浅析港口机械设备远程监控系统开发

王亚梦，韩温金

（山东烟台市烟台港股份有限公司，山东烟台 264000）

0 引言

港口机械具有数量多、布置分散且种类不一等特点，随着航运业的发展和节能工作的不断推进，港口机械的性能水平已成为衡量各港口企业能源综合利用的一个重要参数。为了使港口企业正常生产，必须保证港口机械设备具有良好的工作状态。

近年来，港口机械监控技术突飞猛进，然而由于不同的机械系统实际需求存在着很大差异，系统不能充分反映设备的运行情况。目前性能参数的测试只能通过将测试仪器连接到配电室进行，这种方式既不利于实时监测，也存在一定的安全隐患。港口机械性能采集分析网络系统的建立，可以有效、实时地查看和统计机械设备的状态，并通过大数据模式的捕捉提高生产效率。各领域实时在线监测技术的发展，不仅减少了人力投入，而且还提高了实时监测的稳定性和收集数据的准确性，可以为设备分析和控制提供有效的历史信息。随着我国工业技术和信息化水平的进步，远程控制技术的开发越来越成熟，近年来一些港口已经有效应用其对机械设备进行监控和管理。该系统能够有效降低港口设备的维护成本，保证系统运行的可靠性和安全性。

1 系统总体设计

1.1 设计理念

港口机械性能采集系统主要通过各种传感器收集港口机械的各种指标。经过信号处理和数据采集过程后，通过无线网络进行传输，对终端的信息平台进行汇总和处理，并将数据显示在系统软件中。该系统应具有以下5 个设计特点。

（1）用户友好界面。为了让各级用户充分利用该系统，需要设计一个用户友好界面，点击用户界面上的按钮完成所有操作，不需要了解系统的操作就可在后台运行。

（2）智能系统。通过主机对收集到的数据进行分析，以确定该值是否超过预先设定的范围，如果超出设定值则应及时报警。

（3）拓展系统。系统应具有结构化、标准化、功能扩展、系统互联、模块化等功能，主要设备应满足拆迁重组的要求。

（4）系统容错。系统设计采用星形结构，当远程终端故障时不影响其他远程监测点数据传输。

（5）系统可靠性。系统具有自检能力，硬件和软件设计也保证了系统的可靠性。

1.2 系统功能

该系统的功能主要有两大类：一类是信息管理，包括查询历史监测数据、故障报告、用户信息、维护计划等功能；另一类是远程监控，包括状态监测、信息统计、数据导出、远程传输等功能。

1.3 系统构架

依据烟台港的运行情况和对机械监测的需求，将监测系统划分为3 个功能层，分别为客户端、主机以及设备端。其中，主机与客户端之间的通信通过有线局域网（LAN）进行，设备端与主机之间的通信通过有线局域网（WLAN）进行；设备终端的功能层数据传输与采集主要依靠PLC 系统、传感器和无线网桥来进行；主机的功能层通过对采集的数据进行处理、存储和输出，分析系统的健康状态并实时显示出监控机械的健康状态；一定权限下，客户端功能层可以监控设备终端。

监测系统构架的设计方案一般有两种，一种是通过监测系统的主机对客户端和终端设备的数据粗传输进行控制反馈，将所收集的数据进行分析处理后按照权限传递给客户端，该方案的缺点是当客户端用户较多时，容易造成网络拥堵；另一种是将客户端与设备终端对接、数据直接传输，这样能有效避免网络拥堵，但缺点是当客户端不在线或出现故障时，该系统的功能失效，无法实现有效监控。

2 数据采集和处理

数据信息需要采集各种传感器传来的测量信号，包括重量传感器、角位移传感器、水平位移传感器、电压传感器、电流传感器等。

（1）重量传感器：可将质量信号转化为电信号从而实现测量功能。用于机械设备的负荷测量。

（2）角位移传感器：与其他传统类型的传感器相比，该类传感器采用非接触设计，性能更可靠。

（3）水平位移传感器：将所测量的物理信号转换为电信号的形式，用于测量机器摆动时的距离。

（4）电压传感器：当电网中出现失真严重的波形信号时，该传感器可以实现信号的转换。

（5）电流传感器：电流传感器是一种检测装置，可以满足输出信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

港口机械的数据传输和处理，是通过安装在设备上的PLC 系统和对应的模块来完成的。不同类型的数据采集后传送到PLC，通过相应的模块转发，数据类型主要有状态数据、视频数据和健康数据：通过设备和传感器的PLC 获得设备的运行状态称为状态数据；应用摄像头采集视频数据传送到PLC；应用应变采集仪将监测设备的应力/应变数据转换为电信号成为健康数据。港口机械所产生的信号类型主要有两种：模拟信号和开关信号，而采用传感器采集到的信号主要以模拟信号为主，这些信号通过无线或有限传送到服务器，这一过程受电磁干扰较为严重直接影响到数据传输的准确性。而本设计采用PLC 进行数据的采集和传输，所产生的信号为数字信号，可以有效避开模拟信号传输的弊端（图1）。

图1 功能架构

3 通信网络

本系统的数据传输通常采用有线和无线通信结合的方式。

（1）在港口搭建有限局域网（LAN）和无线局域网（WLAN），港口设备通过WLAN 联网，客户端和服务器之间通过LAN 联网，实现远程控制和数据的处理。港口机械一般布置分散但有序，因此通过设备上安装的无线网桥实现监控数据的接收和发送，这样能使距离服务器较远的机械设备同样被并入互联网中。

（2）在机械设备的局域网接口上设置无线电桥，与安装在最近的设备上的无线电桥通信。这种方法搭建出的网络通信系统的优点是，即使距离主机较远处的设备也可以实现数据的传输，当继电桥连续上电时离线的设备不会影响其他机械设备的数据传输，网络结构相对简单、成本较低。缺点是数据传输是串联的，当热点中继失效后数据将无法正常传输。

4 人机交互界面

针对港口机械设备的需求和特点，设计了基于Kingview 软件的远程监控系统人机交互可视化界面。该界面不仅简洁方便而且具有机械设备的健康监测系统管理、控制和监测等必备功能，具有开放性，界面的操作主要包含状态监控界面、实时报警、过程曲线、历史曲线、以及查询历史数据等（图2）。在该界面不仅可以观察港口区域内机械设备的在线状态和分布情况，而且可以通过各个设备的入口进入到监测主界面。主界面具有健康监测、实时监测和超限报警的功能。

图2 人机交互界面

例如，针对港口门式起重机实时监测功能监测的主要参数有重量、时间、风速、高度、门限位等；超限报警功能通过预设的报警值来实现实时的状态监测，当发生操作故障、设备故障及其他故障状态时进行报警警示，同时对门机动作进行锁定，以确保工作状态安全。同时，应用SQL 库可以实现监测历史数据的存储与分析，通过历史数据制作统计报表、绘制统计柱状图等，实现实时的信息化管理。

5 健康水平评估与预测

港口设备机械零部件在工作时承受的荷载是随机并连续的，对于机械零部件健康水平的预测应基于机械结构的特点来进行，因此应用Miner 损伤理论来预测设备的使用寿命D。

其中，l 为运行过程中循环的种类，Ni为在该种循环作业的应力下港口机械所具有的寿命，ni为一次作业中所能承受的所有的循环次数。不同的应值对应的应力等级如表1 所示。

表1 应力等级

根据大型港口机械的实际磨损情况以及在工作过程中产生的测点应力，计算各构件的健康水平及剩余寿命。

为了验证该系统，在烟台港型号为MQ4040 的门式起重机上进行应用。将应变仪和PLC 安装在司机控制室内，按照上文方案将各传感器监测信号传输到PLC，并通过全向网桥将收集到的信号发射出去。调试后系统能够实现实时的数据采集与传输，网络信号稳定且能对信息快速响应。在机械健康水平方面，通过分析得到该门机工作时各构件产生的应力值，根据Miner 损伤理论的计算结果，起重机的主要构件在焊缝无裂纹且保持历史应用水平的情况下，相关构件至少可安全使用0.6142×105次，安全运行约10 年。因此，该远程监控系统能够预测构件使用寿命，及时发现设备故障并报警，有助于提高设备管理水平，为安全生产保驾护航。

6 总结

港口企业和机械设备的使用相当复杂，机械设备的安全运行是企业运营的基础。通过收集各种机械设备的性能信息，开发了港口机械设备远程监控系统，可以实时控制设备的使用情况，更清楚地发现运行过程中出现的问题。该系统提供了状态实时监测、故障诊断预警、历史数据查询、用户管理、维护管理、信息统计、数据导出等功能，基于WLAN 实现了数据信息采集、人机界面交互、信息通信等，保障港口机械设备的可靠运行，促进港口贸易的发展。