胡立文，樊留群，陳 剛，李德忠

（1.同濟(jì)大學(xué) 中德學(xué)院，上海 201804；2.中船第九設(shè)計(jì)研究院 工程有限公司，上海 201804）

門(mén)式起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)

胡立文1，樊留群1，陳 剛2，李德忠1

（1.同濟(jì)大學(xué) 中德學(xué)院，上海 201804；2.中船第九設(shè)計(jì)研究院 工程有限公司，上海 201804）

監(jiān)控管理系統(tǒng)可以對(duì)大型起重機(jī)械的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，有效預(yù)防和減少安全事故。論文在分析了起重機(jī)械遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)上，提出了一種適合船用門(mén)式起重機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。通過(guò)OPC技術(shù)對(duì)門(mén)式起重機(jī)PLC控制數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采用3G技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞，所開(kāi)發(fā)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在多家造船企業(yè)得到了實(shí)際運(yùn)用。

遠(yuǎn)程監(jiān)控；起重機(jī)；3G技術(shù)

0 引言

為了提高大型起重機(jī)械安全，預(yù)防和減少起重機(jī)械特大事故的發(fā)生，近年來(lái)國(guó)家對(duì)大型起重機(jī)械安裝安全監(jiān)控管理系統(tǒng)進(jìn)行了大力的推動(dòng)[1]。根據(jù)《大型起重機(jī)械安裝安全監(jiān)控管理系統(tǒng)實(shí)施方案》（國(guó)質(zhì)檢特聯(lián)〔2011〕137號(hào)）的要求，從2014年開(kāi)始，在所有在用的大型起重機(jī)械上全部安裝安全監(jiān)控管理系統(tǒng)。鑒于船用特種起重機(jī)在造船業(yè)的廣泛運(yùn)用，開(kāi)發(fā)運(yùn)用在船用特種起重機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)顯得越來(lái)越重要。

1 起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)組成和功能

起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是指能夠?qū)ζ鹬貦C(jī)械工作過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，并能夠?qū)ζ渲匾\(yùn)行參數(shù)和安全狀態(tài)進(jìn)行記錄管理的起重機(jī)械信息系統(tǒng)[2]。在起重機(jī)設(shè)備控制系統(tǒng)中集成 “起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)”，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制過(guò)程中的關(guān)鍵信息和使用信息實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ)，并利用無(wú)線(xiàn)通訊和Internet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將這些信息及時(shí)地提供給異地（遠(yuǎn)程）監(jiān)控人員，實(shí)現(xiàn)異地對(duì)設(shè)備使用狀況的遠(yuǎn)程監(jiān)控以及出現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)和故障診斷，也可以借助該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起重機(jī)使用信息的管理。起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是由多個(gè)功能模塊按需組合而成，可以根據(jù)用戶(hù)的需要定制個(gè)性化的監(jiān)控模塊。根據(jù)《起重機(jī)械 安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》（GB/T 28264-2012）對(duì)起重機(jī)械監(jiān)控管理系統(tǒng)的功能要求及項(xiàng)目實(shí)際情況，將該系統(tǒng)劃分為以下三個(gè)模塊：實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊、故障診斷模塊、歷史回溯模塊。圖1為起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)圖。

1.1 實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊

該模塊實(shí)時(shí)監(jiān)控起重機(jī)總體及各個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)、電機(jī)的狀態(tài)和操作人員的實(shí)時(shí)操作。主要有以下幾個(gè)單元組成：

（1）起重機(jī)總體狀態(tài)監(jiān)測(cè)單元：監(jiān)控起重機(jī)的總體運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)該單元界面可以了解起重機(jī)運(yùn)行的一般狀態(tài)，比如起重機(jī)是否在工作，上下小車(chē)的位置、速度，剛?cè)嵬鹊奈恢茫瑘?bào)警發(fā)生部位等等。

圖1 起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

（2）操作臺(tái)狀態(tài)監(jiān)測(cè)單元：監(jiān)控操作臺(tái)按鈕和檔位信息，從而監(jiān)視司機(jī)正在進(jìn)行的操作，掌握起重機(jī)運(yùn)行動(dòng)態(tài)信息，起重機(jī)的行走方向、速度檔位，上下小車(chē)行走或起升的方向、速度檔位，以及單動(dòng)、聯(lián)動(dòng)狀態(tài)等等。

（3）剛、揉腿狀態(tài)監(jiān)測(cè)單元：監(jiān)控剛、柔腿車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)控剛、柔腿車(chē)的速度，錨定的狀態(tài)，夾軌器的狀態(tài)等等。

（4）上、下小車(chē)狀態(tài)監(jiān)測(cè)單元：監(jiān)控上、下小車(chē)的行走狀態(tài)和兩個(gè)吊鉤的狀態(tài)，監(jiān)控上、下小車(chē)的行走速度，兩個(gè)吊鉤的起升速度，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)等。

（5）電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)單元：監(jiān)控電機(jī)、變頻器、熔斷器和斷路器的狀態(tài)。

（6）總線(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)單元：監(jiān)控工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，如PLC主站的狀態(tài)。

各個(gè)單元所采集到的數(shù)據(jù)類(lèi)型主要有兩類(lèi)，開(kāi)關(guān)量和模擬量。表1為主要的數(shù)據(jù)采集源及其數(shù)據(jù)信息。

表1 主要數(shù)據(jù)采集源信息

1.2 故障診斷模塊

該模塊主要是將采集到的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)中預(yù)存的標(biāo)準(zhǔn)做比較，當(dāng)不符合標(biāo)準(zhǔn)時(shí)系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并根據(jù)預(yù)存的故障表判斷系統(tǒng)出現(xiàn)的故障。該模塊提供三種查詢(xún)：實(shí)時(shí)報(bào)警、歷史報(bào)警和報(bào)警統(tǒng)計(jì)。

（1）實(shí)時(shí)報(bào)警。實(shí)時(shí)報(bào)警是指當(dāng)前發(fā)生的未被確認(rèn)或者解除的報(bào)警。通過(guò)該單元可以查詢(xún)實(shí)時(shí)報(bào)警。

（2）歷史報(bào)警。歷史報(bào)警是指所有發(fā)生過(guò)的、已經(jīng)確認(rèn)的和未被確認(rèn)或者解除的報(bào)警，它包括了實(shí)時(shí)報(bào)警。

（3）報(bào)警統(tǒng)計(jì)。報(bào)警統(tǒng)計(jì)單元針對(duì)報(bào)警的發(fā)生頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。如可以通過(guò)該單元查看報(bào)警頻率發(fā)生最高的幾項(xiàng)報(bào)警的名稱(chēng)以及發(fā)生的次數(shù)。

1.3 歷史回溯模塊

該模塊可以重現(xiàn)起重機(jī)在某段時(shí)間內(nèi)運(yùn)行的狀態(tài)?？蛻?hù)可以選擇回放的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，從而可以了解起重機(jī)在該時(shí)間段內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)、操作記錄和報(bào)警故障信息。該功能尤其適用于專(zhuān)業(yè)人員查找起重機(jī)出現(xiàn)故障的原因。

2 船廠(chǎng)特種起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用了無(wú)線(xiàn)接入、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)、3G技術(shù)及OPC（OLE for Process Control）等先進(jìn)技術(shù)，具有穩(wěn)定可靠、功能全面、界面友好、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)船廠(chǎng)起重機(jī)的特殊要求，在現(xiàn)場(chǎng)采用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)將分布于設(shè)備上的傳感器、監(jiān)控設(shè)備等連接起來(lái)，然后在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)也可以通過(guò)Internet在遠(yuǎn)程客戶(hù)端對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。具體來(lái)說(shuō)就是，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，利用自主開(kāi)發(fā)的監(jiān)控軟件采取現(xiàn)場(chǎng)起重機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)信息和報(bào)警信息，然后把信息儲(chǔ)存到現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)（SQL Server）中。通過(guò)3G Router將監(jiān)控信息發(fā)送到具有固定IP的中間服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)（SQL Server）中，遠(yuǎn)程客戶(hù)端利用客戶(hù)端監(jiān)控軟件讀取中間服務(wù)器中的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。一旦出現(xiàn)故障，遠(yuǎn)程技術(shù)人員可以根據(jù)報(bào)警信息及時(shí)提出解決方案。圖2為遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案。

按照?qǐng)D2所示的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)方案，船廠(chǎng)特種起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)其實(shí)主要就是實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的一系列處理過(guò)程，數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸以及軟件中實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)回溯。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

2.1 數(shù)據(jù)采集

（1）底層配置。底層配置為數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)，提供完整的通訊線(xiàn)路。以大洋造船有限公司為例，其總控系統(tǒng)采用 S7-300解決方案，由 1個(gè)主站和 6個(gè)分站構(gòu)成PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)分站上的CPU都為S7 315-2DP。上位機(jī)使用 SIMATIC NET軟件組態(tài) PC Station，然后在STEP7軟件進(jìn)行硬件組態(tài)和PLC編程，并將參數(shù)和編制好的程序通過(guò)CP5611通訊卡下載到PLC主站之中。另一方面，上位機(jī)用遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件進(jìn)行監(jiān)控，該軟件為自主開(kāi)發(fā)，通過(guò)集成的OPC客戶(hù)端與SIMATIC NET軟件自帶的OPC Server的通訊來(lái)讀取PLC的過(guò)程數(shù)據(jù)和報(bào)警數(shù)據(jù)，從而監(jiān)視和控制門(mén)式起重機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

（2）數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)。不同的起重機(jī)可能會(huì)采用不同廠(chǎng)家的通信模塊硬件。為了降低各通信模塊硬件與應(yīng)用軟件之間的耦合性，減少監(jiān)控軟件開(kāi)發(fā)工作的重復(fù)性，提高各設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化、開(kāi)放性及網(wǎng)絡(luò)化，本系統(tǒng)采用OPC技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備訪(fǎng)問(wèn)。

信息采集主要由OPC服務(wù)器和OPC客戶(hù)端兩部分來(lái)完成。OPC服務(wù)器由SIMATIC NET提供，完成的工作是收集數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，并接受來(lái)自客戶(hù)端程序的指令數(shù)據(jù)，然后通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的OPC接口傳送給OPC客戶(hù)應(yīng)用程序，即由本文所開(kāi)發(fā)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)集成。

OPC實(shí)際上提供了一種機(jī)制，使監(jiān)控系統(tǒng)以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的統(tǒng)一接口通過(guò)服務(wù)器存取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)[3]。這樣，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備發(fā)生變化或系統(tǒng)中加入新設(shè)備時(shí)，由于服務(wù)器所提供的接口的一致性，監(jiān)控系統(tǒng)軟件不作更改 （或僅需重新組態(tài)）即可繼續(xù)使用。

圖3 基于OPC的數(shù)據(jù)采集方案

2.2 數(shù)據(jù)顯示

為了便于觀察，如何在軟件中實(shí)現(xiàn)監(jiān)控對(duì)象的可視化動(dòng)態(tài)顯示是要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。本系統(tǒng)采用Flash制作動(dòng)畫(huà)并以腳本的形式實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫(huà)與數(shù)據(jù)之間的綁定。解決步驟如下：

（1）Flash動(dòng)畫(huà)的制作。通過(guò)Macromedia Flash軟件制作flash動(dòng)畫(huà)，總共有8動(dòng)畫(huà)（總體狀態(tài)、操作臺(tái)、上小車(chē)、下小車(chē)、剛腿、柔腿、總線(xiàn)狀態(tài)、電機(jī)狀態(tài)），分別進(jìn)行制作，并編寫(xiě)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)腳本。

（2）XML的寫(xiě)入與讀取。從監(jiān)控設(shè)備中取出想要的數(shù)據(jù)，并作相應(yīng)的處理，按照一定的格式存儲(chǔ)軌道相應(yīng)的Xml文件中。

（3）數(shù)據(jù)和模型的關(guān)聯(lián)。由于數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)監(jiān)控的，這樣不同時(shí)刻的數(shù)據(jù)是不同的。第一步，只要獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，將其寫(xiě)入相應(yīng)的Xml文件中。第二步，將動(dòng)畫(huà)的數(shù)據(jù)源進(jìn)行刷新，腳本就可以根據(jù)數(shù)據(jù)的變化使flash動(dòng)畫(huà)顯示不同的畫(huà)面。

圖4 為起重機(jī)運(yùn)行總體狀態(tài)監(jiān)控圖，也為監(jiān)控軟件的主界面。該界面實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控對(duì)象的可視化動(dòng)態(tài)顯示。如果界面中起重機(jī)中的某個(gè)機(jī)構(gòu)為紅色（正常應(yīng)為灰色），表明該機(jī)構(gòu)存在著未解除的報(bào)警，可以直接在界面上點(diǎn)擊該結(jié)構(gòu)，進(jìn)入該結(jié)構(gòu)的監(jiān)控界面。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸

由于起重機(jī)所處的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，以及其工作地點(diǎn)的不固定性，造成了現(xiàn)場(chǎng)布線(xiàn)受到一定限制，故傳輸網(wǎng)絡(luò)采用無(wú)線(xiàn)接入Internet的方式?？紤]到相對(duì)于其他無(wú)線(xiàn)技術(shù)，3G技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是能極大地增加系統(tǒng)容量、提高通信質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸速率，并可以在不同網(wǎng)絡(luò)間無(wú)縫漫游，故系統(tǒng)通過(guò)3G路由器實(shí)現(xiàn)和Internet的接入。由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)線(xiàn)信號(hào)并非十分穩(wěn)定，且現(xiàn)場(chǎng)會(huì)對(duì)無(wú)線(xiàn)信號(hào)產(chǎn)生屏蔽和干擾，網(wǎng)絡(luò)接入很可能存在時(shí)斷時(shí)續(xù)的情況[4]。為了能實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守傳送，程序中必須加入容錯(cuò)機(jī)制。為保證數(shù)據(jù)的傳送質(zhì)量，可以采取軟件容錯(cuò)和硬件容錯(cuò)相結(jié)合的方法。

硬件容錯(cuò)：設(shè)定3G路由器相關(guān)的硬件參數(shù)。定時(shí)向固定IP服務(wù)器發(fā)送心跳包，確保連接，一旦連接失敗，立即掛斷當(dāng)前連接，重新進(jìn)行撥號(hào)。

軟件容錯(cuò)：傳送過(guò)程中數(shù)據(jù)包的丟失，可能會(huì)產(chǎn)生軟件錯(cuò)誤。因此，要在程序中加入了軟件容錯(cuò)功能。方法是在程序中增設(shè)錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器。一旦錯(cuò)誤次數(shù)超過(guò)設(shè)定的次數(shù)，就自動(dòng)重新啟動(dòng)程序，重新連接SQL SERVER服務(wù)器，重新進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。

圖4 起重機(jī)運(yùn)行總體狀態(tài)監(jiān)控界面

2.4 數(shù)據(jù)回溯

首先，將要回放的狀態(tài)數(shù)據(jù)全部下載到 “歷史表”之中，通過(guò) “播放器”將要播放的數(shù)據(jù)從 “歷史表”轉(zhuǎn)移到 “臨時(shí)表”中，監(jiān)控軟件實(shí)時(shí)顯示 “臨時(shí)表”中的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)流向：“歷史表”→“臨時(shí)表”→“軟件變量”→“圖形界面”。歷史數(shù)據(jù)回溯加入了 “播放器”控制數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移，要播放某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的狀態(tài)，只需將該時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)從 “歷史表”復(fù)制到 “臨時(shí)表”即可，可以通過(guò)控制 “臨時(shí)表”中的數(shù)據(jù)內(nèi)容來(lái)控制追溯的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，通過(guò)控制 “臨時(shí)表”的更新速度來(lái)控制追溯的速度。

3 總結(jié)及實(shí)際應(yīng)用

本文設(shè)計(jì)的船用起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，利用OPC技術(shù)對(duì)起重機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)和報(bào)警信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并采用3G技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)Internet網(wǎng)絡(luò)接入實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，不但提高了系統(tǒng)的擴(kuò)展性，而且有較好的人機(jī)交互界面，提高了系統(tǒng)的適用性。該監(jiān)控系統(tǒng)已在多個(gè)項(xiàng)目中得到應(yīng)用，下圖為該系統(tǒng)在大洋造船有限公司的應(yīng)用實(shí)例。

圖5 為剛腿狀態(tài)監(jiān)控圖，通過(guò)該界面監(jiān)控剛腿的運(yùn)行狀態(tài)，包括剛腿的行走速度、所處位置、剛?cè)嵬任恢闷睿\(yùn)行時(shí)間以及錨定狀態(tài)、夾軌器的狀態(tài)等等。

實(shí)際應(yīng)用效果表明，系統(tǒng)具有較好的適用性和推廣價(jià)值。下一步的研究是針對(duì)目前企業(yè)對(duì)信息資源整合的要求，開(kāi)發(fā)集監(jiān)控系統(tǒng)、生產(chǎn)控制和管理決策為一體的全面監(jiān)控管理系統(tǒng)。

圖5 剛腿狀態(tài)監(jiān)控圖

[1]崔英，杜文遼，李根.起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控及故障診斷數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2013，1.

[2]國(guó)家質(zhì)檢總局.起重機(jī)械 安全監(jiān)控管理系 [OL].http://tzsbaqjcj. aqsiq.gov.cn/tzwj/bgtwh/201302/t20130201_342305.htm

[3]李建輝，蔡偉波，吳修國(guó).基于 OPC技術(shù)的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007，8.

[4]劉宏威，張 浩.船廠(chǎng)特種起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2006，10.

Research and Development of Remote Monitoring and Control System for Cranes

HU Li-Wen1,FAN Liu-Qun1，CHENG Gang2，LI De-Zhong1
（1.Tongji University,Shanghai 201804,China；2.China Shipbuilding Nari Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 201804,China）

Real-time monitoring and management system can monitor large lifting machinery working condition,can effectively prevent and reduce accidents.On the basis of the function and structure of the lifting machinery remote monitoring system present a suitable remote monitoring solution for the shipyard cranes.Software development is based on OPC technology,3G technology and remote control technology,and the system has been successfully used in many shipyards.

remote monitoring and control；gantry crane；3G technology

TP277；TP311

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.046

1002－6673（2014）03－118－04

2014－05－04

胡立文（1987-），男，河北邢臺(tái)人，同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院碩士研究生。專(zhuān)業(yè)方向：工業(yè)自動(dòng)化。