海洋石油平台起重机智能监控与防碰撞系统创新改造

董鹏林，柴 威，魏东坤

(中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津 300459)

1 改造背景

海洋石油起重机是海上平台人员和货物吊装的必须工具，是平台的重要设备(图1)。由于吊货任务繁重，吊车长期运转，外加所处环境较恶劣，吊车各设备日趋老化，平台日常吊装作业已经产生了安全隐患，需要对吊车液压路流程、钩头和滚筒的钢丝情况进行时时监控，以保证设备的稳定运行和提前发现潜在隐患。吊车在设计时存在数据监控的盲点，无法监控到各点压力参数，当吊机出现问题时，检修人员只能凭着经验根据故障现象猜测故障点，无形中增加了检修时间，降低了检修效率；并且由于海上平台起重机吊臂较长，作业半径广，加上平台顶层甲板修井设备多，司机在进行部分吊装作业时常会出现视觉盲区，导致吊臂与其他设备发生碰撞，进而出现安全隐患[1]。因此，需进行吊车智能监控与防碰撞系统的改 造升级，以保证吊车平稳运行。

图1 海洋石油起重机Fig.1 Offshore oil crane

2 改造原理

2.1 采用无纸记录仪与压力变送器配合

通过无纸记录仪的应用，将吊机各个压力检测点的数据信号通过高性能32位ARM微处理器进行数据处理：一方面在大屏幕液晶显示器上以多种形式的画面直观地显示出来，用于吊车司机对吊机整体运行情况进行观测；另一方面将这些检测数据存放在本机内藏的大容量存储芯片内，以便在记录仪上直接进行数据和图形的查询和翻阅，并且能通过USB传输至移动存储设备上，利用上位机(PC端)管理软件对阶段性数据进行整理、分析和维保/检修前后的数据参比。该无纸记录仪还具备报警功能，当其检测压力高于预设报警值时会触发声光报警对驾驶员进行提醒，后期还可以根据其使用效果将报警信号接入吊机PLC回路中，实现主动关断功能。

2.2 利用倒车雷达实现防碰撞预警功能

倒车雷达原是汽车驻车或倒车时的安全辅助装置，能以声音或更为直观地显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了驾驶员驻车、倒车和启动车辆时前后左右探视所引发的困扰，帮助驾驶员扫除了视觉死角和视线模糊的缺陷。本次应用通过将其探头安装在变幅顶端，实现了监测全覆盖，并且利用专用延长线将报警单元远传至吊机驾驶室内，与蜂鸣器共同对驾驶员进行提醒。

2.3 在吊机视频监控系统应用网络摄像机

视频监控广泛应用于安防领域，本次改造将其应用到吊机的视频监控中。通过在钩头和滚筒上方安装网络摄像头将视频数据实时传输至驾驶室内，使吊车司机能时刻对吊货以及滚筒运行情况进行有效监控，形成了360°无死角的驾驶体验。

此次吊机改造所使用的为网络摄像头，通过小型交换机形成属于吊机视频系统的监控网络，在后续的改造中可以通过安装无线通信设备将视频数据远传至现有的平台办公网络，并使用办公区PC端对其进行监控。

3 改造措施

①在控制总油路上安装压力传感器，实时监控控制油路总压力。

②在主回油滤器上安装压力传感器，检测回油滤器堵塞状态。

③在吊车回转基座上安装相应的压力传感器。

④在驾驶室内安装压力监控无纸记录仪，时时显示各压力传感器示数，并能调取数据曲线进行历史分析，当压力传感器示数超过逻辑设定高报警值时会通过声光报警的模式及时通知吊车司机。

⑤在变幅顶端安装4个防碰撞雷达，当其监测到障碍物3m时通过声光报警及时通知吊车司机。

⑥在变幅顶端、A字架上安装3台防爆摄像机监控吊物及滚筒钢丝绳状态。在驾驶室内安装硬盘式录像机和12寸液晶屏，以实现画面的实时监控及 录像。

4 主要部件

4.1 防碰撞雷达

该装置的工作原理为：利用探头发出超声波信号，遇到被测物体后反射回来，并被雷达接收到，通过计算出的超声波信号从发射到接收再到回波信号的时间得知在介质中的传播速度，从而计算出距被测物体的距离[2]。该装置通过远端显示屏可实时显示爬杆范围内的实物环境，并明确提示爬杆与障碍物的距离，方便吊车司机判断，可在5m之内开始用蜂鸣声或指示灯提示，显示障碍物距离，并且随着爬杆与障碍物距离越近蜂鸣器声音越急促，同步指示灯闪烁，进行声光报警(图2、3)。

图2 防碰撞雷达安装示意图Fig.2 Installation diagram of anti-collision radar

该装置的适用性分析如下：

①工作温度为-40～80℃，适应渤海海域日常工作环境；

②防护等级为IP67，显示器与主机、探头与主机之间连接线均采用航空4芯接头，满足海上现场防护需求；

③24V直流电压供电，现场可直接取用；

④探测距离为0.1～3.0m，完全满足预警需求，吊车工作时此报警警示距离可提醒吊车司机，以防止碰撞，起到预定预警效果。

图3 防碰撞雷达工作原理图Fig.3 Working principle diagram of anti-collision radar

4.2 防爆摄像头

该装置的工作原理为：利用透镜成像的原理来实现图像的成像，通过感光芯片及相关电路来记录和传输图像信号。该装置通过远端显示屏可实时显示安装在各指定位置摄像头的显示画面，驾驶员可实时对滚筒及吊装情况进行确认。

该装置的适用性分析如下：

①工作温度为-20～40℃，适应渤海海域日常工作环境；

②采用隔爆型结构，均采用304不锈钢制成，具有良好的抗腐蚀性能，满足现场防护防爆需求；

③外径尺寸140mm×380mm，内径尺寸110mm× 290mm，视窗直径80mm玻璃镜面，整体直径88mm，重量6.5kg，满足现场安装需求；

④红外距离80m，有效距离50m，完全满足显示需求，可对各个观测点进行实时监控。

4.3 网络硬盘录像机

该装置的工作原理为：可以进行图像存储处理的计算机系统，具有对图像/语音进行长时间录像、录音、远程监视和控制的功能。配合摄像头使用，将监控的视频/音频数据进行存储。

该装置的适用性分析如下：

①工作温度为-20～40℃，驾驶室内使用，满足现场需求；

②220V交流供电，现场无需改造可直接取用；

③具有VGA视频、HDMI视频输出接口，支持VGA/HDMI同时输出，满足现场安装需求，可直接接入电脑显示器(进行支架改造安装即可)。

4.4 无纸记录仪

该装置的工作原理为：无需将采集的数据/运算数据以时间为基轴记录在仪器内部的存储系统中，通过运算、模拟后显示在液晶显示屏[3]。

该装置的适用性分析如下：

①工作温度为-20～40℃，驾驶室内使用，满足现场需求；

②220V交流供电，现场无需改造可直接取用；

③该装置可采集温度、压力、流量、液位、电压、电流、湿度、频率、振动、转速等数据，并通过数字显示、棒图显示、曲线显示、报警列表等直观地展示在装置的液晶显示屏上。本次改造计划对压力数据进行引入，后续将根据需要引入温度、流量、液位、频率、振动等数据，全面地对吊车的运行参数进行记录和分析。

5 改造过程

5.1 准备工作

对吊机所需电缆、仪表管线和支架进行测绘记录。由于吊机上部无法使用焊机对固定支架进行焊接，故利用废旧物料、借助平台外委热工作业提前制作摄像头和防碰撞雷达支架。

对智能吊机改造所需物料、工机具、劳保用品进行准备并清点。由于吊机液压系统最高压力可达30MPa以上，故在选取变送器及仪表管线接头时应选取耐压＞30MPa的备件。物料吊运至吊机上时做好隔离，禁止人员站在吊物下方。

5.2 防碰撞雷达系统安装

5.2.1 防碰撞雷达安装

吊车司机进行配合将吊臂调整至合适位置，人员佩戴好安全带后对吊臂上的防碰撞雷达进行安装，安装完毕后对信号电缆进行铺设、固定。

5.2.2 电缆孔开孔

对驾驶室进行新增电缆孔的开孔，并使用球磨机对孔口进行研磨，以防止开口边缘对电缆造成损伤；电缆通过密封填料函进入驾驶室，对填料函和电缆孔进行防水处理，以防止潮气进入驾驶室。

5.2.3 防碰撞雷达报警装置安装

对防碰撞雷达显示报警装置进行安装固定，完成后进行接线。

5.2.4 上电测试

将雷达系统通电，吊臂旋转至距离障碍物较近位置进行测试，并根据报警状态对雷达灵敏度进行调整。

5.3 视频监控系统安装

5.3.1 防爆摄像头安装

将提前预制的摄像头支架进行安装，安装完成后将摄像头进行固定，摄像头分别安装在主副钩上方、变幅滚筒上方、主副钩绞车上方，摄像头安装完成后对电缆进行铺设。

5.3.2 显示器及硬盘录像机固定

利用换代废旧的显示器作为监控显示装置，对显示器及硬盘录像机进行安装固定。

5.3.3 显示器及硬盘录像机固定

视频信号线进行接线，完成后设备通电，对硬盘录像机进行配置，根据显示画面对摄像头位置及焦距进行调整(图4)。

图4 摄像头位置及焦距调整Fig.4 Camera position and focal length adjustment

5.3.4 支架调整

对吊臂钩头正上方的摄像头支架进行调整，确保安装牢固可靠，同时摄像头可凭借自身重力跟随吊臂自动旋转，保证随时垂直于钩头正下方。

5.4 液压监控系统安装

5.4.1 变送器安装

变送器支架进行安装，对变送器进行固定，安装考克及接头。

5.4.2 仪表管线配置

仪表管线测绘、配管、吊机上液压管线多，管线曲折，配管难度大，需要安装人员精确地测量和熟练的配管技能，一分一毫的误差都有可能使高压液压管线紧固不到位，进而造成液压油的刺漏。

5.4.3 安装过流量阀

为了防止因下游仪表管线意外破裂造成液压油压力泄放引起吊装事故，特意在取压点下游安装可以阻止介质失控泄放的工业用过流量阀，以保证其本质安全和可靠性。

5.4.4 配置无纸记录仪

无纸记录仪提前通电测试，连接电脑进行配置，配置完成后安装至吊机驾驶室，并进行接线，利用废料制作无纸记录仪支架，对其进行固定(图5)。

图5 无纸记录仪测试Fig.5 Paperless recorder test

5.4.5 接线测试

信号电缆铺设穿孔，对无纸记录仪进行接线和通电测试。

5.5 功能测试

各系统安装调试无误后，吊机正常投入使用，可实现对吊机系统压力、控制压力、主钩刹车压力、副钩刹车压力、变幅刹车压力、回转压力6个系统压力的实时监控，在吊机使用过程中各系统功能状态稳定良好，能有效保证吊机的稳定运行。

6 结 语

该套系统的研发和应用有效保障了吊机的稳定运行，降低了因人为误操作造成的设备损坏，同时通过对历史数据的查看和分析便于人员对设备故障原因进行查找。此监控系统的应用可为吊车司机在作业过程中更好地了解吊机状况提供帮助，有效地提升了吊装作业安全，同时为维修人员故障判断和预知性维修提供了有力的工具，也为其他海洋起重机解决类似问题提供了经验，可以广泛推广使用。■