CN104760887B - 港口起重机械运行安全机载预警系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种港口起重机械运行安全机载预警系统，包括：数据采集层、数据传输层以及工控机；所述工控机包括数据采集接口、数据监测模块和预警模块；其中，所述数据采集层用于采集被监控港口起重机械监控值，并通过所述数据传输层传输到所述工控机的数据采集接口；所述数据监测模块用于为每一个监控参数设置预警值，如果某一监控值超过预警值，则通过所述预警模块用进行报警。该港口起重机械运行安全机载预警系统，能够全面有效的监控港口起重机械运行安全状态，实现对港口起重机械有效的长期健康监测。
Description
技术领域
本发明属于设备健康监测技术领域，具体涉及一种港口起重机械运行安全机载预警系统。
背景技术
港口起重机械所处的工作环境主要包括两个方面特点：(1)现场货物灰尘较大；(2)临近海水形成严重的湿气腐蚀；从而降低了起重机械电气元件的可靠性，导致故障发生。
为降低港口起重机械发生事故的概率，需要监控港口起重机械的运行状态，但是，现有港口起重机械在检测监测方面存在安全问题，例如，监测技术手段多为目测、感观判断、停机测量、磁粉探伤等，因此，具有安全监控和管理的自动化水平低、监控运行参数不全面、功能较为单一、监测实时性差的不足，不便于故障分析和事故调查，难以对港口起重机械进行有效的长期健康监测。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种港口起重机械运行安全机载预警系统，能够全面有效的监控港口起重机械运行安全状态，实现对港口起重机械有效的长期健康监测。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种港口起重机械运行安全机载预警系统，包括：数据采集层、数据传输层以及工控机；所述工控机包括数据采集接口、数据监测模块和预警模块；
其中，所述数据采集层用于采集被监控港口起重机械监控值，并通过所述数据传输层传输到所述工控机的数据采集接口；所述数据监测模块用于为每一个监控参数设置预警值，如果某一监控值超过预警值，则通过所述预警模块用进行报警。
优选的，所述数据采集层包括传感层和信号采集器；
所述传感层包括PLC控制器、振动传感器、温度传感器和声发射传感器；其中，所述PLC控制器为被监控港口起重机械自身配置的控制器；所述振动传感器用于采集减速机振动信号；所述温度传感器用于采集减速机温度信号；所述声发射传感器用于采集减速机声发射信号；
所述信号采集器包括：PLC信号采集器、振动信号采集器、温度信号采集器和声发射信号采集器；
其中，所述PLC信号采集器通过通讯卡与工控机直接连接，用于采集所述PLC控制器输出信号，并通过所述通讯卡传输到所述工控机的数据采集接口；
所述振动信号采集器为基于USB接口的并行数据采集系统，其输入端与振动传感器连接，输出端与工控机连接，内置有多种采样通道，用于对所述振动传感器输出的减速机振动信号进行滤波、调理和模数转换处理，再发送到所述工控机的数据采集接口；
所述温度信号采集器为基于EIA RS-485通讯协议的多点双向信号处理器，内置有光隔离器，其输入端与温度传感器连接，输出端与工控机连接，用于对所述温度传感器输出的减速机温度信号进行滤波、调理和模数转换处理，再发送到所述工控机的数据采集接口；
所述声发射信号采集器用于对所述声发射传感器输出的减速机声发射信号进行滤波、调理和模数转换处理，再发送到所述工控机的数据采集接口。
优选的，所述振动传感器采用压电式加速度传感器，自身配置有电荷放大器，其供电和信号输出共用一根同轴电缆；自身带有磁吸座，通过磁吸座将所述振动传感器安装在所述港口起重机械减速机轴端的减速器箱体上。
优选的，所述温度传感器采用铂电阻温度传感器PT100，其通过螺纹连接的方式安装在减速机轴端的减速器箱体上。
优选的，所述信号采集器通过以下方法采集所述温度传感器和所述振动传感器输出的参数：
所述信号采集器创建一个用于对某一被控设备进行绝对控制的设备对象句柄；
所述信号采集器设置与每一个采样通道相对应的采样参数，该采样参数包括采样频率、该采样通道对应的传感器类型；
所述信号采集器按所述采样频率读取某一采样通道传输的模拟量数据，然后对所述模拟量数据进行模数转换，实现连续不间断循环采样；
当需要读取其他采样通道传输的数据时，修改采样通道以及采样频率参数，重复上述循环采样过程；
当需要停止采样时，释放该设备对象句柄。
优选的，所述信号采集器通过以下方法采集所述PLC控制器输出信号：
所述信号采集器创建一个用于对某一被控设备进行绝对控制的设备对象句柄；其中，所述被控设备安装有PLC控制器；
初始化所述信号采集器与所述PLC控制器之间的采样通道；
所述信号采集器直接读取所述PLC控制器内部存储的参数。
优选的，所述PLC控制器输出信号包括：监控参数和监控状态；
所述监控参数包括：起重量、起重力矩、起升高度、大车运行距离、幅度、风速、回转角度、工作时间和安全距离；
所述监控状态包括起升机构制动器状态、抗风防滑状态、供电电缆卷筒状态、门限位和机构运行联锁；
所述工作时间统计为起升机构／变幅机构／旋转机构／行走机构的开始动作时间、结束动作时间以及工作时间段。
优选的，所述数据监测模块包括数据显示子模块、数据存储子模块和数据回放子模块；
所述数据显示子模块用于实时显示港口起重机械运行安全参数，还用于显示被监控的港口起重机械安全状态；所述数据存储子模块用于通过数据库分类存储各个港口起重机械对应的运行安全参数；所述数据回放子模块用于调取任意历史时间的运行安全历史数据。
优选的，所述预警模块包括阈值设置子模块和超限报警子模块；
所述阈值设置子模块用于设置各个监测参数的运行安全极限值；
所述超限报警子模块用于当接收到的监测参数超过对应阈值时，进行报警。
优选的，所述超限报警子模块包括控制电路和若干个驱动电路；所述控制电路用于与所述工控机通信，当工控机接收到的监测值超过预设阈值时，则向所述控制电路发出驱动信号；所述控制电路接收到所述驱动信号时，根据被控设备故障特点，驱动对应的驱动电路进行声光报警；其中，所述控制电路为多路扩展I／O口控制器。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的港口起重机械运行安全机载预警系统，具有以下优点：
(1)首次实现同时对港口起重机械的重要参数、安全状态和减速机运行状态进行实时监测及预警等功能，并能够对各运行参数、工作状态、操作指令、报警情况等实时记录和数据查看；
(2)具有对港口起重机械重要运行参数和安全状态进行显示及报警的功能，便于故障分析和事故调查，同时为安全评价提供数据积累；
(3)具有减速机重要故障的预警功能，能够及时、准确、有效地对减速机振动异常、轴温过高做出诊断，预防或消除因减速机故障导致的运行安全问题。
(4)解决了目前港口起重机运行安全方面存在的问题，提升港口起重机的运行安全监控水平，从而保障起重机的安全运行，减少重大事故的发生。
附图说明
图1为本发明提供的港口起重机械运行安全机载预警系统的整体结构示意图；
图2为本发明提供的采集PLC控制器输出信号的流程示意图；
图3为本发明提供的采集温度传感器和振动传感器输出参数的流程示意图；
图4为本发明提供的工控机结构示意图；
图5为本发明提供的控制电路的电路图；
图6为本发明提供的驱动电路的电路图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细说明：
如图1所示，本发明提供一种港口起重机械运行安全机载预警系统，包括：数据采集层、数据传输层以及工控机；工控机包括数据采集接口、数据监测模块和预警模块；
其中，所述数据采集层用于采集被监控港口起重机械监控值，并通过所述数据传输层传输到所述工控机的数据采集接口；所述数据监测模块用于为每一个监控参数设置预警值，如果某一监控值超过预警值，则通过所述预警模块用进行报警。
以下对上述各模块进行详细说明：
(一)数据采集层
数据采集层包括传感层和信号采集器；。具体的，传感层用于采集PLC控制器采集的各类监测信号、温度传感器采集的减速机温度信号、振动传感器采集的减速机振动信号以及声发射传感器采集的减速机声发射信号，并经信号采集器处理后，上传到工控机。
(1)传感层
传感层包括PLC控制器、振动传感器、温度传感器和声发射传感器。
(a)PLC控制器
PLC控制器为被监控港口起重机械自身配置的控制器；PLC控制器为港口起重机械出厂时自带，一般根据用户需求的不同，由起重机械的制造厂进行配置。系统所需采集的起重量、起升高度／下降深度、运行行程等参数和起升机构制动器状态、抗风防滑状态等工作状态的数据，一部分是PLC的控制信号，另一部分由起重机械出厂时已配置的相应传感器采集后传输至起重机械的PLC控制器。
根据PLC中数据存储结构、位置等，PLC信号采集器即可进行数据读取。PLC控制器输出信号如表一所示，包括：监控参数和监控状态。
其中，监控参数包括：起重量、起重力矩、起升高度、大车运行距离、幅度、风速、回转角度、工作时间和安全距离；
监控状态包括起升机构制动器状态、抗风防滑状态、供电电缆卷筒状态、门限位和机构运行联锁；
工作时间统计为起升机构／变幅机构／旋转机构／行走机构的开始动作时间、结束动作时间以及工作时间段。
表一 PLC控制器输出参数表
(b)振动传感器
振动传感器用于采集减速机振动信号。本发明中，振动传感器采用压电式加速度传感器，自身配置有电荷放大器，其供电和信号输出共用一根同轴电缆；自身带有磁吸座，通过磁吸座将所述振动传感器安装在所述港口起重机械减速机轴端的减速器箱体上。
振动传感器其性能参数如下：
a.轴向灵敏度(20±5℃)：100mV／g(±5％)；
b.频率响应：0.5～10kHz((±10％)；
c.量程范围：50g；
d.最大横向灵敏度≤5％；
e.安装谐振频率：40,000Hz；
f.抗冲击：3000g(不供电)；
g.外形尺寸：Φ13×15；
h.安装方式：螺柱固定或磁吸附；
i.工作温度：-40～+120℃。
(c)温度传感器
温度传感器用于采集减速机温度信号。本发明中，温度传感器采用铂电阻温度传感器PT100其通过螺纹连接的方式安装在减速机轴端的减速器箱体上。
(2)信号采集器
信号采集器包括：PLC信号采集器、振动信号采集器、温度信号采集器和声发射信号采集器。
(a)对于PLC控制器输出信号的处理
PLC信号采集器通过通讯卡CP5611与工控机直接连接，用于采集PLC控制器输出信号，并通过通讯卡传输到工控机的数据采集接口，具体为PLC数据采集接口；如图2所示，信号采集器通过以下方法采集PLC控制器输出信号：
S21，所述PLC信号采集器创建一个用于对某一被控设备进行绝对控制的设备对象句柄；其中，所述被控设备安装有PLC控制器；
S22，初始化所述PLC信号采集器与所述PLC控制器之间的采样通道；
S23，所述PLC信号采集器直接读取所述PLC控制器内部存储的参数。
(b)对温度传感器和振动传感器输出信号的处理
(b1)温度信号采集器
温度信号采集器用于采集温度传感器输出的减速机温度信号，进行滤波、调理和模数转换处理，再使用EIA RS-485通讯协议发送到工控机的数据采集接口，具体为温度信号采集接口。EIA RS-485通讯协议采用双向平衡式传输线路标准，可实现真正的多点双向通信，具有远距离高速收发数据的能力。该温度信号采集器使用了光隔离器，具有很强的抗干扰性能，温度信号采集器的输入端连接温度传感器，输出端与工控机相连，其性能参数如下：
(1)采样频率：10Hz；
(2)分辨率：16bit；
(3)精度：±0.1％(电压输入)；
(4)输入阻抗：20MΩ；
(5)零点漂移：0.5uV／℃；
(6)满量程漂移：25ppm／℃。
(b2)振动信号采集器
振动信号采集器用于对振动传感器输出的减速机振动信号进行滤波、调理和模数转换处理，再发送到工控机的数据采集接口，具体为振动信号采集接口。振动信号采集器可以为基于USB2.0接口的并行数据采集系统，单通道采样频率可达96kHz，接标准的电压／IEPE、电荷等多种信号调理器输入，充分满足信号监测分析的实时性和快速性要求。振动信号采集器的输入端连接振动传感器，输出端与工控机连接。其性能参数如下：
(1)AD分辩率：24bit；
(2)精度：优于0.5％(满量程)；
(3)通道采样频率：96KHz／CH；
(4)电压输入范围：±10VP；
(5)程控增益：1、10、100倍；
(6)频率范围：电压输入：DC-30KHz、IEPE输入：0.3Hz-30KHz
(7)供电：USB。
如图3所示，信号采集器通过以下方法采集温度传感器和振动传感器输出的参数：
S31，信号采集器创建一个用于对某一被控设备进行绝对控制的设备对象句柄；在将被控设备串口初始化后，此设备对象句柄可以作为参数传递给其他函数，供其他函数使用。
S32，信号采集器设置与每一个采样通道相对应的采样参数，该采样参数包括采样频率、该采样通道对应的传感器类型；例如，温度传感器对应第一采样通道和第一采样频率；振动传感器对应第二采样通道和第二采样频率。
S33，信号采集器按采样频率读取某一采样通道传输的模拟量数据，然后对模拟量数据进行模数转换，实现连续不间断循环采样；
S34，当需要读取其他采样通道传输的数据时，修改采样通道以及采样频率参数，重复上述循环采样过程；
S35，当需要停止采样时，释放该设备对象句柄，退出采集循环即可。
(二)工控机
如图4所示，为工控机结构示意图，工控机包括数据采集接口、数据监测模块和预警模块；
(1)数据采集接口
数据采集接口包括：PLC数据采集接口、振动信号采集接口、温度信号采集接口和声发射信号采集接口。
(2)数据监测模块
数据监测模块包括数据显示子模块、数据存储子模块和数据回放子模块；
数据显示子模块用于实时显示港口起重机械运行安全参数，还用于显示被监控的港口起重机械安全状态；
数据存储子模块用于通过数据库分类存储各个港口起重机械对应的运行安全参数；具体的，由于运行安全参数数据量较大，因此，采用数据库对运行安全参数管理。该数据库主要对PLC控制器输出信号、减速机振动信号、减速机温度信号等监测参数管理。除此以外，还需要对监测信号的基本信息、监测参数报警阈值等信息进行管理，实现信号监测与数据存储的目的。其中，监测信号的基本信息包括信号采集时间、信号对应的起重机编号等。
数据回放子模块用于调取任意历史时间的运行安全历史数据。
(3)预警模块
预警模块包括阈值设置子模块和超限报警子模块。其中，阈值设置子模块用于设置各个监测参数的运行安全极限值；超限报警子模块用于当接收到的监测参数超过对应阈值时，进行报警。用户通过设定报警阈值实现监测过程中实时预警的作用。超限报警子模块可以采用声光报警模块，通过声光报警模块进行声光报警。
预警模块可以通过USB连接线与工控机相连，也可以为工控机的一个内置模块。工控机中的软件设定各个参数的报警值，并将采集的监测值与报警值进行比较，当监测值超过报警值时，驱动报警模块进行声光报警。
具体的，超限报警子模块包括控制电路和若干个驱动电路；控制电路以单片机为核心，一方面，用于与工控机通信，当工控机接收到的监测值超过预设阈值时，则向控制电路发出驱动信号；另一方面，控制电路接收到驱动信号时，驱动对应的驱动电路进行声光报警。单片机可以制成多路扩展的I／O口控制器，利用89C51与8255连接，更减少硬件成本，充分利用软件资源，提高产品的性价比。控制电路如图5所示。
驱动电路：主要完成声光产生的控制，根据主机的命令信号进行实时控制与响应。可根据设备的不同故障特点，发出音响和灯光信号，告知值班人员迅速查出故障，做出正确判断和处理，保证电气设备的正常运行。驱动电路如图5所示：CPU采用89C51芯片，利用89C51P1口与两个8255数据总线连接，不存在地址与数据混同；利用89C51P2口的引脚P20和P21与8255地址线A0、A1相连，8255片选线(CS)接P22，通过软件读、写控制线与8255直接相连，在软件中只要使用MOVX指令，即可使其发生变化；8255的3个I／O口共24位数据线外接驱动电路控制声光报警。
驱动电路如图6所示，主要用于产生声光控制，根据主机的命令信号进行实时控制与响应。可根据设备的不同故障特点，发出音响和灯光信号，告知值班人员迅速查出故障，做出正确判断和处理，保证电气设备的正常运行。
综上所述，本发明提供的港口起重机械运行安全机载预警系统，具有以下优点：
(1)首次实现同时对港口起重机械的重要参数、安全状态和减速机运行状态进行实时监测及预警等功能，并能够对各运行参数、工作状态、操作指令、报警情况等实时记录和数据查看；
(2)具有对港口起重机械重要运行参数和安全状态进行显示及报警的功能，便于故障分析和事故调查，同时为安全评价提供数据积累；
(3)具有减速机重要故障的预警功能，能够及时、准确、有效地对减速机振动异常、轴温过高做出诊断，预防或消除因减速机故障导致的运行安全问题。
(4)解决了目前港口起重机运行安全方面存在的问题，提升港口起重机的运行安全监控水平，从而保障起重机的安全运行，减少重大事故的发生。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种港口起重机械运行安全机载预警系统，其特征在于，包括：数据采集层、数据传输层以及工控机；所述工控机包括数据采集接口、数据监测模块和预警模块；
其中，所述数据采集层用于采集被监控港口起重机械监控值，并通过所述数据传输层传输到所述工控机的数据采集接口；所述数据监测模块用于为每一个监控参数设置预警值，如果某一监控值超过预警值，则通过所述预警模块用进行报警；
其中，所述数据采集层包括传感层和信号采集器；
所述传感层包括PLC控制器、振动传感器、温度传感器和声发射传感器；其中，所述PLC控制器为被监控港口起重机械自身配置的控制器；所述振动传感器用于采集减速机振动信号；所述温度传感器用于采集减速机温度信号；所述声发射传感器用于采集减速机声发射信号；
所述信号采集器包括：PLC信号采集器、振动信号采集器、温度信号采集器和声发射信号采集器；
其中，所述PLC信号采集器通过通讯卡与工控机直接连接，用于采集所述PLC控制器输出信号，并通过所述通讯卡传输到所述工控机的数据采集接口；
所述振动信号采集器为基于USB接口的并行数据采集系统，其输入端与振动传感器连接，输出端与工控机连接，内置有多种采样通道，用于对所述振动传感器输出的减速机振动信号进行滤波、调理和模数转换处理，再发送到所述工控机的数据采集接口；
所述温度信号采集器为基于EIA RS-485通讯协议的多点双向信号处理器，内置有光隔离器，其输入端与温度传感器连接，输出端与工控机连接，用于对所述温度传感器输出的减速机温度信号进行滤波、调理和模数转换处理，再发送到所述工控机的数据采集接口；
所述声发射信号采集器用于对所述声发射传感器输出的减速机声发射信号进行滤波、调理和模数转换处理，再发送到所述工控机的数据采集接口。
2.根据权利要求1所述的港口起重机械运行安全机载预警系统，其特征在于，所述振动传感器采用压电式加速度传感器，自身配置有电荷放大器，其供电和信号输出共用一根同轴电缆；自身带有磁吸座，通过磁吸座将所述振动传感器安装在所述港口起重机械减速机轴端的减速器箱体上。
3.根据权利要求1所述的港口起重机械运行安全机载预警系统，其特征在于，所述温度传感器采用铂电阻温度传感器PT100，其通过螺纹连接的方式安装在减速机轴端的减速器箱体上。
4.根据权利要求1所述的港口起重机械运行安全机载预警系统，其特征在于，所述信号采集器通过以下方法采集所述温度传感器和所述振动传感器输出的参数：
所述信号采集器创建一个用于对某一被控设备进行绝对控制的设备对象句柄；
所述信号采集器设置与每一个采样通道相对应的采样参数，该采样参数包括采样频率、该采样通道对应的传感器类型；
所述信号采集器按所述采样频率读取某一采样通道传输的模拟量数据，然后对所述模拟量数据进行模数转换，实现连续不间断循环采样；
当需要读取其他采样通道传输的数据时，修改采样通道以及采样频率参数，重复上述循环采样过程；
当需要停止采样时，释放该设备对象句柄。
5.根据权利要求1所述的港口起重机械运行安全机载预警系统，其特征在于，所述信号采集器通过以下方法采集所述PLC控制器输出信号：
所述信号采集器创建一个用于对某一被控设备进行绝对控制的设备对象句柄；其中，所述被控设备安装有PLC控制器；
初始化所述信号采集器与所述PLC控制器之间的采样通道；
所述信号采集器直接读取所述PLC控制器内部存储的参数。
6.根据权利要求1所述的港口起重机械运行安全机载预警系统，其特征在于，所述PLC控制器输出信号包括：监控参数和监控状态；
所述监控参数包括：起重量、起重力矩、起升高度、大车运行距离、幅度、风速、回转角度、工作时间和安全距离；
所述监控状态包括起升机构制动器状态、抗风防滑状态、供电电缆卷筒状态、门限位和机构运行联锁；
所述工作时间统计为起升机构/变幅机构/旋转机构/行走机构的开始动作时间、结束动作时间以及工作时间段。
7.根据权利要求1所述的港口起重机械运行安全机载预警系统，其特征在于，所述数据监测模块包括数据显示子模块、数据存储子模块和数据回放子模块；
所述数据显示子模块用于实时显示港口起重机械运行安全参数，还用于显示被监控的港口起重机械安全状态；所述数据存储子模块用于通过数据库分类存储各个港口起重机械对应的运行安全参数；所述数据回放子模块用于调取任意历史时间的运行安全历史数据。
8.根据权利要求1所述的港口起重机械运行安全机载预警系统，其特征在于，所述预警模块包括阈值设置子模块和超限报警子模块；
所述阈值设置子模块用于设置各个监测参数的运行安全极限值；
所述超限报警子模块用于当接收到的监测参数超过对应阈值时，进行报警。
9.根据权利要求8所述的港口起重机械运行安全机载预警系统，其特征在于，所述超限报警子模块包括控制电路和若干个驱动电路；所述控制电路用于与所述工控机通信，当工控机接收到的监测值超过预设阈值时，则向所述控制电路发出驱动信号；所述控制电路接收到所述驱动信号时，根据被控设备故障特点，驱动对应的驱动电路进行声光报警；其中，所述控制电路为多路扩展I/O口控制器。
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