CN104656459A - 一种大型起重机监控管理及仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种起重机监控管理仿真系统，分成起重机监控管理和起重机仿真。起重机监控管理由本地监控管理系统和远程监控管理系统组成，实现了起重机的状态监控、作业区域的视频监控、起重机故障检测及起重机管理等功能。起重机仿真系统是以门式起重机为仿真对象的辅助软件，这是起重机监控管理系统配套的组件，以计算机和控制器实现仿真，解决了研发中监控对象体态大、结构复杂、设备昂贵、安全性能高、操作难度高、无法迁移至实验室等一系列难题，以仿真代替对大型机械设备操作及设备动作的机械和电气性能的监控测试问题。起重机监控管理仿真系统实现了大型起重机械监控软件的研制目标，同时也为监控软件演示和操作员培训提供了平台。

Description

一种大型起重机监控管理及仿真系统

技术领域

本发明属于起重设备技术领域，特别涉及一种大型起重机监控管理及仿真系统。

背景技术

起重机械设备本身配置有基本的PLC控制器，以满足起重机械自身的数据采集、设备操作和运行控制要求。早期的起重机械控制系统功能比较单一仅满足设备自身的基本要求，系统报警和故障反映一般是以指示灯或蜂鸣器方式表示，没有业务流程、运行状态和参数、设备动作和趋势的监测界面，更缺少设备养护和维修等方面管理功能。

随着计算机技术和控制技术的发展对起重机械的控制系统、检测对象的多元性和完整性、用户接口和人机界面的智能化、网络通讯设备多样性和速度的提高、视频监控和数据库技术的运用、设备状态和运行参数远程监测、设备维修和生产营运管理、设备安全保障等方面的要求都有了很大的发展，各类起重机械设备逐步配置了起重机管理系统，另外该系统在远程监控和安全监测方面的应用需求也在得到了广泛的认可并取得了很大的进展。

由于大型起重机械的安全生产形势严峻，2011年国家特种设备安全部门等相关机构联合制定了《大型起重机械安装安全监控管理系统实施方案》，要求推动大型起重机械安装监控管理系统的工作，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。为了配合推进该实施方案的落实，需要解决对大型机械设备操作及设备动作的机械和电气性能的监控测试问题。在现有技术中，设备问题的测试发现都依赖现场调试和完善，成本非常高，因此迫切需要一种性能优异的仿真系统来解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种大型起重机监控管理的仿真平台，将大型起重机的操纵室与监控室迁移到实验室中，为相关专业学生(员)的教学工作，提供实践工具，增强学生的动手操作能力及理论联系实际的能力，装置亦可作为科研平台，为常规起重机监控管理系统的后续研发工作提供基础平台。

本发明的技术方案是，一种大型起重机监控管理及仿真系统，包括起重机监控管理和起重机仿真系统，起重机监控管理系统又包括本地监控管理系统和远程监控管理系统，

本地监控管理系统包括起重机模拟仿真PLC、模拟仿真操作台、本地监控管理计算机、包括硬盘录像机、视频编码器和摄像机的视频监控子系统和本地无线AP；

远程监控管理系统包括远程监控管理计算机、数据库及WEB服务器、远程无线AP；

起重机仿真系统包括仿真工作站和仿真PLC，仿真工作站与仿真PLC之间采用工业以太网通讯连接，仿真PLC仿真起重机械控制系统，仿真工作站仿真操作台。在仿真工作站的图形界面上操作起重机械动作，动作指令将发送给仿真PLC控制器；仿真PLC控制器根据命令完成相应的控制器动作，并将起重机械控制系统采集的数据传回给仿真工作站，仿真工作站还作为持久数据的存储地，使用关系数据库存储数据，

起重机仿真系统从软件架构上分为表示层，业务逻辑层和数据访问层，

表示层的图形界面选用工业组态软件，功能包括起重机驾驶操作台仿真显示、模拟起重机驾驶操作台仿真操作、起重机运行参数显示、操作记录和报警显示和记录，

数据访问层通过ODBC和ADO等接口，将仿真PLC采集的数据在存储在本地数据库中，

业务逻辑层部署在仿真PLC内，根据组态软件发送的指令执行模拟起重机各部件的运动状态，

起重机仿真系统业务逻辑层采用模块化结构，包括电机参数整定模块、变频器控制模块、大车模拟模块、小车模拟模块、起升模拟模块和报警模拟模块，

电机参数整定模块，将各电机的基本参数输入系统，

变频器控制模块，通过改变输出频率实现电机转速和转矩的控制，

大车模拟模块，根据操作台给的移动指令和变频器控制模式的输出电压和频率，电机模拟模块根据频率和电压计算出大车运行时的转速、转矩和电流，在起重机实际的运行过程中，大车的行走是由刚腿和柔腿的变频器驱动电机转动来完成的，在仿真程序中，通过将操作台给定的速度转换为变频器的输出频率，再经过电机参数整定模块计算，输出电机运行时电机转速、转矩、电流以及大车行走的速度和距离的仿真值来仿真大车行走的过程。

小车模拟模块，根据操作台给的移动指令和变频器控制模式的输出电压和频率，电机模拟模块根据频率和电压计算出小车运行时的转速、转矩和电流，在起重机实际的运行过程中，小车的行走是由变频器驱动电机转动来完成的，在仿真程序中，通过将操作台给定的速度转换为变频器的输出频率，再经过电机参数整定模块计算，输出电机运行时电机转速、转矩、电流以及小车行走的速度和距离的仿真值来仿真小车行走的过程。

起升模拟模块，根据操作台给的移动指令和变频器控制模式的输出电压和频率，电机模拟模块根据频率和电压计算出变频器运行时的转速、转矩和电流，在起重机实际的运行过程中，起升的动作是由变频器驱动电机转动来完成的，在仿真程序中，通过将操作台给定的速度转换为变频器的输出频率，再经过电机参数整定模块计算，输出电机运行时电机转速、转矩、电流以及起升的速度和高度的仿真值来仿真小车行走的过程。

报警模拟模块，包括机构移动限位报警、机构位移信号报警、变频器状态报警和电控信号报警。

起重机仿真系统表示层的操作台仿真，其操作台界面分为大车操作台和小车操作台。

本发明以门式起重机械监控系统为基础，结合视频监控技术、数据库技术、工业以太网技术(含无线网络传输)、组态Web应用技术等，实现起重机械的本地和远程监控、设备营运和维护管理等功能需求。同时以计算机和控制器实现仿真，解决了研发中监控对象体态大、结构复杂、设备昂贵、安全性能高、操作难度高、无法迁移至实验室等一系列难题，以仿真代替对大型机械设备操作及设备动作的机械和电气性能的监控测试问题。仿真系统实现了大型起重机械监控软件的研制目标，同时也为监控软件演示和操作员培训提供了平台。

附图说明

图1是本发明起重机监控管理系统结构图。

图2是本发明起重机仿真系统软件架构图。

具体实施方式

本发明系统由起重机监控管理和起重机仿真系统2部分组成。

(一)起重机监控管理系统

起重机监控管理系统又分为本地监控管理系统和远程监控管理系统(见图1)。系统开发将采用工业组态软件，以谋取监视画面及内容更加实时，画面数据更为准确,画面动作更加形象；本地系统与远程系统故障、业务、维护信息实时、一致，远程系统同时提供WEB服务功能，网络用户可以通过WEB浏览器方式的对起重机运行状态进行快速查看。

系统的各项功能是以起重机械的数据采集和控制PLC产生的周期性数据为基础，通过现场通讯网络系统这些数据传输至本地监控管理计算机。起重机监控管理系统最重要的职能就是要保证整个起重机械系统工作状态反映的实时性和真实性，为设备安全运行提供可靠的依据。鉴于船厂、集装箱码头、建筑工地等工作现场的实际环境，起重机械的PLC数据向监控中心合适的传输途径是通过工业无线以太网，以保证数据的实时性要求和及时便利的网络化管理实施。远程系统都可以即时通过网络查看作业现场任意一台起重机设备的工作状态。管理人员可以随时看到设备工作运行状态，极大地提高了维修和管理的方便性和准确性，使得设备维护和信息管理更加完善。

起重机监控管理系统将实时监视、故障分析、业务统计、运行维护等功能集于一体，通过合理的功能划分、菜单操作指导使用者运行系统，并有针对性的指导用户使用。

本地监控管理系统由起重机设备数据采集和控制PLC(附加传感器及其PLC)、监控管理计算机、视频监控子系统、起重机械本地局域网和无线传输设备等组成；远程系统由远程监控管理计算机、数据库服务器、WEB服务器、视频浏览子系统、局域网和无线传输设备等组成。

(二)起重机仿真系统

起重机仿真系统是用计算机和控制器来对真实起重机进行仿真，解决了研发中监控对象体态大、结构复杂、设备昂贵、安全性能高、操作难度高、无法迁移至实验室等一系列难题，以仿真代替对大型机械设备操作及设备动作的机械和电气性能的监控测试问题。

起重机仿真系统由工作站和PLC组成。工作站与PLC之间采用工业以太网通讯连接，PLC仿真起重机械控制系统，工作站仿真操作台。在工作站的图形界面上操作起重机械动作，动作指令将发送给PLC控制器；控制器根据命令完成相应的控制器动作，并将起重机械控制系统采集的数据传回给工作站。此外工作站还作为持久数据的存储地，使用关系数据库存储数据。

软件架构如图2分为表示层，业务逻辑层和数据访问层。

表示层：图形界面选用工业组态软件开发，它的主要功能有：起重机驾驶操作台仿真显示、模拟起重机驾驶操作台仿真操作、起重机运行参数显示、操作记录和报警显示和记录。

数据访问层：通过ODBC和ADO等接口，系统将PLC采集的数据在存储在本地数据库中。

业务逻辑层：主要部署在PLC内，PLC根据组态软件发送的指令执行不同功能的模块，模拟龙门起重机各部件的运动状态。

本发明系统功能描述如下：

(一)起重机监控管理系统功能

监控设备在码头现场的信息显示。对起重机功能有重要影响的电气系统、子系统以及所有基本元件的状态的监测，并直观的图表显示。

整机工作状态监控：软硬件安全联锁，低压电源工况，开闭斗状态、负载，故障状态，外部工作环境如温度湿度、风速等信息实时显示在软件中。

实时动态显示各机构的工作状态：位置、负载、速度、电压、电流、频率、运行时间、电机升温、风机、制动器、故障状态、驱动器工况、软硬件安全联锁、动作连锁、主要接触器、检测元件、限位开关状态等。

辅助机构的工作状态：检测元件如限位开关状态、故障状态、接触器、继电器、执行元件工况等。

通讯状态的检测。

状态回放：实时监视状态的信息均可回放文件查看过去某一时段的状态。

视频监控：对作业现场和机构关键部位进行实时监控。

故障收集：系统能显示故障内容、发生及复位时间、所属机构。

故障管理：系统能以故障所属机构内容，发生复位时间、类型(轻/重),发生频率等条件组合查询故障的各种信息，并能将重复发生故障的信息生成报表

故障跟踪：系统设有故障断点保护功能，可存储故障发生前数秒种内的开关量和模拟量，并以波形图的形式表示出来，以作故障分析、排除、现象归纳的依据

统计功能：统计正常作业、预防保养和紧急维护的时间。可根据班次、时间范围、作业类型等条件，实现模糊查询功能，生成统计报表。

保养维护：系统对损耗元件，用品和周期性维护保养内容的使用时间自动记录，并与各自的预防更换和维护周期相比较，更新时间或维护周期时系统自动提醒用户进行设备的维护和保养，更换间隔和维护周期可由用户调整。

(二)起重机仿真系统功能

起重机仿真系统采用模块化结构，其主要模块有：分别是电机参数整定模块、变频器控制模块、大车模拟模块、小车模拟模块、起升模拟模块和报警模拟模块。

电机参数整定，模拟前必须将各电机的基本参数输入系统，系统才能模拟电机运行时的静态参数。

变频器控制，通过改变输出频率实现电机转速和转矩的控制。变频器的控制模式分为：常规模式、泵类模式、定频模式和自定义模式。

大车模拟，根据操作台给的移动指令和变频器控制模式的输出电压和频率，电机模拟模块根据频率和电压计算出运行时的转速、转矩和电流。

小车模拟，根据操作台给的移动指令和变频器控制模式的输出电压和频率，电机模拟模块根据频率和电压计算出运行时的转速、转矩和电流。

起升模拟，根据操作台给的移动指令和变频器控制模式的输出电压和频率，电机模拟模块根据频率和电压计算出运行时的转速、转矩和电流。

报警模拟，报警信号由系统模拟，主要包括机构移动限位报警、机构位移信号报警、变频器状态报警和电控信号报警。

操作台仿真，操作台界面分为大车操作台和小车操作台。

本发明的技术特点包括：

采用专业工业组态软件开发，与原始起重机控制系统融合度高，即插即用无需额外的通讯协议编程。

全时段状态回放，系统保存过去2天内起重机所有机构的所有数据提供查询。数据采集的精度为500毫秒，并且可以表格或者趋势图的形式还原历史。

起重机的动态实时监控界面，把数据显示与动态图形相结合，能够更生动更直观地反映起重机的实时状况。

监控系统整合了视频监控功能，无需再额外增加专门视频监控计算机。

仿真系统采用机构模块化，通过不同模块的组合可以进行不同种类起重机在不同工况下的模拟。

本发明的应用案例是中海网络科技股份有限公司的大型起重机监控管理系统研发项目，这种新颖的实物模拟平台，将大型起重机入实验室，为大型起重机监控管理系统的科研、教研工作，提供了更好的技术保障，灵活的配置，良好的效果，具有广阔的市场前景。

Claims (1)

1.一种大型起重机监控管理及仿真系统，包括起重机监控管理和起重机仿真系统，起重机监控管理系统又包括本地监控管理系统和远程监控管理系统，

本地监控管理系统包括起重机模拟仿真PLC、模拟仿真操作台、本地监控管理计算机、包括硬盘录像机、视频编码器和摄像机的视频监控子系统和本地无线AP；

远程监控管理系统包括远程监控管理计算机、数据库及WEB服务器、远程无线AP；

起重机仿真系统包括仿真工作站和仿真PLC，仿真工作站与仿真PLC之间采用工业以太网通讯连接，仿真PLC仿真起重机械控制系统，仿真工作站仿真操作台。在仿真工作站的图形界面上操作起重机械动作，动作指令将发送给仿真PLC控制器；仿真PLC控制器根据命令完成相应的控制器动作，并将起重机械控制系统采集的数据传回给仿真工作站，仿真工作站还作为持久数据的存储地，使用关系数据库存储数据，

起重机仿真系统从软件架构上分为表示层，业务逻辑层和数据访问层，

表示层的图形界面选用工业组态软件，功能包括起重机驾驶操作台仿真显示、模拟起重机驾驶操作台仿真操作、起重机运行参数显示、操作记录和报警显示和记录，

数据访问层通过ODBC和ADO等接口，将仿真PLC采集的数据在存储在本地数据库中，

业务逻辑层部署在仿真PLC内，根据组态软件发送的指令执行模拟起重机各部件的运动状态，

起重机仿真系统业务逻辑层采用模块化结构，包括电机参数整定模块、变频器控制模块、大车模拟模块、小车模拟模块、起升模拟模块和报警模拟模块，

电机参数整定模块，将各电机的基本参数输入系统，

变频器控制模块，通过改变输出频率实现电机转速和转矩的控制，

大车模拟模块，根据操作台给的移动指令和变频器控制模式的输出电压和频率，电机模拟模块根据频率和电压计算出大车运行时的转速、转矩和电流，

小车模拟模块，根据操作台给的移动指令和变频器控制模式的输出电压和频率，电机模拟模块根据频率和电压计算出小车运行时的转速、转矩和电流，

起升模拟模块，根据操作台给的移动指令和变频器控制模式的输出电压和频率，电机模拟模块根据频率和电压计算出变频器运行时的转速、转矩和电流，

报警模拟模块，包括机构移动限位报警、机构位移信号报警、变频器状态报警和电控信号报警，

起重机仿真系统表示层的操作台仿真，其操作台界面分为大车操作台和小车操作台。