港口起重机状态监测与健康管理系统探讨

李书强 王昭胜 宋祥吉 余珍胜 韩 旭

青岛海西重机有限责任公司

1 引言

港口装卸起重机设备管理能力直接关系到港口装卸效率，是体现港口集成化、智能化、自动化水平的关键。起重机具有大型化、重载化、高速化等特点，存在多种安全隐患，需要一种包含状态监测和健康检测的系统来有效地监测管理起重机[1]。

目前，国内外起重机安全健康监测系统多针对应力检测和振动温度检测，系统功能参差不齐且管理起重机数量较少[2]，需进一步提高和完善系统整体功能。结合系统研发现状及未来发展趋势，提出了一种功能全面的起重机智能感知及健康检测系统，主要包括设备状态、应力检测、振动温度监测、智能润滑、钢丝绳自检五大功能，可监测管理多台起重机，对加快全自动化港口的发展具有一定意义。

2 系统设计路径

大部分港口起重机均处在工作环境恶劣、重载、连续作业的状态，对整机机械结构、运行机构、电气元器件、安全保护装置等设施状况的监测和管理，尤其是对老旧或自动化水平较高的起重机设备的监测和管理提出了更高的设计要求。

为实现多台起重机设备的状态与健康监控并满足作业环境苛刻、运作时间长、装卸效率高等工况需求，提高设备运行稳定性和港口装卸效率，根据起重机运行工况和设备设施特点，围绕起重机钢结构、机械系统(起升、运行机构等)、控制系统(电气或液压系统等)，从功能角度出发来分析港口起重机的智能感知及健康监测系统平台的设计需求和实施方法。

3 系统功能设计

3.1 起重机设备智能感知功能

3.1.1 钢结构应力检测

钢结构长期受交变应力影响导致起重机主要受力构件点疲劳扩张，当损伤量达到一定程度后就会引发钢结构断裂事故。考虑到起重机服役年限不同，钢结构故障需综合利用应力检测和寿命估算两种方法进行预防，按照特级安全级、安全级、临界级、危险级4个等级评估钢结构健康。

应力检测利用有限元软件分析整机钢结构的关键点，在应力较大处放置应变仪和轴向振动传感器，实时监视特征信号异常的数据，保证钢结构的整体安全性。寿命估算由历史工况和即时工况叠加计算后得到。

3.1.2 传动系统检测

传动系统一般由减速箱、卷筒轴承、车轮驱动、车轮轴承等构件组成。当传动部件出现系统缺陷或各构件发生损伤时，影响起重机的运行状态和整体平衡。因此，需要在驱动减速箱、轴承、车轮等关键传动部件进行监测，对传动部件工作有效性、可靠性进行分析、诊断，及时预判故障的发生，降低停机或发生重大事故的概率。

首先在传动系统数学模型基础上，利用力学分析法或应用许用应力分析法对磨损、损伤进行核算分析。然后在驱动减速箱、关键轴承、车轮等测点放置振动/温度一体传感器，实时采集传动部位的特征参数，通过振动温度检测技术实现传动部件失效性故障的监测。最后为保证部件传动正常还应配置一套智能润滑系统，根据起重机作业情况，对轴承、齿轮、滑轮等部件定时、定压、定量进行润滑；同时采集、显示润滑系统运行参数，实时监控其运行状态。

3.1.3 钢丝绳自检

钢丝绳是起重机安全作业的重要构件之一，其自检功能应满足在工作状态时自动进行实时监测，当出现设定的损伤量时，发出报警并提示采取相应措施；在非工作状态时应定期对各种缺陷进行检测并生成报告，对延长自身寿命、减少安全事故具有重要意义。

针对该设备自检需求，应选取、设置多个关键测点，利用由数据采集单元、数据处理单元、数据诊断和维护单元形成完整的检测体系达到监测关键测点的目的，并实现钢丝绳运行状态显示、预警评估信息显示、故障报警和定期监测状态显示功能。

3.1.4 电气元器件监控功能分析

由于接触器、驱动器、电机等电气元器件开闭频繁、寿命有限且不易检修更换，而系统能够及时预估电气元器件的老化程度是保证控制系统健康的关键之一，故系统应具备电气元器件寿命监测功能。

通过读取控制系统内部和传感器所采集的电流、电压、速度等特征参数，结合起重机运行周期、负载率、起重负荷等关键运行数据，利用微控制器对特征参数进行筛选统计。最后根据诊断报告发出相关元器件的预警/报警功能，提示操作员进行检查、检修或更换。

3.1.5 安全保护装置监测

除钢结构、机械系统和电气系统外，起重机还利用安全联锁装置、风速仪、超负荷保护、自动消防、视频监控、电气房环境监测等保护装置，对起重机运行状态进行联锁保护和外部状态监视，及时发现起重机内外环境中的安全隐患，进而保证起重机正常运行。

这些安全装置的状态直接影响起重机安全运行的健康状况，系统首先针对这些不同类型装置、系统和传感器，通过通讯接口采集装置和系统的关键数据，进而利用A/D转换模块将传感器模拟信号转换为数字信号，最终对数字信号进行标准化管理并传输至中控室，根据不同设定参数实现运行状态显示、预警评估信息显示、故障报警等功能。

3.2 起重机健康诊断功能

3.2.1 运行状态管理

为保证岸边、堆场多台多种类起重机装卸工作安全运行，系统应建立包含起重机类型、起重机编号、起重机机构、起重机设备的安全健康管理档案，主要监测、获取设备感知信息和电气控制系统运行信息。其中电气控制运行信息监测利用CMS管理系统直接读取PLC控制信号，动态监测负载、运行方向、电机温控、安全联锁、电气开关、网络通讯等状态信息，汇集到系统实现状态回放、故障收集、故障查询等管理功能并生成相应的文档信息。

3.2.2 故障诊断及运行维护

起重机发生故障时，系统应根据设备状态监测信息及时提供合理的故障诊断意见，故要求系统具备强大的数据处理能力。为及时排除故障，将健康诊断功能分为故障诊断和运行维护两个子功能，各子功能文档信息均包含设备编号、故障现象、维修内容、报修时间、报修人员等信息，可在信息有效期结束前发出提醒。

故障诊断，系统根据故障诊断逻辑图对不同信息进行分类和评估处理，将故障分为常规故障、非常规故障两类且具有相应的诊断报告。常规故障主要为应力、振动、温度、电气运行等异常信息，操作员只需要结合设备感知信息进行日常维护检查，排除异常报警，分析其安全性。非常规故障分为影响生产或人(环境)两类，若故障处仅影响生产效率，应及时进行维修并定期检查；若故障处已威胁到人或环境的安全健康时，应及时改造故障处并评估其安全性。

运行维护，根据设备工况、设计规范、真实案例、维护经验等资料建立运行维护措施表，使系统根据故障位置及故障现象采取相应维护措施(见表1)。同时，为方便操作员准确排除故障还设置了作业演示功能。

表1 运行维护措施

4 系统设计

4.1 系统硬件设计

智能感知及健康监测系统由不同类型传感器、信号调理模块、数据采集模块、数据存储模块、通信模块、串口通信模块、电源模块、工控机以及PLC控制模块等构成，可以针对起重机各功能点的数据进行采集，形成完整的起重机健康监测数据信息库。系统数据采集典型框架见图1。例如，应力检测将测量点产生的应变量转换成电压信号，经放大、滤波、A/D转换、编码调制后经数据汇集网关利用有线/无线网络传输至PC端系统平台。

图1 系统数据采集典型框架图

4.2 系统软件设计

为适应不同自动化水平的港口(全自动化港口或半自动化港口)并方便操作员查询起重机信息，智能感知及健康监测系统平台在系统工作模式上分为自动化模式和单机模式，在数据管理上分为实时数据访问和历史数据查询两部分。PC端系统工作界面总体框架见图2。

图2 智能感知及健康监测系统框图

系统平台主要包含以下子功能：

(1)实时监控。实时动态显示起重机在现场的作业信息显示，包括设备编号、设备作业状态、设备运行状况、相对位置等信息。

(2)状态回放。根据用户选择的时间段，通过历史数据可以回放整机的历史运行状态的实时信息。

(3)生产管理。可根据班次、时间范围(天、周、月、年)、装入(卸出)等条件，实现模糊查询功能，生成统计报表，并根据用户要求生产电子表格。

(4)故障跟踪。系统设有故障断点保护功能，可存储故障发生前数秒内的开关量和模拟量，并以波形图的形式表示出来，以作故障分析、排除、现象归纳的依据。

(5)故障诊断。显示故障内容、时间、具体位置、引起后果、解决方法并显示相应帮助文档或作业演示等。

(6)运行维护。系统对损耗元件、用品和周期性维护保养内容的使用时间自动记录，并与各自的预防更换和维护周期相比较，到达更新时间或维护周期时，系统自动提醒用户进行设备的维护和保养，更换间隔和维护周期可由用户调整。

(7)系统工具。提供系统使用说明等文档。

5 结语

从港口设备健康管理监测角度，阐述了整个码头起重机健康监测与管理的理念，除传统设备振动、应力监测外，提出了更为广泛的健康监测要素。该系统可兼容、扩展至多台起重机设备的监测与管理，实现对基本技术参数、运行台时、故障预警、维修信息统计以及备件更换记录及管理，有效预防、减少港口重大事故的发生，为起重机安全、稳定、高效运行以及实现码头自动化运行提供了有力保障，具有较好的推广前景。