程江濤

[摘 要]文章對(duì)塔式起重機(jī)的監(jiān)控技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了系統(tǒng)闡述，并分析了我國(guó)起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的需求分析和設(shè)計(jì)要求，研究了基于WinCC的監(jiān)控技術(shù)、基于OPC技術(shù)的數(shù)據(jù)通信功能設(shè)計(jì)、基于GPRS技術(shù)的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)這三大監(jiān)控技術(shù)的特點(diǎn)及主要功能。

[關(guān)鍵詞]塔式起重機(jī)；監(jiān)控技術(shù)；WinCC技術(shù)；OPC技術(shù)；GPRS技術(shù)

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2016.32.078

1 前 言

塔式起重機(jī)是一種由動(dòng)臂、塔身和底座等構(gòu)件組成的垂直運(yùn)輸貨物的機(jī)械設(shè)備，包括金屬結(jié)構(gòu)、工作機(jī)構(gòu)和電氣系統(tǒng)三部分，一般具有起升高度大、工作效率高、作業(yè)范圍廣、安裝撤除方便、工程造價(jià)低等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此在高層建筑、橋梁工程、水利工程、港口工程等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，從而使得施工效益得到成倍增加。然而在工程應(yīng)用中由于操作人員的不規(guī)范操作、職能部門的監(jiān)管不力等因素造成運(yùn)行中塔機(jī)存在諸多安全隱患，致使安全事故時(shí)有發(fā)生。近年來，隨著工程建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大及社會(huì)對(duì)塔機(jī)事故關(guān)注度的不斷提高，因此，有必要對(duì)運(yùn)行中的塔機(jī)加強(qiáng)安全監(jiān)控，分析塔機(jī)的結(jié)構(gòu)安全，加大政府的監(jiān)管力度，從而有效規(guī)避塔機(jī)的安全風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到降低事故發(fā)生率的目的，以便使塔機(jī)安全、高效、平穩(wěn)地服務(wù)于各行業(yè)。

塔機(jī)起源于歐洲，經(jīng)過近120年的發(fā)展，先后形成了以WOLEE公司、意大利SIMMA公司為代表的一大批生產(chǎn)廠家。其代表性的塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)有：德國(guó)LIEBHERR起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、法國(guó)MD系統(tǒng)塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、英國(guó)起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。而我國(guó)的塔式起重機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)研究較晚，且大部分是仿照日本20世紀(jì)90年代前的設(shè)備產(chǎn)品，并存在可靠性差、功能單一、控制中心與塔式起重機(jī)間缺乏實(shí)時(shí)通信等諸多缺陷。隨著近年來國(guó)家科技綜合實(shí)力增強(qiáng)，已逐漸形成了具有中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的塔吊監(jiān)控技術(shù)，如：上海交通大學(xué)對(duì)PLC進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集，同時(shí)他們還利用了無線傳輸?shù)募夹g(shù)，通過無線傳輸技術(shù)使起重機(jī)與監(jiān)控中心整合在一起，同時(shí)他們還使用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了起重機(jī)與監(jiān)控中心的無障礙傳輸，實(shí)現(xiàn)了所有起重機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、診斷。

目前國(guó)外塔機(jī)監(jiān)控技術(shù)處于電子式安全監(jiān)控階段，而國(guó)內(nèi)正處于機(jī)械安全監(jiān)控向電子式安全監(jiān)控的過渡階段，因此，我國(guó)的塔機(jī)監(jiān)控技術(shù)還有很大的發(fā)展空間。從目前塔機(jī)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)來看，塔式起重機(jī)已經(jīng)呈現(xiàn)系統(tǒng)集成化程度高、微型化、模塊化、無線化和網(wǎng)絡(luò)化等技術(shù)特點(diǎn)，在對(duì)硬件方面進(jìn)行改進(jìn)的同時(shí)，應(yīng)逐步對(duì)軟件進(jìn)一步改善，從而使得塔機(jī)監(jiān)控技術(shù)更加簡(jiǎn)單、智能、安全，增加的語音功能和自診斷功能能夠提高操作的安全性，從而提高塔式起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)處理能力、可視化的人機(jī)界面等智能化的能力，能夠全天候地對(duì)塔機(jī)的運(yùn)行過程進(jìn)行監(jiān)控。

2 起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的需求分析和設(shè)計(jì)要求

起重機(jī)按照結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用工況分為：橋式起重機(jī)、門式起重機(jī)、門座起重機(jī)、塔式起重機(jī)、流動(dòng)式起重機(jī)、架橋機(jī)、纜索起重機(jī)、桅桿起重機(jī)和升船機(jī)九大類別，其中門式起重機(jī)是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用最為廣泛，對(duì)工作最為重要的一類起重機(jī)。

門式起重機(jī)主要是由門架結(jié)構(gòu)、主梁結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)傳動(dòng)、驅(qū)動(dòng)裝置、控制系統(tǒng)以及吊具等共同組成。門式起重機(jī)主要包括四大機(jī)構(gòu)，分別為起升機(jī)構(gòu)、小車行走機(jī)構(gòu)、大車行走機(jī)構(gòu)、吊具。門式起重機(jī)用于船臺(tái)拼裝船體，常備有兩臺(tái)起重小車：一臺(tái)有兩個(gè)主鉤，在橋架上翼緣的軌道上運(yùn)行；另一臺(tái)有一個(gè)主鉤和一個(gè)副鉤，在橋架下翼緣的軌道上運(yùn)行，以便翻轉(zhuǎn)和吊裝大型的船體分段。起重量一般為100～1500噸；跨度達(dá)185米；起升速度為2～15米/分，還有0.1～0.5米/分的微動(dòng)速度。

因此，其監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具有以下技術(shù)特點(diǎn)：系統(tǒng)可靠性高；具備技術(shù)先進(jìn)性；便于操作和使用；系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性；成本合理。需監(jiān)控的內(nèi)容包括：運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控；實(shí)時(shí)顯示；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；故障記錄及歷史追溯；遠(yuǎn)程監(jiān)控。

起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由數(shù)據(jù)釆集單元、起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)（包括起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件）、無線傳輸單元、數(shù)據(jù)中心服務(wù)器和遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)軟件五部分組成。數(shù)據(jù)釆集和處理單元通過現(xiàn)場(chǎng)總線采集起重機(jī)原有控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息；起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)運(yùn)行起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，通過組態(tài)軟件設(shè)計(jì)人機(jī)界面系統(tǒng)，顯示起重機(jī)的各種運(yùn)行數(shù)據(jù)和故障報(bào)警信息；無線傳輸單元接收監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)中心服務(wù)器建立數(shù)據(jù)連接，將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心服務(wù)器；數(shù)據(jù)中心服務(wù)器運(yùn)行由數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)接收來自無線傳輸單元的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、處理和存儲(chǔ)，并與遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)軟件建立數(shù)據(jù)連接；遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)軟件通過后臺(tái)程序與數(shù)據(jù)中心服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，將起重機(jī)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行顯示。

3 基于WinCC的監(jiān)控技術(shù)

SIMATIC WinCC是西門子公司的視窗控制中心組態(tài)軟件。它具有SCADA系統(tǒng)和人機(jī)界面（HMI）系統(tǒng)的完整功能，同時(shí)還提供了OPC數(shù)據(jù)通信和腳本編程等強(qiáng)大功能，用戶可以在Windows操作系統(tǒng)中運(yùn)行和使用WinCC。其具有以下特點(diǎn)：與控制系統(tǒng)的緊密結(jié)合；完備的設(shè)計(jì)功能；控件接口功能；腳本程序功能；系統(tǒng)的開放性。軟件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括：圖形編輯系統(tǒng)；報(bào)警信息系統(tǒng)；變量管理系統(tǒng)；報(bào)表編輯系統(tǒng)；全局腳本系統(tǒng)；用戶管理系統(tǒng)；標(biāo)準(zhǔn)接口。

畫面設(shè)計(jì)采用了WinCC的“畫面窗口”方式，其設(shè)計(jì)主要包括：權(quán)限管理功能設(shè)計(jì)；實(shí)時(shí)監(jiān)控功能設(shè)計(jì)；歷史數(shù)據(jù)回放功能設(shè)計(jì)；數(shù)據(jù)趨勢(shì)曲線分析功能設(shè)計(jì)；報(bào)警故障記錄與查詢功能設(shè)計(jì)；運(yùn)行維護(hù)和設(shè)備信息查詢功能設(shè)計(jì)；視頻監(jiān)控功能設(shè)計(jì)。

4 基于OPC技術(shù)的數(shù)據(jù)通信功能設(shè)計(jì)

OPC（OLE for Process Control）即用于過程控制的OLE，OLE（Object Linking and Embedding）即對(duì)象的鏈接和嵌入。其實(shí)質(zhì)是在硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)之間建立了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)接口規(guī)范，只要遵循這套規(guī)范進(jìn)行通信，就可以實(shí)現(xiàn)透明的數(shù)據(jù)交換。其具有以下特點(diǎn)：開放的標(biāo)準(zhǔn)；互聯(lián)性；高效的數(shù)據(jù)傳輸；產(chǎn)業(yè)性。

本系統(tǒng)WinCC與S7-1200PLC之間采用OPC數(shù)據(jù)通信方式，S7-1200PLC通過SIMATIC NET OPC Server軟件功能作為OPC服務(wù)器，WinCC作為客戶機(jī)，應(yīng)用西門子公司的STEP7 V5.5、STEP 7 Basic V10.5、SIMATIC NET V7.1編程軟件對(duì)S7-1200PLC進(jìn)行硬件組態(tài)和程序設(shè)計(jì)，并應(yīng)用WinCC V7.0組態(tài)軟件進(jìn)行OPC通信和變量創(chuàng)建。其硬件環(huán)境為：S7-1200PLC、CPU 1214；一體式工控機(jī)。軟件環(huán)境為：STEP7 V5.5；STEP 7 Basic VI0.5；SIMATIC NET V7.1；WinCC V7.0。

5 基于GPRS技術(shù)的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

通用分組無線服務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service）的簡(jiǎn)稱，它是GSM移動(dòng)電話用戶可用的一種移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。它通過利用GSM網(wǎng)絡(luò)中未使用的TDMA信道，提供中速的數(shù)據(jù)傳遞。GPRS是一種以全球手機(jī)系統(tǒng)（GSM）為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，和以往連續(xù)在頻道傳輸?shù)姆绞讲煌?，它是以封包（Packet）式來傳輸，具有以下優(yōu)點(diǎn)：覆蓋范圍廣；數(shù)據(jù)傳輸速率高；系統(tǒng)的傳輸容量大；投資成本低；良好的實(shí)時(shí)響應(yīng)與處理能力。

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