0引言

门座式起重机是现代化港口和船厂机能作业的重要设备，随着社会经济的增长及生产规模的扩大，门座式起重机正向大型化、重载化、高速化方向发展，其安全健康性能面临着巨大的挑战，作为极易发生重大安全事故的特种作业机

械，一旦发生事故，对安全生产形势和人民的生命财产安全产生严重的威胁。因此，起重机安全健康监测非常必要也迫在眉睫。为提高大型起重机械本质安全，预防和减少起重机械重特大事故发生，国家质检总局和国家安监总局发布了《关于印发大型起重机械安装安全监控管理系统实施方案的通知》(国质检特联(2011)137号)，明确要求所有在用的大型起重机械上必须全部安装安全监控管理系统。目前，国内起重机安全健康监测系统功能较为单一，价格较为昂贵，系统的整体功能完善方面还有待进一步提高。针对这种情况，对门座式起重机安全健康监测的关键技术进行研究并开发了安全健康监测系统，该系统可以同时对起重机金属结构健康状况和运行状态安全状况进行监测，采用电阻应变片式传感器，使整个系统性价比高，利于系统的普及推广。

1、安全健康监测系统要求

1．1系统主要功能

门座式起重机安全健康监测系统应主要具有如下功能：

1)实时监测功能：要求系统对门座式起重机的各种运行状态参数及关键点的结构健康状态进行实时监测。

2)实时显示功能：将系统监测的各种数据参数通过触摸屏显示给操作人员，使其及时了解门座式起重机的安全健康状态。

3)报警和止停功能：系统识别门座式起重机的安全健康状态后，做出相应的处理，当门座式起重机的安全健康参数达到额定参数的90％时，系统能够进行声光预报警，当上升到100％时，可以进行声光连续报警，阻止其向危险方向继续运行，当超过额定参数的一定范围后，系统可以对整个起重机进行自动断电停机。从而达到安全保护的功能，使门座式起重机的整体安全性能大幅度提高。

4)数据存储功能：系统应具有对门座式起重机安全健康状态、故障信息进行实时记录存储的功能，并且在关闭电源或供电中断的情况下，所有信息被保留，不因断电而使信息丢失，为以后的维修等提供方便。

5)历史查询功能：系统应具有对门座式起重机的安全健康状态、故障信息历史追溯的功能，一旦发生事故，可以作为事故原因分析的依据。

6)远程监测功能：所有安全健康监测参数能通过网络传输至远程安全健康监测系统，特检人员、起重机管理者、起重机生产厂家等具有一定权限的人员可以通过互联网对远程安全健康监测系统进行访问，实现远程监测。

7)抗干扰能力：门座式起重机使用环境较为恶劣，且采用变频器驱动，容易对安全健康监测系统造成干扰，因此应采取适当的措施提高系统的搞干扰能力。

8）良好操作界面：人机界面友好，系统能以图形、图表和文字的方式直观的显示门座式起重机的安全健康信息，使用简单，操作方便。

1.2起重机监控系统技术指标

1）测理精度：

在起重机实际使用工况下，系统综合误差，如起重量、起升高度、回转角度、变幅幅度等分别不大于5%、

2）工作温度：0度-60度：湿度：10%-95%RH

3)在运行周期内系统的采样周期应不大于100ms

4)数据存储时间应不少于30个连续工作日。

2、起重机监控系统构成

门座式起重机安全健康监测系统由本地门座式起重机安全监控系统和远程门座式起重机安全健康监测系统组成。LSHMS可以独立运行，RSHM以LSHMS为基础，远程用户可以随时了解到起重机的健康状况。其总体结构如图1所示。

LSHMS对起重机的工作状态进行实时监测，以司机室内配置的触摸屏为上位机，实时显示起重机的运行状态安全状况及结构健康状况，对故障及危险时行报警。结构健康监测部分是由应变传感器、应变传感器节点和传感器网关组成。应变传感器用来感受起重机桔构的受务情况并将应变信息转换成电信号传送至应变传感器节点：应变传感器节点是结构健康监测的数据发送模块发送至传感器网关：传感器网关是结构健康监测的数据传输部分，网关内有数据接收模块，它接收至各传感器节点发关的数据后将数据发送至触摸屏。运行状态监测部分主要监测起重机的运行状态参数及起重机作业区域的视频图像，按照GB6067.1及相关标准的要求，绝大部分门座式起重机已安装起重机械安全保护装置，这些保护装置能实时监测门座式起重机的起重量、变幅幅度、旋转角度等运行参数，这些数据被传送至起重机的可编程控制器中，PLC通过扩展模块与变频器通讯，可获知门座式起重机四大机构电机的电流、电压等参数值，运行状态监测只需完成PLC与触摸屏的通讯并从PLC中读出数据即可。视频图像通过在起重机上配置摄像头来采集施工现场危害区域及司机视频野盲区的实时动态图像，一般配置多个摄像头以监测吊钩、吊钩周围、各个门腿等区域，摄像头与触摸屏的信号采用有线传输。RSHMS指本地安全健康监测系统所获取的起重机信息可以通过有线或无线网络传输至远程监控中心，设备管理部门、特检机构等可以远程获知起重机的运行及安全健康状况。

3、硬件设计

系统中的硬件主要有触摸屏、电阻应变片、应变传感器节点及网关、摄像头等。

3．1触摸屏选择

在门座式起重机安全健康监测系统中，触摸屏作为上位机主要完成与PLC及网关的通信，显示所有的模拟量及开关量信号，实现故障报警，完成视频监测等功能，因此，要求触摸屏应具有基本的通信功能，支持多种通信协议，具有足够的处理速度、足够的画面数据存储及足够的显示方式等。基于系统所需功能，选择了步科(kinco)MT5620T触摸屏。

3．2电阻应变片选择

电阻应变片按安装方式主要分为粘贴式电阻应变片和焊接式电阻应变片两种，粘贴式电阻应变片具有成本较低、使用简单方便等优点，但是其对潮湿环境的不适应限制了其在长期实时监测中的应用。因此，在门座式起重机长期实时监测

系统中应选用可靠性较高的焊接式应变片。另外电阻应变片应选择稳定性高、电阻温度系数小、热输出小、零点漂移小、横向效应系数小、机械滞后小、具有蠕变自补偿功能的应变片。

因此在满足上述要求的前提下，综合考虑使用环境、应力状态等因素，选用共和KCW一5—120一G10一l1G1M3S型焊接式电阻应变片，其具体参数如表1所示。

3．3应变传感器节点及网关选择

应变传感器节点及网关选用北京必创科技有限公司的CSG401型CAN总线应变传感器节点及BS909型CAN总线应变传感器网关。CSG401有线应变传感器节点可组成分布式的数据采集系统，具有通信距离远、数据传输速率高等特点。它由采集处理模块、CAN收发模块组成。每个节点共有4个通道，每个通道内置有独立的高精度120Q桥路电阻和放大调理电路，可由软件自动切换选择1／4桥、半桥、全桥测量方式，采集数据实时传输至HMI，传输速率高且传输距离远。每个节点4个通道的设置便于位置相近的电阻应变片传感器连接到一个节点上，节省节点个数，降低整个监测系统费用。BS909网关将传感器节点采集到的数据上传给上位机，它具有数据透明传输和数据缓存的特性。网关的主控制板由电源部分、GPRS模块、BEENET模块和核心板组成a

3．4视频摄像头选择及多通道切换控制模块设计

安装摄像头可以取消操作人员的视野盲区，降低操作人员的操作难度。起重机安全健康监测系统所用摄像头应具有高清晰度，有调节焦距的功能，能适应户外恶劣环境。摄像头应配备云台装置，使摄像头能够自由360。旋转。因起重机

有夜间工作的情况，所以摄像头上应配备红外补光装置，使在光线较弱的夜间作业时也能获取清晰的图像。因此选用VK—IR230TF型工业级远距离红外高速云台可变焦距摄像头，其影像感应器为1／4”SONYSuperHADCCD，清晰度为540线，变焦率为23倍光学变倍／12倍电子放大，红外照射距离达200m，信号制式为NTSC／PAL，采用IP68防水设计标准，360度水平和竖直方向连续转动，能很好的满足现场监控要求。根据现场所需监测的门座式起重机作业危险区域，共采用55"摄像头完成监测任务，吊臂上安装一个，用于摄取吊装物体周围的全局图像，保证吊装安全；象鼻梁头部平台下方位置安装一个，用于摄取吊装物体的近距离图像，提高吊装的精确性及效率；转盘后方两侧各安装一个，便于回转时观察后方情况，消除死角；司机室外安装一个，用于观察整机工作环境。而触摸屏只有两通道PAL制式视频接口，为了满足多个通道视频图像显示，设计了多通道切换电路其原理框图如图2所示。

4、软件设计

4．1LSHMS软件设计

LSHMS利用EV5000组态编辑软件(以下简称EV5000)进行软件设计，LSHMS是直接面向起重复机操作员使用的，要求操作界面友好，使用简单，用户界面框架如图3所示。在进行软件设计编辑界面前首先进行设备的选择及通讯参数的配置，根据门座式起重机电气系统PLC类型，选择MitsubishiFX0n/1N/2N/3N,HMI与网关的通讯基于ModbusASCII协议，因此在PLC元素库中选择ModbusASCII,

5、结束语

起重设备的安全健康性是当今相关工程领域所密切关注的研究课题。本文研发了完备的门座式起重机安全健康监测系统，不仅可以同时监测门式座式起重机的安全与健康性能，保障起重机安全有效运行，更能提升起重机的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。