门式起重机远程监控系统的研究与开发

胡立文，樊留群，陈 刚，李德忠

（1.同济大学 中德学院，上海 201804；2.中船第九设计研究院 工程有限公司，上海 201804）

门式起重机远程监控系统的研究与开发

胡立文1，樊留群1，陈 刚2，李德忠1

（1.同济大学 中德学院，上海 201804；2.中船第九设计研究院 工程有限公司，上海 201804）

监控管理系统可以对大型起重机械的工作状态进行监控，有效预防和减少安全事故。论文在分析了起重机械远程监控系统的结构和功能的基础上，提出了一种适合船用门式起重机的远程监控系统设计方案。通过OPC技术对门式起重机PLC控制数据进行采集，采用3G技术进行数据的传递，所开发的远程监控系统在多家造船企业得到了实际运用。

远程监控；起重机；3G技术

0 引言

为了提高大型起重机械安全，预防和减少起重机械特大事故的发生，近年来国家对大型起重机械安装安全监控管理系统进行了大力的推动[1]。根据《大型起重机械安装安全监控管理系统实施方案》（国质检特联〔2011〕137号）的要求，从2014年开始，在所有在用的大型起重机械上全部安装安全监控管理系统。鉴于船用特种起重机在造船业的广泛运用，开发运用在船用特种起重机的远程监控系统显得越来越重要。

1 起重机远程监控系统组成和功能

起重机远程监控系统是指能够对起重机械工作过程进行监控，并能够对其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[2]。在起重机设备控制系统中集成 “起重机远程监控系统”，可以实现对控制过程中的关键信息和使用信息实时采集和存储，并利用无线通讯和Internet网络技术，将这些信息及时地提供给异地（远程）监控人员，实现异地对设备使用状况的远程监控以及出现故障时进行远程维护和故障诊断，也可以借助该系统实现起重机使用信息的管理。起重机远程监控系统是由多个功能模块按需组合而成，可以根据用户的需要定制个性化的监控模块。根据《起重机械 安全监控管理系统》（GB/T 28264-2012）对起重机械监控管理系统的功能要求及项目实际情况，将该系统划分为以下三个模块：实时监控模块、故障诊断模块、历史回溯模块。图1为起重机远程监控系统软件总体设计图。

1.1 实时监控模块

该模块实时监控起重机总体及各个机构的运行状态、电机的状态和操作人员的实时操作。主要有以下几个单元组成：

（1）起重机总体状态监测单元：监控起重机的总体运行状态，通过该单元界面可以了解起重机运行的一般状态，比如起重机是否在工作，上下小车的位置、速度，刚柔腿的位置，报警发生部位等等。

图1 起重机远程监控系统软件总体设计

（2）操作台状态监测单元：监控操作台按钮和档位信息，从而监视司机正在进行的操作，掌握起重机运行动态信息，起重机的行走方向、速度档位，上下小车行走或起升的方向、速度档位，以及单动、联动状态等等。

（3）刚、揉腿状态监测单元：监控刚、柔腿车的运行状态，监控刚、柔腿车的速度，锚定的状态，夹轨器的状态等等。

（4）上、下小车状态监测单元：监控上、下小车的行走状态和两个吊钩的状态，监控上、下小车的行走速度，两个吊钩的起升速度，风机的运行状态等。

（5）电机状态监测单元：监控电机、变频器、熔断器和断路器的状态。

（6）总线状态监测单元：监控工业网络中各个节点的状态，如PLC主站的状态。

各个单元所采集到的数据类型主要有两类，开关量和模拟量。表1为主要的数据采集源及其数据信息。

表1 主要数据采集源信息

1.2 故障诊断模块

该模块主要是将采集到的数据与数据库中预存的标准做比较，当不符合标准时系统发出报警信号，并根据预存的故障表判断系统出现的故障。该模块提供三种查询：实时报警、历史报警和报警统计。

（1）实时报警。实时报警是指当前发生的未被确认或者解除的报警。通过该单元可以查询实时报警。

（2）历史报警。历史报警是指所有发生过的、已经确认的和未被确认或者解除的报警，它包括了实时报警。

（3）报警统计。报警统计单元针对报警的发生频率进行统计。如可以通过该单元查看报警频率发生最高的几项报警的名称以及发生的次数。

1.3 历史回溯模块

该模块可以重现起重机在某段时间内运行的状态。客户可以选择回放的时间节点，从而可以了解起重机在该时间段内的运行状态、操作记录和报警故障信息。该功能尤其适用于专业人员查找起重机出现故障的原因。

2 船厂特种起重机远程监控系统的开发

起重机远程监控系统采用了无线接入、现场总线、3G技术及OPC（OLE for Process Control）等先进技术，具有稳定可靠、功能全面、界面友好、可扩展性强等优点。根据船厂起重机的特殊要求，在现场采用现场总线技术将分布于设备上的传感器、监控设备等连接起来，然后在现场实施实时监控，同时也可以通过Internet在远程客户端对现场工况进行实时监控。具体来说就是，在工业现场，利用自主开发的监控软件采取现场起重机的运行状态信息和报警信息，然后把信息储存到现场数据库（SQL Server）中。通过3G Router将监控信息发送到具有固定IP的中间服务器的数据库（SQL Server）中，远程客户端利用客户端监控软件读取中间服务器中的数据，实现对现场的远程监控。一旦出现故障，远程技术人员可以根据报警信息及时提出解决方案。图2为远程监控系统的整体设计方案。

按照图2所示的远程监控系统方案，船厂特种起重机远程监控系统的开发其实主要就是实现对数据的一系列处理过程，数据采集、数据传输以及软件中实现的数据显示及数据回溯。

图2 监控系统整体设计方案

2.1 数据采集

（1）底层配置。底层配置为数据采集的基础，提供完整的通讯线路。以大洋造船有限公司为例，其总控系统采用 S7-300解决方案，由 1个主站和 6个分站构成PROFIBUS-DP现场总线网络，每个分站上的CPU都为S7 315-2DP。上位机使用 SIMATIC NET软件组态 PC Station，然后在STEP7软件进行硬件组态和PLC编程，并将参数和编制好的程序通过CP5611通讯卡下载到PLC主站之中。另一方面，上位机用远程监控软件进行监控，该软件为自主开发，通过集成的OPC客户端与SIMATIC NET软件自带的OPC Server的通讯来读取PLC的过程数据和报警数据，从而监视和控制门式起重机的运行状态。

（2）数据采集的实现。不同的起重机可能会采用不同厂家的通信模块硬件。为了降低各通信模块硬件与应用软件之间的耦合性，减少监控软件开发工作的重复性，提高各设备的标准化、开放性及网络化，本系统采用OPC技术来实现对现场设备访问。

信息采集主要由OPC服务器和OPC客户端两部分来完成。OPC服务器由SIMATIC NET提供，完成的工作是收集数控系统的数据信息，并接受来自客户端程序的指令数据，然后通过标准的OPC接口传送给OPC客户应用程序，即由本文所开发的远程监控系统集成。

OPC实际上提供了一种机制，使监控系统以标准规定的统一接口通过服务器存取现场数据[3]。这样，当现场设备发生变化或系统中加入新设备时，由于服务器所提供的接口的一致性，监控系统软件不作更改 （或仅需重新组态）即可继续使用。

图3 基于OPC的数据采集方案

2.2 数据显示

为了便于观察，如何在软件中实现监控对象的可视化动态显示是要解决的关键问题。本系统采用Flash制作动画并以脚本的形式实现动画与数据之间的绑定。解决步骤如下：

（1）Flash动画的制作。通过Macromedia Flash软件制作flash动画，总共有8动画（总体状态、操作台、上小车、下小车、刚腿、柔腿、总线状态、电机状态），分别进行制作，并编写相应的驱动脚本。

（2）XML的写入与读取。从监控设备中取出想要的数据，并作相应的处理，按照一定的格式存储轨道相应的Xml文件中。

（3）数据和模型的关联。由于数据是实时监控的，这样不同时刻的数据是不同的。第一步，只要获取相应的数据，将其写入相应的Xml文件中。第二步，将动画的数据源进行刷新，脚本就可以根据数据的变化使flash动画显示不同的画面。

图4 为起重机运行总体状态监控图，也为监控软件的主界面。该界面实现了监控对象的可视化动态显示。如果界面中起重机中的某个机构为红色（正常应为灰色），表明该机构存在着未解除的报警，可以直接在界面上点击该结构，进入该结构的监控界面。

2.3 数据传输

由于起重机所处的工业现场条件的限制，以及其工作地点的不固定性，造成了现场布线受到一定限制，故传输网络采用无线接入Internet的方式。考虑到相对于其他无线技术，3G技术的主要优点是能极大地增加系统容量、提高通信质量和数据传输速率，并可以在不同网络间无缝漫游，故系统通过3G路由器实现和Internet的接入。由于工业现场的无线信号并非十分稳定，且现场会对无线信号产生屏蔽和干扰，网络接入很可能存在时断时续的情况[4]。为了能实现无人值守传送，程序中必须加入容错机制。为保证数据的传送质量，可以采取软件容错和硬件容错相结合的方法。

硬件容错：设定3G路由器相关的硬件参数。定时向固定IP服务器发送心跳包，确保连接，一旦连接失败，立即挂断当前连接，重新进行拨号。

软件容错：传送过程中数据包的丢失，可能会产生软件错误。因此，要在程序中加入了软件容错功能。方法是在程序中增设错误计数器。一旦错误次数超过设定的次数，就自动重新启动程序，重新连接SQL SERVER服务器，重新进行数据传送。

图4 起重机运行总体状态监控界面

2.4 数据回溯

首先，将要回放的状态数据全部下载到 “历史表”之中，通过 “播放器”将要播放的数据从 “历史表”转移到 “临时表”中，监控软件实时显示 “临时表”中的数据。数据流向：“历史表”→“临时表”→“软件变量”→“图形界面”。历史数据回溯加入了 “播放器”控制数据的转移，要播放某个时间点的状态，只需将该时间点的数据从 “历史表”复制到 “临时表”即可，可以通过控制 “临时表”中的数据内容来控制追溯的时间节点，通过控制 “临时表”的更新速度来控制追溯的速度。

3 总结及实际应用

本文设计的船用起重机远程监控系统，利用OPC技术对起重机的运行状态信号和报警信号进行数据采集，并采用3G技术实现对Internet网络接入实现对数据的网络传输，不但提高了系统的扩展性，而且有较好的人机交互界面，提高了系统的适用性。该监控系统已在多个项目中得到应用，下图为该系统在大洋造船有限公司的应用实例。

图5 为刚腿状态监控图，通过该界面监控刚腿的运行状态，包括刚腿的行走速度、所处位置、刚柔腿位置偏差，运行时间以及锚定状态、夹轨器的状态等等。

实际应用效果表明，系统具有较好的适用性和推广价值。下一步的研究是针对目前企业对信息资源整合的要求，开发集监控系统、生产控制和管理决策为一体的全面监控管理系统。

图5 刚腿状态监控图

[1]崔英，杜文辽，李根.起重机远程监控及故障诊断数据库系统[J].机械设计与研究，2013，1.

[2]国家质检总局.起重机械 安全监控管理系 [OL].http://tzsbaqjcj. aqsiq.gov.cn/tzwj/bgtwh/201302/t20130201_342305.htm

[3]李建辉，蔡伟波，吴修国.基于 OPC技术的工业监控系统研究与设计[J].微计算机信息，2007，8.

[4]刘宏威，张 浩.船厂特种起重机远程监控系统的研究与开发[J].起重运输机械，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，河北邢台人，同济大学中德学院硕士研究生。专业方向：工业自动化。