袁 容, 袁卓异, 朱红求
(1.中南大学 自动化学院，湖南 长沙 410083；
2.湖南华博信息技术有限公司，湖南 长沙 410035)
桥式起重机是一种架设在工业生产车间或货运码头等场地的常用重型搬运装备，操作人员也常习惯上称其为行车[1]。在2020年全国特种设备安全状况的通告中，起重机械事故起数排名前三，且指出多是因为使用管理不当、维修检修及运行过程中产生的质量安全缺陷导致，可见，解决起重机的管控问题非常重要。在起重机械安全监控管理系统国家标准中，对起重机械的安全监控管理系统提出了新的、具体的要求[2]。为了提高行车作业的安全性和自动化程度，开发起重机的安全监控管理系统十分必要。
传统的有色金属电解车间是离散生产模式的典型代表，生产设备之间的信息非互联互通，执行生产作业时联动性较差。近些年来，随着计算机技术、网络通信技术和数据处理技术的迅速发展，以计算机为核心的集中监控管理系统日益发展，并逐步获得了认可及应用[3-4]。何好平等以金隆铜业的铜电解车间为对象，介绍了过程级、生产级和企业级为架构的三层信息管理系统[5]。王志勇介绍了用于港口起重机械上的无线起重机监控管理系统，提高了信息化管理水平[6]。于智超、潘健华将图像处理、视频监控等技术应用于门式桥式起重机中，减少了安全事故的发生[7,8]。马志鹏等采用系统工程的方法，使监控管理系统的整体与局部之间的关系能协调配合，实现系统的最优运行[9]。
本文以电解车间桥式起重机为对象，贯彻"标准化提升管理，信息化减人增效"理念，实现对电解行车控制的可视化、可量化和故障可预防[10]，以提高其安全性能和作业效率、改善车间智能化水平为目标，采集了电解行车实时运行数据并进行科学的数据分析，构建与生产作业信息相适应的安全监控及信息管理系统。系统能实时地监控行车运行情况，进行故障监测及预警，进一步提升行车的安全性能，保障作业人员的人身安全，且能提高工作效率，达到资源效益最大化。结合电解生产的工况，搭建以PLC为核心的硬件系统，开发设计一套电解桥式起重机的安全监控管理系统，以保证起重机的无事故、高效稳定运行，提高作业的安全性和智能化。
安全监控管理系统主要实现桥式起重机重要运行参数及安全状态的记录，以及相关数据信息的分析显示，必须具有信号采集及信号处理单元、控制输出及数据存储单元、信号显示及信号导出单元。系统总体架构图如下图1所示，主要由运动控制硬件系统和监控管理软件系统组成，硬件系统包括设备采集及控制处理单元，用来控制及感知起重机的运行工况，数据经由通信网络进行可靠性传输，通过软件系统实现图形化分析与展示，并根据需求进行报警、数据备份等处理。
图1 系统总体架构图
1.1 下位机系统
下位机是系统中的智能采集设备，其与行车运行过程所需的传感及控制设备结合，实时采集重要参数并转换为数字信号经由通信网络上传至上位机。PLC选用德国Siemens的S7系列产品，并根据系统的输入输出点数及存储容量等要求，对电源模块PM1507 、CPU 1513-1PN、MMC存储卡、数字量输入/输出、TP1500触摸屏等进行选型和组态。
此外，构建完整的下位机系统，其他检测和控制设备也是必不可少的。起重机各运行机构均为恒转矩负载，选用瑞士高性能特点的ABB变频器，提供高效率及高精度的速度控制；
根据位移测量精度及距离的要求，大小车选用劳易测AMS系列激光测距仪，起升选择测量范围大的多圈绝对值编码器。其中，可编程逻辑控制器PLC进行控制并采集传感及驱动设备的数据进行上传；
激光测距仪用于大车位置感知，绝对值编码器用于吊具位置，这些传感设备直接监测被控对象的数据，并与采集控制设备相连上传数据；
变频器和交流异步电机等驱动设备通过现场总线通信，保障起重机工作运行；
触摸屏和监控管理系统可用于监控与控制，实现人机交互，如图2所示。
图2 系统硬件结构图
1.2 上位机系统
上位机系统位于中控室，主要由PC机、服务器、网络通信设备等硬件组成。PLC与变频器、扩展模块等通过现场总线协议进行通信，完成对起重机各个机构的控制，并将处理后生成的信息上传给上位机，上位机接收信息后，进行进一步加工、处理并显示在人机界面上，供用户管理分析。上位机与PLC则可通过以太网模块进行工业以太网通信，安全监控管理系统实时将获取到的数据进行处理、分析和组织，并通过图像、报表等形式呈现给用户，实现监控管理系统的首要基本功能。同时，上位机可以接受作业人员的指示，达到监测数据和远程控制管理的目的，且主要参数可根据需求，经过处理后保存在系统数据库，便于历史查询分析使用，为优化调度及生产管理提供数据支撑。
根据现场工况及需求分析可知，系统需要采集和监控的主要参数包括起重量、起升高度以及速度、大小车运行状态及其运行行程、制动器状态及累计工作时长等，通过分析处理后可上传显示，供作业人员及管理人员及时掌握起重机运行状态，也可为进一步提高起重机自动化及智能化提供支撑，便于后续实现对电解行车的定位防摆及防滑等控制。
安全监控管理系统主要由数据访问层、传输接入层、业务逻辑层和应用层等几部分组成。其中，数据访问层主要完成下位机数据的采集、转换等功能，实现数据的访问和存储；
传输接入层主要实现数据信息的稳定及可靠性传输；
业务逻辑层主要实现系统整体的监控、管理及控制等功能，分清各模块之间的功能及主要任务，为系统的核心和主要部分；
应用层则实现人机交互和相应的控制功能。桥式起重机的运行工况通过数据采集与分析，网络传输与控制应用等功能，将数据结果图形化显示出来，实现起重机运行状态、工作内容的监控和工作量的统计，有效提高生产管理水平。
2.1 数据库概要设计
数据库概要设计是为了在系统需求的基础上，将起重机具体的研究对象抽象为一种数据模型，帮助后续开发设计理清数据的组织架构及数据之间的内在关系。通过前期调研及分析可得出如图3的E-R图，其反映了主要对象之间的联系，显示了各实体与属性之间的关系。当用户登录系统时，系统判断并提供相应的权限，通过选定对应的起重机查看各实时状态信息及报警日志，也可通过历史查询查看特定时间内的对应数据。
图3 数据库结构E-R图
2.2 数据通信实现
通信网络在系统中具有重要作用，系统中的各设备都依靠通信网络实现数据的互联互通。本文的安全监控管理系统采用层次化的设计方案，分为现场总线网络、控制系统网络及车间管理网络，其中，控制站与从站之间采用PROFIBUS-DP通信；
控制站与激光测距仪、变频器等控制系统之间通过工业以太网进行连接，使用PROFINET通信协议；
控制站与中控室上位机则通过工业以太网通信。该方式可根据监控管理及工业控制对网络速度及传输可靠性的不同要求进行相应配置，满足监控数据的可靠性以及控制信号传输的实时性与准确性。
系统硬件组态中，外设的绝对值编码器信号、激光测距仪信号以及限位开关等信号控制变频器的输出，使行车的大小车、吊具按给定的速度和路径规划运行，安全高效地进行出装槽作业。PLC模块则需要将电源、CPU、开关量输入输出、模拟量输入输出及通信等模块进行配置，并给每个模块分配其物理地址，以方便后续按需使用，进行相应端口的数据交换传输。其中，中控室上位机通过HslCommunication组件库实现与下位机的数据通信，其读写关键程序如下：
1.HslCommunication.OperateResult
2. if (tmp.IsSuccess)
3.{Value[i]=siemensTcpNet.ByteTransform.TransInt32(tmp.Content, 0);
4.SaveData_db(); }
5.else
6. {read=HslCommunication.OperateResult.CreateFailedResult
7. failed++;
8.ShowFailedMessage(failed); }
2.3 功能设计
系统软件设计开发采用模块化设计思想， 根据电解行车的实际工况需求设计了行车状态监测、槽面信息监测、故障报警、历史查询、报表管理及用户管理等模块。每个模块下又分设多个子模块，通过这些子模块可以实现大小车、起升、电解槽的监测、起重机故障报警、数据查询与分析及用户登录权限等功能。系统功能结构设计如图4所示。
图4 系统功能结构图
系统整体的主要功能如下：
(1)用户管理：包括登录和多权限用户的分类，实现了同一个系统不同用户所能使用功能的不同；
(2)监控功能：主要包括行车监控和机组设备的监控，故障报警功能可以对系统故障的产生和原因进行查看；
(3)信息处理功能：包括槽位信息的处理显示和报表功能。
其中，行车状态监测主要实现行车实时作业的参数信息监控的功能，界面显示实时情况下起重机的运行状态及大车运行速度曲线，并可进行导出打印存档，如图5所示；
历史查询界面主要实现各监控数据的历史查询功能，并可对数据进行备份或删除等操作，便于对生产监控及故障数据进行复检和追溯，为后续管理及控制提供数据支撑，保障风险可控，如图6所示；
槽面信息界面可与电解槽短路检测设备进行通信连接，通过上位机实时显示各槽的工况，判断是否存在短路情况，并对检测出的故障极板报警；
用户管理界面则主要是对系统内的登录用户进行管理，可以进行删除、添加、修改等操作，对不同用户的权限进行管理，以实现系统的安全高效管理。
图5 桥式起重机监控界面
图6 历史数据查询界面
作为桥式起重机安全监控管理系统，重点在于能实现实时数据监控，及时提供故障位置及相关故障信息，并对可能出现的故障进行预警及已出现的故障进行报警。实现的前提是建立完善的故障库，并针对重要的故障进行保存，便于事后分析原因，进行相应改进，减少故障的发生，保障作业的安全性。
本系统以电解车间桥式起重机为对象，分析了现场工况的需求、运行机理和运行现状，设计了电解桥式起重机安全监控管理系统的总体架构及系统的软件架构，开发了起重机安全监控管理系统软件，实现了电解车间桥式起重机运行状态的实时监控与安全管理，提高了其安全性能，并能实现生产数据信息的统计分析，为生产调度和管理提供了便利。
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