一、前言

随着我国经济形势的快速发展，港口起重机逐渐呈现设备大型化、生产效率高、技术复杂和 作业连续性强等特点，可满足提高装卸效率、降 低生产成本等客观要求，而由机械设备发生故障 造成停工停产所带来的经济损失却越来越大。 

为了保障起重机械的工作安全，国发[2010] 23号和国质检特联[2011]137号文相继提出了 大型起重机械安全监管要求，新近颁布的国家标 准“起重机械安全监控管理系统”进一步细化提 出要构建“对起重机械工作过程进行监控，能对 重要运行参数和安全状态进行记录管理的起重机 械信息系统”。该标准具体地规范起重机械电气系 统的全面安全性，并强调在正常工作过程阶段和 事故发生阶段的可记录性，增加事故的可追溯性。

 随着智能传感器技术、无线数据传输技术以 及物联网技术的发展，不少无线监控系统开始在 港口起重机械行业上应用¨-31。本系统在国家标准 的基础上，综合客户设备管理要求，设计了一套 新型的起重机安全监控系统，主要特点有：实现了 各类安全数据的采集；设计了安全数据的黑匣子 式存储；实现了数据的远程传输与大容量服务器 存储；实现了基于互联网的起重机械金属结构远 程监测与故障诊断；设计了开放式的设备远程管理系统等。

二、方案的选择 

国家标准要求监管的数据种类较多，采集到 的数据首先要完成本地存储，然后再通过GPRS传 输到远程服务器。针对数据采集和无线远程传输 方式有以下3种方案可供选择。 方案1：每个数据采集节点上均安装一个数据 存储单元和数据传输单元(GPRSDTU)，其优点 是数据量小，传输速度快，但由于每个DTU中均 需要传送数据，每个数据包也都需要前缀、后缀 等冗余数据，这就大大增加了GPRS流量，．且每个 采集节点都要有数据存储和DTU单元，这些将增 加系统成本。该方案1的原理图见图1。

方案2：各采集节点连接到一个基站节点上， 在此基站节点上安装一套数据存储单元和单个 DTU，将所有的采集数据放到一个数据包中进行传 输。该方案只选用一个DTU实现数据的远程传输， 可大大减少数据传输的流量，降低系统成本。若 同时发送所有数据将会导致每包中的数据量过大， 传输速度会慢，实时性差。数据中除了包括国标 要求的安全数据外，还包括起重机械金属结构状 态监测等的数据，对现场数据存储的容量和速度 均要求较高。方案2的原理见图2。 

方案3：综合前2种方案，将国标要求的安全 监控数据作一组，结构监测等数据量较大的作为 一组，其他的作为一组，各组节点之间通过有线 (485总线)或无线(ZIGBEE模块)进行通讯。3 套系统同时并行运行的方式既保证了该系统各项 数据的采集、存储和传输的实施性与可靠性，又 在一定程度上节约了系统成本。 2远程监测系统设计

 2．1监测系统总体框架 

如图3所示，门座起重机监测系统主要由3个 基站分别与设备运行信息管理、远程结构监测级 故障诊断、常规检测、服务器、现场人员和基层 管理等组成。 

2．2安全黑匣子子系统 

将国标中规定的安全数据作为一组，组内各 节点之间通过485总线进行通讯，并可实现对此子 系统中所有数据进行分析、传输和现场存储，安 全黑匣子子系统的总体框图如图4所示。 

1)同一轨道2车间距监测在起重机作业过 程中，为了避免同一轨道上的起重机发生碰撞， 需要对2车间距进行实时监测，当间距小于额定 间距时进行报警。常用的测距方法有激光测距、 超声波测距和红外测距方法等。超声波测距具有 信息处理简单、快速和价格低，易于实时控制的 优势，且在测量精度方面也能达到测量要求，故 在本系统中选择超声波测距的方法。

2)安全防护装置本系统设计的安全防护装 置有起升／下降限制位幅度限位、防风防滑安全 装置、联锁保护、回转锁定装置和起升机构制动 器释放装置。 

3)起重力矩数据采集该起重机的力矩限制 器同时采集了起重量和幅度信息，常规力矩限制 器供应商均可提供带数字输出接口的设备。为简 化应用，本系统直接通过力矩限制器中的数字接 口获取数据。远程服务器实时显示起重载荷和幅 度，并根据设计要求报警。 

4)回转角度采集：门座起重机回转角度直接 影响载荷的结构受力，本系统选用电子罗盘实现对 回转角度的状态监测，它是通过磁感应器中2个互 相垂直轴同时感应地球磁场的磁分量，从而得出方 位角度。将电子罗盘安装在司机室顶部，罗盘在初 次安装使用前要对臂架等旋转角度进行标定，使罗 盘的输出可正确反映起重机回转角度的实际值。电 子罗盘安装过程中要注意周围铁磁性材料的影响。 

5)现场存储模块设计监控数据的现场存储 可防止由于公网的不稳定导致安全数据的丢失。采 用专用存储装置(如硬盘等)价格昂贵，本系统根 据起重机械安全监控需要设计基于SD存储卡的现 场存储方式。SD卡使用SPI接口与主控制器 C8o51FD20连接。SD卡的文件系统使用FAT16文件 系统，系统程序调用设计的函数进行SD卡读写操作， 这些操作主要包括新建文件、打开文件、读(写)数 据和删除文件等。主要特包括文件按天命名、数据 写满指定天数后自动覆盖最前一天的数据。 

2．3设备运行信息管理子系统 

1)操作人员信息很多事故的起因都是操作 人员的违规操作，为了便于在事故发生后查找到 具体的操作人员，追究责任，杜绝类似的事故再 次发生，该系统记录操作人员的操作时间。本系 统中选用非接触式的智能卡识别方式进行人员信 息的采集，人员信息采集节点采集到的信息包括 操作者编号信息、上机时间、下机时间及操作者 总的操作机时。 

2)工作量和循环次数统计系统根据门座起 重机的起升载荷、幅度和回转角度特征判定一次 工作循环，将工作循环中的载荷及循环次数进行 统计，可为企业管理提供有用信息，也可为设备 安全使用寿命预测提供数据支持。 

3)耗电量获取起重机上的电表信息进行存 储和传输，服务器按操作者、时间等进行统计。 

2．4远程结构监测及故障诊断子系统 

1)远程结构监测及故障诊断无线应变采集 节点设计，应力测试技术是通过测量应变片阻值， 来算出钢材所受力的大小及方向]。应变片采用 焊接式电阻应变片，通过点焊机与起重机钢板完 全贴合。钢材在受力变形时，拉压应变片从而改 变它的阻值。系统采用新型传感技术实现应变的 采集、传输，并在服务器实现起重机械金属结构 的安全评价。 

2)远程振动监测及故障诊断门座起重机的 振动监测主要包括常规的减速器故障检测及回转 支承故障检测‘，对其进行振动实时监测和分析， 可避免突发性故障的发生，及时对设备进行维护。 本系统中采用2种不同的加速度传感器用于减速 器和回转轴承。 采集的数据实现实时曲线，并对振动信号进行 时域分析、频域分析和时频域分析，求出信号的均 值、标准差、峰值、有效值和峭度值，并自动对 分析结果做出报表分析。振动信号分析见图5。 值、标准差、峰值、有效值和峭度值，并自动对 分析结果做出报表分析。振动信号分析见图5。

三、结论 

 本系统针对 国家监管部 门大型起 重机械安全 监管的要求 ， 设计 了一种 门座起重机 械网络化安 全监控系统。 本 系统 既能够 实现国标 的安全装置 记录要求 ， 还增加 了完成对人员信 息的管理和 电 量 、 工作台时等的管理； 同时实现 现场的数据存 储和基于互联 网的远程存储 ； 实现结 构应变 的远 程智能检N ／监测 ； 实现 门座起重机远程振动监测 和故障诊断等功能。 本系统 已在港 口多台门座起 重机上进行 了应用 ， 不仅提 升港 口门座起 重机使 用的安全性 ， 更提升大型港机安全管理 和维修养 护的水平， 具有广泛的应用前景和社会经济效益