机械设备的远程监控分析

何志强

（中国水利水电第八工程局有限公司，湖南长沙 410000）

0 引言

近年来，各类机械设备在我国制造业、建筑业以及农业等领域均得到了广泛应用，且不断朝着高速化、大型化、复杂化以及重载化的方向发展。基于机械设备运行环境的复杂性特征与相关安全要求，将信息化、智能化的新技术引入机械设备维护管理中具有必要性，远程监控系统逐渐得到了推广应用。通过远程监控可实时掌握设备实际运行状态，并提供越限报警等功能，保证设备的安全高效使用。

1 机械设备远程监控概述

随着我国工程建设行业的不断发展，各种机械设备研发力度也在增强，并在实际工程建设中发挥着不可替代的作用，确保机械设备可靠、安全、持续运行，对于工程进度、质量、安全、造价等目标的实现具有重要意义。然而，从机械设备实际运行情况来看，其往往分布范围较广，且具有较强的流动性，传统依靠人工记录设备运行情况的方法，不仅效率低，也存在各种漏洞，极易因信息滞后导致设备故障在不知晓的情况下发生，整体管理难度大且效果不佳，极易出现安全事故。例如：2021 年，全国共发生房屋市政工程生产安全事故734 起、死亡840 人，其中，起重伤害事故55 起、机械伤害事故43 起。目前，国内已对机械设备监控管理提出了明确要求，如2011 年开启起重机械设备安全监控系统的前期试点，2015 年底对于未安装安全监控管理系统的大型起重机械都不予以使用。基于相关国家政策的推动，机械设备远程监控系统的发展与应用是必然趋势，对于制造、租赁、使用单位而言，通过远程监控系统的应用可实时掌握机械设备运行参数，对追查设备引起的安全生产事故原因，提供数据支撑，提高机械设备运行安全性、可靠性。

远程监控主要是伴随网络技术的进步而发展起来的，由传统的单机监控逐渐实现网络监控，主要功能如下：①采集和处理功能：主要是针对生产过程中各种模拟量、数字量进行检测与预处理，按一定形式输出，包括打印报表、显示屏等，帮助工作人员掌握生产全过程；②监管功能：对实时监测的全部数据，工作人员对机械设备的全部操作进行记录，整理数据，并通过数据再处理充分挖掘其价值；③分析功能：充分利用现有数据对整个机械设备进行分析，判断工作效率，是否存在异常等；④控制功能：在监测基础上通过数据加工，根据事件决定的控制策略形成控制输出，实现机械设备运行管理。机械设备远程监控是保证设备稳定运行的重要前提，也是工程建设作业顺利实施的关键。

2 机械设备主要远程监控内容

2.1 远程监控内容

工程建设中主要机械设备包括以下几类：土石方及筑路机械、桩工机械、起重机械、水平运输机械、垂直运输机械、混凝土及砂浆机械、加工机械、泵类机械、焊接机械、动力机械、地下工程机械、其他机械等。主要需监控的机械设备状态包括：停机、怠速、负荷运转、转场、低油量、异常油耗、高油耗等，具体采集数据包括：机械设备运行中的模拟量、开关量和报警量信息。因此机械设备远程监控对象多、内容复杂，对于机械设备制造者、使用者而言，具体监控要点如下：

（1）机械设备制造者。通过远程监控其生产设备运行状况，及时掌握机械设备实时运行装填，一旦设备运行过程中发生异常，可在发生故障前，及时提醒用户停止设备运行，防止因故障导致安全事故的发生，同时可在第一时间协助排除故障，提高服务质量，延长机械设备使用寿命。

（2）机械设备使用者。基于远程监控系统的查询功能，可对机械设备某时间段的运行状态进行历史查询、报警统计，通过数据分析判断机械设备发生故障的可能性，并及时排除，有效保证机械设备安全、可靠、持续运行。此外，通过远程监控系统的运用，可为追溯施工现场事故原因，提供可靠的数据支撑，明确责任追究，也为其他工程建设提供参考经验。

2.2 远程监控需求

基于机械设备恶劣的工作环境、较高的安全要求，对其管理工作提出了更高的要求。基于传统人工管理方法的诸多不足，远程监控系统的开发利用具有必要性，可实时采集、传输机械设备的运行参数，实现机械设备全方位管理。为保证机械设备的安全可靠运行，远程监控系统建设应满足以下需求：

（1）根据用户实际需求，针对不同类型机械设备设计监控界面，通过远程监控系统可实时监控各个设备运行状况，及时发现机械设备运行时的故障信息，避免机械设备故障导致发生安全事故。

（2）提供历史查询、统计等功能，通过查询机械设备历史运行状态，绘制相关曲线图，对某时间段机械设备运行稳定性与可能存在的安全隐患进行分析，及时开展检修维护工作，提高机械设备使用效率，延长使用寿命，通过统计设备运行中的报警信息，对设备故障原因进行分析，及时解决问题。

（3）提供系统运行安全管理功能，系统中用户分权限管理，使用登录密码进行加密管理，防止数据泄露导致系统运行不稳定；系统服务器端程序设置自动启动功能，即使系统发生异常也可持续安全运行。

（4）加强系统后期维护工作，提供客户端程序自动更新功能。基于用户需求的变化，系统客户端进行相应的调整优化，用户可在登录过程中下载最新运用程序，有效控制系统维护成本与工作量。

3 机械设备远程监控系统设计与实现

本文以大型起重机设备为例详细分析了机械设备远程监控系统设计与实现，在众多工程机械设备中，起重机械的运用非常广泛，它属于国家规定的特种设备，潜在安全隐患多，一旦发生事故极易造成巨大的经济损失，甚至是人员伤亡。对此，起重机械必须有更为完善的监控系统，及时发现起重机械运行故障与危险状态，并进行报警提示，以便机械设备管理维护人员及时解决，保证设备安全工作与运行。

3.1 系统总体设计

该远程监控系统主要组成部分包括：数据采集和处理单元，起重机监控系统主机，无线传输单元，数据中心服务器以及远程监控平台软件。

（1）数据采集和处理单元：通过现场总线采集起重机原有控制系统数据信息，包括开关量、模拟量、过程数据、报警故障信息，并传输至起重机监控系统主机，主要监控内容见表1。

表1 起重机械监控内容

（2）起重机监控系统主机（包括系统软件）：系统采用组态软件设计人机界面系统，显示起重机运行数据、故障报警信息，提供数据实时监控、存储、历史查询、故障报警定位、权限管理、趋势曲线分析、设备信息管理以及视频监控等功能。

（3）无线传输单元：接收系统主机监控数据，并发送至数据中心服务器。

（4）数据中心服务器：由数据库系统接收监控数据，进行数据解析、处理以及存储，并与远程监控平台软件建立数据连接。

3.2 硬件系统设计

此远程监控系统硬件总体设计（图1）。

图1 远程监控系统硬件总体设计框图

（1）数据采集和处理单元：选用西门子57-1200PLC 为核心控制器，成本低、体积小，安装容易，可使监控系统产品化。

（2）监控系统主机：选用诺达佳工业平板电脑工控机TPC6000-6120T，配置WinCC 组态软件，设置100/1000 Mbps 以太网接口，实现工控机与S7-1200PLC 之间的OPC 数据通信。

（3）无线传输单元：选用F7114 型IP MODEM 无线数据终端，支持数据透明传输、GPS 定位功能。

（4）数据中心服务器：选用DELL 8410 系列服务器，配置Xeon E5606 2.13 GHz CPU，8 GB 内存，通过防火墙与Internet公网连接，满足远程监控系统运行要求。

3.3 系统功能实现

根据起重机机械设备实际运行需求，本系统总体功能设计如图2 所示。人机界面设计简洁、直观，可通过设备工作状况动态模拟还原现场实际情况，便于管理人员实时、全方位掌握施工现场情况。管理人员登录后，可在主界面点击不同按钮进入不同功能画面，具体如下：

图2 监控系统软件的总体功能设计

（1）实时监控功能包括整机监控、主副起升监控、大小车监控功能（表2）。

表2 实时监控功能一览表

（2）历史数据回放功能。WinCC 组态软件提供数据归档功能，过程变量数据以数据库表形式在WinCC SQL 数据库中归档储存，可被查询与调用。

（3）数据趋势曲线分析功能：以图形形式处理过程数据，以趋势显示过程数据，提供各机构实时状态曲线趋势、历史曲线趋势回放功能，曲线可放大、缩小、打印与导出。

（4）报警故障记录与查询功能：为用户提供报警故障发生信息与时间、故障代码、复位情况，并提示报警故障解决办法，可生成相关报表，为起重机械设备维护管理、故障排除提供参考数据。

（5）运行维护和设备信息查询功能：系统提供按机构查询运行维护信息的功能，对各机构主要部件与易损易耗件使用时间、次数进行统计，并与相关额定值进行对比，达到预设报警值时及时报警提示，并生成运行维护保养单，系统提供信息查询功能，包括起重机性能参数表、主要配件厂商表、机械总图、电气原理图等。

（6）视频监控功能：系统使用WinCC 提供的IE 浏览器控件，并通过外部硬盘录像机Web 访问功能实现视频监控。

4 结语

综上所述，随着现代工程中机械设备使用种类、数量的不断增加，相应的管理难度不断增大。为实现机械设备安全、高效运行，远程监控的重要性逐渐凸显，通过合理的远程监控系统设计与应用，可为机械设备维护提供可靠的数据支撑，同时其报警功能有利于在第一时间发现故障并处理，而历史数据回放、数据趋势曲线分析等功能，可帮助管理人员分析机械设备运行状态、故障原因，并制定相关维护管理方案，对于机械设备后续维护与管理意义重大，切实保证工程建设的安全顺利完成。