崔浩杰，段晨東

（長安大學電子與控制工程學院，陜西西安 710064）

塔式起重機是建筑施工中廣泛應用的運輸設備。但是，塔式起重機傾翻、人員墜落、墜物砸人等事故時有發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計，2016—2020 年間，我國共發(fā)生塔機安全事故343 起，造成了嚴重的人員傷亡與財產(chǎn)損失。導致塔機發(fā)生故障的隱患絕大部分都能通過塔機的狀態(tài)和生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測提前進行排除[1-4]，因此，塔機狀態(tài)監(jiān)測對安全生產(chǎn)具有重要意義。

目前，塔式起重機電氣控制系統(tǒng)中的安全裝置大都獨立運行，系統(tǒng)性差。塔式起重機無線安全監(jiān)測系統(tǒng)解決了這個問題，它綜合電氣控制系統(tǒng)中的各項數(shù)據(jù)來判斷故障狀況。然而，由于安全裝置在故障發(fā)生后才動作，現(xiàn)有的塔機安全監(jiān)測系統(tǒng)不能防止故障的發(fā)生，只能在故障發(fā)生后及時止損。此外，這些塔機安全監(jiān)測系統(tǒng)少有涉及塔機運行的最關鍵部分——電機[5-13]。事實上，通過電信號更能敏銳地發(fā)現(xiàn)塔機電機運行過程中的故障[14]。另外，現(xiàn)有塔機安全監(jiān)測多采用有線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，這是由于生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境復雜，有線監(jiān)測成本高、難度大，有線電纜在施工環(huán)境下容易損壞，引發(fā)安全隱患。

該文針對現(xiàn)有塔式起重機安全監(jiān)測系統(tǒng)的缺陷提供了一套無線遠程管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)首先通過現(xiàn)場傳感器讀取塔機的相關數(shù)據(jù)，分時地將多臺塔機的數(shù)據(jù)遠程上傳到監(jiān)控主機，以電機的輔助觸點信號來確定塔機的運行過程，實時進行故障監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析。與傳統(tǒng)塔機監(jiān)測系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)有三大優(yōu)勢：第一，以無線方式傳輸數(shù)據(jù)，更經(jīng)濟、更安全。第二，綜合分析各項數(shù)據(jù)，準確率高。第三，對塔機電動機電信號進行統(tǒng)計量和頻率的監(jiān)測，能夠預警故障。

1 塔式起重機監(jiān)測需求分析

1.1 現(xiàn)有塔式起重機監(jiān)測系統(tǒng)缺陷

目前塔式起重機監(jiān)測系統(tǒng)一般通過讀取塔機電氣控制系統(tǒng)安全裝置的信號進行安全監(jiān)測，這種方式有四大缺陷：

1）目前塔式起重機電氣系統(tǒng)的安全裝置只有在狀況發(fā)生時才會動作，達不到預防故障的目的。

2）塔式起重機的各監(jiān)測裝置獨立運行，若事故發(fā)生時監(jiān)測的單項參數(shù)沒有明顯超限，就不會報警，事實上，如果系統(tǒng)分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，這些故障是可以被監(jiān)測的。

3）有線監(jiān)測線路冗長，容易損壞。

4）對電機的監(jiān)測不全面、監(jiān)控內容不全面，只安裝電機的過載、過壓、相序保護裝置。

1.2 塔式起重機監(jiān)控內容

如表1 所示，針對以上問題，并根據(jù)GB/T6067.1及相關標準的要求，塔機的監(jiān)測可以分兩個層次。第一，塔機電氣控制系統(tǒng)安全裝置的報警信號。第二，對塔機電動機電信號的監(jiān)測，實時監(jiān)控塔機電信號的有效值和頻率分量，出現(xiàn)有效值超標或出現(xiàn)故障頻率，應該提前預警故障[15]。

表1 塔式起重機監(jiān)控內容

2 系統(tǒng)總體設計

2.1 系統(tǒng)的設計目標

1）完成塔機電氣控制系統(tǒng)的監(jiān)測。系統(tǒng)能實時監(jiān)測塔機電氣控制系統(tǒng)的狀態(tài)，并在電氣控制系統(tǒng)安全裝置動作時報警。

2）完成塔機電機狀態(tài)預警。系統(tǒng)能讀取塔機的動作狀態(tài)和電信號數(shù)據(jù)并進行分析，預警塔機故障，為故障決策提供支持。

3）實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集傳輸并設計相應的監(jiān)測軟件。系統(tǒng)能遠程傳輸塔機的各種數(shù)據(jù)并合理地進行存儲、顯示、分析。

2.2 系統(tǒng)的設計方案

如圖1 所示，系統(tǒng)主要由三部分組成，第一部分為電流電壓傳感器，負責信號采集和信號預處理與發(fā)送。第二部分是由網(wǎng)絡運營商提供的通信及數(shù)據(jù)管理服務。第三部分是遠程監(jiān)測中心，負責信號的實時顯示與數(shù)據(jù)庫的交互。如果施工現(xiàn)場有多臺塔機需要同時監(jiān)測，則每臺塔機都需要安裝現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)，通過無線網(wǎng)關發(fā)送傳感器的讀取數(shù)據(jù)。遠程監(jiān)控機分時地接收多臺塔機的數(shù)據(jù)，同時監(jiān)測這些塔機的運行狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)體系結構

現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)需監(jiān)測塔機電氣系統(tǒng)安全裝置的報警狀態(tài)和塔機的電機電信號，這些數(shù)據(jù)由相應的傳感器進行讀取并連接到現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)的指定通道。塔機動作電機的電流和電壓信號由其相應的輔助觸點確定，需要發(fā)送的觸點信息包括回轉機構的觸點狀態(tài)、變幅機構的觸點狀態(tài)、起升機構的觸點狀態(tài)。這些數(shù)據(jù)在網(wǎng)關中進行預處理后，被發(fā)送至監(jiān)測中心。

監(jiān)控機運行時，首先分時接收各塔機發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后把需要顯示的信號在界面上顯示出來。顯示的同時對信號進行分析，如果發(fā)現(xiàn)信號長時間超過限位或塔機本身的安全裝置出現(xiàn)動作，及時進行報警。另外，遠程監(jiān)控機把接收到的數(shù)據(jù)實時存入遠程數(shù)據(jù)庫中，以數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)長線分析塔機的運行狀況，如果電流、電壓信號的頻譜中出現(xiàn)故障頻率，則根據(jù)統(tǒng)計量和頻率分析進行故障診斷，預警塔機故障，為故障決策提供支持。

3 硬件設計

如圖2 所示，施工現(xiàn)場可能有多臺塔機進行作業(yè)，這些塔機均需配備一套現(xiàn)場采集系統(tǒng)，所有采集系統(tǒng)共用與遠程監(jiān)控機連接的通道。一臺塔式起重機有三大電機驅動機構：回轉機構、變幅機構和起升機構，根據(jù)GB/T6067.1 及相關標準的要求，在塔機運行過程中，回轉電機、變幅電機和起升電機在同一時間段只能運行一臺，所以這三臺電機的電壓、電流信號可以每相合用一路通道，一共占用6 路通道，而到底是哪一臺電機在運行可以通過對應電機接觸器的輔助觸點狀態(tài)來判斷。起重量感器、高度傳感器、幅度傳感器、回轉角傳感器、傾角傳感器、風速傳感器各占用一路模擬通道，合計12 路模擬信源。目標塔機回轉機構狀態(tài)、變幅機構狀態(tài)、起升機構狀態(tài)以及報警信號各占用一路數(shù)字信源，合計4 路數(shù)字信源。

圖2 系統(tǒng)硬件設計示意圖

根據(jù)以上要求，使用EM9118B2-12 數(shù)據(jù)采集卡作為現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)控。它是一種高速并行、高精度的數(shù)據(jù)采集設備，帶有模擬輸入、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、計數(shù)、測頻、離線采集等功能，最多可以采集12路模擬信源，4 路模擬信號源。使用時，將各信號接至對應通道即可。

得到采集數(shù)據(jù)后，使用InGateWay502無線網(wǎng)關將數(shù)據(jù)及時發(fā)送至監(jiān)控機進行處理。InGateWay502是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領域的一款邊緣計算網(wǎng)關，可以通過多種方式上網(wǎng)，除支持主流的Modbus TCP/RTU 等協(xié)議外，它還支持用戶二次開發(fā)，可以在這個網(wǎng)關上運行編寫好的Python App 進行邊緣計算。將EM9118B2-12數(shù)據(jù)采集卡和InGateWay502無線網(wǎng)關通過光纖進行連接，就能通過這個功能調用EM9118B2-12 開發(fā)人員提供的API接口，讀到相應數(shù)據(jù)同時對數(shù)據(jù)進行預處理，降低通信壓力提高通信速度。在InGateWay502無線網(wǎng)關中插入SIM 卡，將網(wǎng)關與互聯(lián)網(wǎng)相連接，數(shù)據(jù)預處理完成后，在App 中運行TCP 服務端，向監(jiān)控機指定接口循環(huán)發(fā)送采集的數(shù)據(jù)。

4 軟件設計

如圖3 所示，該監(jiān)控系統(tǒng)的軟件主要分為兩部分：第一部分是運行在InGateWay502 無線網(wǎng)關上的邊緣計算Python App，主要完成信號采集和數(shù)據(jù)預處理、發(fā)送的功能。第二部分是運行在遠程監(jiān)控機上的Java 監(jiān)控程序，Java 具有多線程功能，可以并行接收數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)并報警、與MySQL 數(shù)據(jù)庫交互并進行長時間的數(shù)據(jù)分析，完成塔機故障的提前預警。數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊采用可以在不同語言間通信的Open TCP 協(xié)議來完成，多個數(shù)據(jù)采集模塊分時地占用數(shù)據(jù)處理模塊。

圖3 塔機無線監(jiān)測系統(tǒng)軟件體系結構圖

4.1 信號采集部分

如圖4 所示，信號采集部分程序運行在InGateWay502 無線網(wǎng)關上，由邊緣計算Python App 調用EM9118B2-12 的開發(fā)者動態(tài)鏈接庫來采集數(shù)據(jù)。首先，讀取起重量、高度、幅度、回轉角度、風速、傾角、三相電流、三相電壓這12 路模擬信號，然后，讀回轉機構、變幅機構、起升機構的工作狀態(tài)及安全裝置的狀態(tài)這4 路數(shù)字信號。最后，以16 進制字符串的形式將采集到的數(shù)據(jù)通過開放TCP 協(xié)議從服務端發(fā)送到遠程指定IP 端口。

圖4 采集程序流程圖

4.2 信號處理部分

監(jiān)控程序流程如圖5 所示，信號處理部分由Java主程序完成，主要功能包括數(shù)據(jù)標定、顯示、存儲、追憶和塔機狀態(tài)顯示與報警。程序運行時首先要對程序進行設置，初始化操作主要包括設定報警閾值和超限報警時間、格式化數(shù)據(jù)庫等。進入循環(huán)部分后，程序先使用TCP客戶端接收塔機的數(shù)據(jù)字符串，并對相應數(shù)據(jù)進行分割，并行進行數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存庫及數(shù)據(jù)分析。

圖5 監(jiān)控程序流程圖

數(shù)據(jù)顯示主要包括顯示當前運行的塔機序號和動作機構，以標簽顯示起重量、高度、幅度等數(shù)據(jù)，以曲線顯示電壓、電流波形及其對應的有效值。顯示的同時將數(shù)據(jù)存入MySQL 數(shù)據(jù)庫中，以便后期長期分析數(shù)據(jù)，預警未來故障。當前運行電機的電壓、電流任何一相超過設定閾值或數(shù)據(jù)庫中的電信號，做FFT 分析后發(fā)現(xiàn)除工頻信號外的其他大量邊頻信號時，程序進行報警并記錄故障信息。

4.3 管理及監(jiān)控4.3.1 程序運行

圖6 為數(shù)據(jù)顯示界面，圖7 為故障記錄界面。

圖6 數(shù)據(jù)顯示界面

圖7 故障記錄界面

4.3.2 故障頻率分析與故障預測

如圖8 所示，在程序運行過程中會調取大量數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進行故障頻率的監(jiān)測，如果發(fā)現(xiàn)除工頻外的大量邊頻信號，說明電機運行狀態(tài)異常[16-17]。異常狀態(tài)出現(xiàn)后，通過統(tǒng)計量、時域波形和頻譜分析進行故障分析，診斷潛在故障。

圖8 故障診斷

5 結束語

電機的狀態(tài)監(jiān)測對塔式起重機的安全穩(wěn)定運行至關重要。該文通過電氣控制系統(tǒng)安全裝置監(jiān)測和電機電信號分析判斷塔機運行狀態(tài)，實現(xiàn)了一種無線遠程塔式起重機安全監(jiān)測系統(tǒng)，能及時發(fā)現(xiàn)塔機運行過程中的危險狀況，保障了塔機的安全穩(wěn)定運行。與傳統(tǒng)塔機監(jiān)測系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢，首先，它整合了有關塔機安全運行的所有信息，使用簡潔的單通道結構讀取了大量數(shù)據(jù)。其次，它不僅監(jiān)測了塔機的起重量、高度等傳統(tǒng)信息，還分析了塔機運行電機的電信號頻譜，能更敏銳地察覺到塔機故障。最后，該系統(tǒng)大部分信號使用無線傳輸?shù)姆绞?，減少了監(jiān)測成本和安全隱患。