于波 劉靜林

摘要：起重機(jī)是港口的核心設(shè)備，其可靠性和安全性對(duì)于港口來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。設(shè)計(jì)了一種港口起重機(jī)的健康及狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，并重點(diǎn)介紹了其功能設(shè)計(jì)，主要包含了港口起重機(jī)的狀態(tài)監(jiān)控、起重機(jī)空調(diào)系統(tǒng)監(jiān)控、堆場(chǎng)風(fēng)速監(jiān)控、配電系統(tǒng)監(jiān)控、燈監(jiān)控及堆場(chǎng)冷藏箱監(jiān)控等內(nèi)容。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)港口起重機(jī)及附屬設(shè)備的健康狀態(tài)、工作參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)的全程感知、精確測(cè)量、遠(yuǎn)程監(jiān)控和集中管理，對(duì)于降低提高港口的安全性和工作效率具有重要作用。

關(guān)鍵詞：港口起重機(jī)；功能設(shè)計(jì)；狀態(tài)監(jiān)測(cè)；遠(yuǎn)程監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TP277文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2019）13-67-5

0引言

從20世紀(jì)80年代至今，港口起重機(jī)因金屬結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞造成的事故有數(shù)十起[1]。港口起重機(jī)一旦發(fā)生事故，經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡的代價(jià)是巨大的。因此，對(duì)港口起重機(jī)進(jìn)行有效實(shí)時(shí)健康及狀態(tài)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，對(duì)減少或避免突發(fā)事故發(fā)生具有重要意義。

20世紀(jì)80年代，美國(guó)在多座橋梁上安裝監(jiān)測(cè)傳感器，用于對(duì)橋梁狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估[2]。英國(guó)、日本都開(kāi)始展開(kāi)重型機(jī)械裝備結(jié)構(gòu)監(jiān)控和診斷的研究，德國(guó)、新加坡等在結(jié)構(gòu)監(jiān)控領(lǐng)域都走在世界前列[3]。另外，丹麥、韓國(guó)、加拿大的許多大橋，都開(kāi)發(fā)配置了專門的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[4]。

進(jìn)入本世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)的學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)紛紛推出健康監(jiān)控和結(jié)構(gòu)修復(fù)、改造的技術(shù)[5-6]。但是，從現(xiàn)有的港口起重機(jī)作業(yè)狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)（RCMS）來(lái)看，還存在很多問(wèn)題，彼此獨(dú)立的功能系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代化集裝箱碼頭的管理需求[7]。

1總體方案

針對(duì)目前港口起重機(jī)作業(yè)狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)存在的問(wèn)題，提出了一種新的起重機(jī)健康狀態(tài)和作業(yè)狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控方案，通過(guò)結(jié)合現(xiàn)代智能傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)和工業(yè)數(shù)據(jù)采集技術(shù)，對(duì)集裝箱碼頭的大型起重機(jī)（岸橋、場(chǎng)橋等）和作業(yè)照明系統(tǒng)、變電供電系統(tǒng)和冷藏箱控制系統(tǒng)等作業(yè)輔助設(shè)施進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控和管理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)集裝箱碼頭大型作業(yè)機(jī)械和功能設(shè)施的健康狀態(tài)、工作參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)的全程感知、精確測(cè)量、遠(yuǎn)程監(jiān)控和集中管理。

2系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)多個(gè)集裝箱碼頭的需求調(diào)研，設(shè)計(jì)的港口起重機(jī)作業(yè)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)可以完成對(duì)起重機(jī)、起重機(jī)空調(diào)系統(tǒng)、堆場(chǎng)風(fēng)速、配電系統(tǒng)、高桿燈及堆場(chǎng)冷藏箱等的狀態(tài)監(jiān)控功能，以及其他一些統(tǒng)計(jì)分析功能。

2.1碼頭起重機(jī)狀態(tài)總覽

首先，監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具備碼頭起重機(jī)狀態(tài)總覽功能，通過(guò)在軟件界面繪制碼頭的真實(shí)地圖信息，使得所有碼頭起重機(jī)和設(shè)施的實(shí)時(shí)位置、狀態(tài)都能在地圖上展示，基于地圖的港口起重機(jī)健康及作業(yè)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)碼頭總覽圖如圖1所示。

系統(tǒng)同時(shí)也提供基于圖例的起重機(jī)和設(shè)施的實(shí)時(shí)位置和狀態(tài)展示，如圖2所示?？傆[圖同時(shí)提供碼頭所有起重機(jī)和設(shè)施的狀態(tài)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。用戶在總覽圖上可以看到碼頭所有起重機(jī)的位置和工作狀態(tài)等信息，點(diǎn)擊任一起重機(jī)圖形，進(jìn)入該起重機(jī)詳細(xì)監(jiān)控界面。

2.2起重機(jī)工作參數(shù)和狀態(tài)監(jiān)控

起重機(jī)監(jiān)控界面以動(dòng)態(tài)圖形方式展示起重機(jī)的整體及各個(gè)主要機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)和工作參數(shù)，并同時(shí)顯示起重機(jī)的信息點(diǎn)和故障報(bào)警。岸橋起重機(jī)（QC）的整機(jī)工作狀態(tài)展示界面如圖3所示。

港口起重機(jī)健康及作業(yè)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)同時(shí)通過(guò)專門界面對(duì)起重機(jī)的主要機(jī)構(gòu)，如大車、小車、起升、吊具、俯仰的狀態(tài)和參數(shù)進(jìn)行展示。起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)展示界面如圖4所示，起升機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)展示界面如圖5所示。此外對(duì)起重機(jī)的電源和通信系統(tǒng)也都有界面展示其工作狀態(tài)，如圖6所示。

起重機(jī)的所有電流、電壓等模擬量的工作參數(shù)都能夠以曲線方式展示，如圖7所示。

實(shí)時(shí)報(bào)警界面實(shí)時(shí)顯示全部起重機(jī)的故障報(bào)警信息，如圖8所示。設(shè)備搶修人員在去現(xiàn)場(chǎng)前可以先通過(guò)故障報(bào)警界面和起重機(jī)（機(jī)構(gòu)）監(jiān)控界面的信息判別故障類型，某些故障可以遠(yuǎn)程解決；對(duì)于需要去現(xiàn)場(chǎng)的也可以根據(jù)故障類型預(yù)先攜帶相應(yīng)工具和更換的配件，實(shí)現(xiàn)快速診斷、快速搶修。

起重機(jī)上的鋼纜、剎車片等配件都有一定的使用壽命，一般與起重機(jī)的工作時(shí)間有關(guān)，而起重機(jī)工作時(shí)各個(gè)機(jī)構(gòu)的實(shí)際工作時(shí)間不同，因此必須精確計(jì)量各個(gè)機(jī)構(gòu)的工作時(shí)間才能監(jiān)控鋼纜、剎車片等配件的剩余壽命，并且在到達(dá)預(yù)定工作時(shí)間時(shí)安排檢測(cè)。以前各個(gè)機(jī)構(gòu)的工作時(shí)間都是通過(guò)安裝在起重機(jī)上的機(jī)械表來(lái)計(jì)量，并由人工定期抄表，碼頭堆場(chǎng)面積很大，一百多臺(tái)設(shè)備的抄表要花費(fèi)2天以上。在港口起重機(jī)健康及作業(yè)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程抄表，用戶可以設(shè)定任意起始時(shí)間，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算起重機(jī)各個(gè)機(jī)構(gòu)的工作時(shí)間并以表格形式展現(xiàn)，用戶可以直接導(dǎo)出Excel表格，遠(yuǎn)程抄表界面如圖9所示。

2.3起重機(jī)空調(diào)系統(tǒng)監(jiān)控

起重機(jī)的電氣房?jī)?nèi)有大量的變頻器、繼電器等電器設(shè)備，工作時(shí)發(fā)出熱量導(dǎo)致電氣房的溫度升高，當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)會(huì)導(dǎo)致電氣設(shè)備停止工作或者故障，因此起重機(jī)電氣房?jī)?nèi)都安裝有2臺(tái)空調(diào)。如果空調(diào)制冷不足或發(fā)生故障停機(jī)，仍舊會(huì)導(dǎo)致電氣房設(shè)備故障，因此以往碼頭通過(guò)人工定期巡查來(lái)防止空調(diào)故障。根據(jù)該需求，通過(guò)在電氣房加裝空調(diào)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制設(shè)備，采集電氣房溫度和空調(diào)工作狀態(tài)數(shù)據(jù)傳送給設(shè)備狀態(tài)管理平臺(tái)進(jìn)行展示，所有監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)都實(shí)時(shí)存儲(chǔ)在工業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)中，可以實(shí)時(shí)查詢、導(dǎo)出或生成曲線。起重機(jī)空調(diào)遠(yuǎn)程監(jiān)控界面如圖10所示。

2.4堆場(chǎng)風(fēng)速監(jiān)控

起重機(jī)作業(yè)時(shí)對(duì)堆場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)速需要時(shí)刻監(jiān)控，當(dāng)風(fēng)速超過(guò)限制時(shí)要求停止作業(yè)，防止因風(fēng)力過(guò)大導(dǎo)致生產(chǎn)安全事故。堆場(chǎng)風(fēng)速遠(yuǎn)程監(jiān)控界面如圖11所示。

2.5配電系統(tǒng)監(jiān)控

傳統(tǒng)的岸橋起重機(jī)屬于移動(dòng)機(jī)械，因此采用自帶柴油發(fā)電機(jī)的方式為起重機(jī)的電氣系統(tǒng)提供電能[8]。近年由于油價(jià)上漲，集裝箱碼頭紛紛通過(guò)建設(shè)“油改電”系統(tǒng)采用市電替代柴油作為碼頭起重機(jī)的能源，因此集裝箱碼頭中機(jī)械動(dòng)力電力消耗已經(jīng)超過(guò)照明系統(tǒng)，對(duì)于工程管理部門而言，希望通過(guò)精確監(jiān)控各個(gè)系統(tǒng)的電力消耗來(lái)保障生產(chǎn)、削減成本。配電系統(tǒng)監(jiān)控模塊實(shí)時(shí)展示碼頭供電系統(tǒng)配電柜的工作狀態(tài)和參數(shù)，并且所有監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)都實(shí)時(shí)存儲(chǔ)在工業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)中，可以實(shí)時(shí)查詢、導(dǎo)出或生成曲線。配電系統(tǒng)智能電表監(jiān)控界面如圖12所示。

2.6高桿燈控制及監(jiān)控

集裝箱碼頭是24 h作業(yè)模式，因此堆場(chǎng)內(nèi)架設(shè)大量高桿燈用于照明，由于堆場(chǎng)的范圍十分大，有很多無(wú)作業(yè)區(qū)域的高桿燈也被點(diǎn)亮，耗費(fèi)大量電力。系統(tǒng)設(shè)計(jì)高桿燈控制及監(jiān)控模塊可以遠(yuǎn)程對(duì)高桿燈進(jìn)行監(jiān)視與控制。所有監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和開(kāi)關(guān)控制數(shù)據(jù)都實(shí)時(shí)存儲(chǔ)在工業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)中，可以實(shí)時(shí)查詢、導(dǎo)出或生成曲線。高桿燈遠(yuǎn)程監(jiān)控界面如圖13所示。

2.7堆場(chǎng)冷箱監(jiān)控

近年來(lái)，冷藏箱運(yùn)輸業(yè)得到了迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)碼頭的冷藏箱堆場(chǎng)的監(jiān)控方法為定時(shí)人工巡檢，逐箱逐項(xiàng)記錄溫度等參數(shù)。此方法浪費(fèi)大量的人力和時(shí)間成本，并且很難實(shí)時(shí)掌握冷藏箱運(yùn)行參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化，不適合大規(guī)模冷藏箱堆場(chǎng)的管理要求。由于大規(guī)模的冷藏箱堆場(chǎng)可同時(shí)容納上千臺(tái)冷藏箱，采用傳統(tǒng)的手工方法很難快速有效監(jiān)控，甚至?xí)斐裳诱`檢修時(shí)機(jī)，從而造成貨損的后果。另一方面，承運(yùn)質(zhì)量被國(guó)際上各大遠(yuǎn)洋運(yùn)輸公司高度重視，均提出對(duì)于冷藏箱的實(shí)時(shí)狀態(tài)跟蹤的要求，管理部門為了滿足貨損理賠時(shí)的取證需要，還要求對(duì)冷藏箱堆存過(guò)程中的運(yùn)行狀態(tài)歷史記錄進(jìn)行錄入和存儲(chǔ)。

本文通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)冷藏箱的供電狀態(tài)和制冷狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在監(jiān)控界面進(jìn)行展示，并在出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)發(fā)出告警。

2.8統(tǒng)計(jì)報(bào)表功能

系統(tǒng)對(duì)于所有監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)提供統(tǒng)計(jì)功能，用戶可以根據(jù)設(shè)定條件對(duì)匹配數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)生成Excel表格并直接導(dǎo)出到用戶計(jì)算機(jī)。統(tǒng)計(jì)報(bào)表功能中的維修工單界面如圖14所示。

2.9數(shù)據(jù)分析功能

系統(tǒng)對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)提供進(jìn)一步的數(shù)據(jù)挖掘能力，可以根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)效率、維護(hù)效率（處理故障的響應(yīng)速度和解決故障耗時(shí)）、作業(yè)能耗（單箱、單船的油、電消耗）進(jìn)行自動(dòng)分析，生成各類效率曲線，分析圖表供碼頭相關(guān)管理人員參考，提升相應(yīng)作業(yè)效率，減少能耗。集裝箱作業(yè)效率分析表界面如圖15所示。

3結(jié)束語(yǔ)

港口起重機(jī)是現(xiàn)代集裝箱碼頭中的核心設(shè)備，其安全性對(duì)于港口的生存與發(fā)展至關(guān)重要。本文設(shè)計(jì)的港口起重機(jī)健康及狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)以港口起重機(jī)的工作參數(shù)和狀態(tài)監(jiān)控為核心，融合了堆場(chǎng)風(fēng)速監(jiān)控、配電系統(tǒng)監(jiān)控、高桿燈監(jiān)控及堆場(chǎng)冷藏箱監(jiān)控等功能，并包含了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析和挖掘等功能，實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)主要在于各個(gè)子系統(tǒng)由不同的公司生產(chǎn)，其數(shù)據(jù)采集與通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)各不相同，為系統(tǒng)的集成帶來(lái)不便。研究成果可廣泛應(yīng)用于采用起重機(jī)的散貨港口、廠礦企業(yè)及礦山領(lǐng)域等，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

參考文獻(xiàn)

[1]萬(wàn)當(dāng).基于WEB的起重機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)， 2011.

[2]袁煜云，唐中興.傳感器在大跨度橋梁健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用與發(fā)展[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2010，6（4）： 15-18.

[3]張樹(shù)兵，時(shí)杰，費(fèi)學(xué)婷.起重機(jī)健康監(jiān)測(cè)研究現(xiàn)狀[J].建筑機(jī)械，2016（6）：65-70.

[4]劉娟.起重機(jī)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)[D].太原：中北大學(xué)，2011.

[5]史朝陽(yáng).橋式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)疲勞剩余壽命可靠性及其靈敏度分析[D].太原：太原科技大學(xué)，2014.

[6]朱從兵.基于有限元法的輕型港口起重機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析[J].中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2008（3）： 333-339.

[7]黃邢陳.橋式起重機(jī)安全監(jiān)控與性能評(píng)估系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].上海：上海交通大學(xué)，2015.

[8]王秋娜.多動(dòng)力源混合起重機(jī)系統(tǒng)仿真研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2014.