给设备管理人员远程管理提供了一个平台，预警、报警邮件、短信推送功能可以使设备管理人员及时发现设备的故障、隐患，给设备管理工作提供了坚实的保障，具有良好的市场推广价值和应用前景。

随着起重机安全监控系统的投入，使用单位对设备的安全管理也有了明显的针对性，对于人工现场检查的频率降低了，但是监管效果得到了提高。同时通过安全监控系统的投入使用，减少了使用单位的现场监管人员，降低了设备维护人工成本，同时降低了安全检查频次。

5 结语

本系统是基于Web的起重机的本地监控与远程监控管理系统平台，经过现场测试，各项参数的采样频率和测量精度均满足国家相关标准的要求，系统运行稳定，工作数据采集显示准确可靠。能通过Wi-Fi连接互联网，上传起重机工作数据，实现工作数据的Web显示，为管理者对起重机运行状态的评估和事故的判定提供有力的数据支持。该系统具有良好的市场推广价值和应用前景[3-4]。