CN114044443A - 一种基于plc的海工起重机健康检测系统 - Google Patents

Abstract

一种基于PLC的海工起重机健康检测系统，所述健康检测系统包括：驾驶室监控中心、机械监控模块、电气监控模块和液压监控模块，所述机械监控模块、电气监控模块和液压监控模块的监控信号输出端均与驾驶室监控中心信号连接，所述驾驶室监控中心包括驾驶室PLC控制器和驾驶室触摸屏，所述驾驶室PLC控制器与驾驶室触摸屏信号连接，所述驾驶室PLC控制器分别与机械监控模块、电气监控模块和液压监控模块的监控信号输出端相连接。本设计不仅能够建立海工起重机的整体监控平台，及时掌握海工起重机的整体状况，而且适用范围广、普适性高。

Description

一种基于PLC的海工起重机健康检测系统

技术领域

本发明涉及一种基于PLC的海工起重机健康检测系统，具体适用于整合起重机的传感反馈、便于快速监控故障。

背景技术

海洋工程起重机作为海洋工程平台上的关重设备，设备状态直接影响到平台作业的安全与否，随着国家大力发展对海上资源的利用，包括海洋石油、海上风电、海底采矿等，海上作业平台的制造是越来越多，对海工起重机车的稳定性、多样性、先进性的要求也越来越高。因此对海工起重机及其电控系统的研究以及优化显得尤为重要。

按照机械结构，海事起重机可分为以下四类：A型海事起重机：油缸变幅式；C型海事起重机：A字架结构式；E型海事起重机：将军柱式；S型海事起重机：特种起重机。

一直以来海洋工程起重机由于结构整体性不强，且为多马达控制动作的系统，一个动作指令由多个部分传递执行，因而在发生故障时，排查问题的过程较为繁琐，操作时也无法正确检测到系统内部详细的运行状态。传统的海工起重机控制系统，显示器面板上由于空间受限仅能监测部分系统数据，例如吊重、臂架俯仰角度、液压油温等实时变化的量。而忽略了机体结构的受力情况、变幅油缸及各液压管路实时状态，钢丝绳张力状态等。故偶尔出现的故障的问题无法快速解决，甚至容易出现重大的安全事故。

近年来，随着海洋工程的发展以及PLC控制技术的应用，海工起重机的安保系统已经能满足客户的基本要求，但对于远程监控方面依旧不够完善

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的海工起重机整体性差故障排查繁琐的问题，提供了一种提高整体性、快速排查故障的基于PLC的海工起重机健康检测系统。

为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：

一种基于PLC的海工起重机健康检测系统，所述健康检测系统包括：驾驶室监控中心、机械监控模块、电气监控模块和液压监控模块，所述机械监控模块、电气监控模块和液压监控模块的监控信号输出端均与驾驶室监控中心信号连接，所述驾驶室监控中心包括驾驶室PLC控制器和驾驶室触摸屏，所述驾驶室PLC控制器与驾驶室触摸屏信号连接，所述驾驶室PLC控制器分别与机械监控模块、电气监控模块和液压监控模块的监控信号输出端相连接。

所述健康检测系统还包括：平台监控中心，所述平台监控中心与驾驶室PLC控制器信号连接。

所述机械监控模块包括：动力源震动监测传感器，所述动力源震动监测传感器的信号输出端与驾驶室PLC控制器上对应信号的采集端口相连接，所述动力源震动监测传感器为加速度传感器，动力源震动监测传感器安装于动力源设备的基座上；所述动力源设备为电机或柴油机。

所述电气监控模块包括：风速仪、吊臂角度传感器、主副钩吊重监测传感器、主副钩起升滚筒传感器、变幅传感器、回转编码器和起动器监测单元，所述风速仪、吊臂角度传感器、主副钩吊重监测传感器、主副钩起升滚筒传感器、变幅传感器、回转编码器和起动器监测单元的信号输出端分别与驾驶室PLC控制器上对应信号的采集端口相连接；

所述起动器监测单元用于监测起动器运行状况并将其反馈给驾驶室PLC控制器，所述风速仪安装于吊臂的头部，所述吊臂角度传感器安装于吊臂根部接近绞点处，所述吊臂角度传感器用于测量吊臂与水平方向的夹角并将其反馈给驾驶室PLC控制器；所述主副钩吊重监测传感器为拉板传感器或销轴传感器，所述主副钩吊重监测传感器用于监测主起升钢丝绳的张力并将其反馈给驾驶室PLC控制器；所述主副钩起升滚筒传感器为安装于起升滚筒侧部的凸轮开关或编码器，所述驾驶室PLC控制器将主副钩起升滚筒传感器采集的起升滚筒旋转圈数转化为主副钩位置的变化量；所述变幅传感器用于采集变幅装置的位置信息并将其反馈给驾驶室PLC控制器；所述回转编码器安装于转台内部，所述回转编码器用于测量转台的旋转角度并将其反馈给驾驶室PLC控制器。

所述起动器监测单元包括相序继电器、电流互感器、绝缘监测仪、欠电压监测继电器、微型断路器和计时器，所述相序继电器、欠电压监测继电器和微型断路器的状态信号输出端分别与驾驶室PLC控制器上对应信号的采集端口相连接，所述电流互感器、绝缘监测仪和计时器的信号输出端分别与驾驶室PLC控制器上对应信号的采集端口相连接；

所述相序继电器向驾驶室PLC控制器输出起动器电源的通、断相及相序监测情况，所述电流互感器用于监测主泵电机电流，所述绝缘监测仪用于监测起动器的绝缘情况，所述欠电压监测继电器用于监测主电源欠压情况并将其反馈给驾驶室PLC控制器，所述微型断路器用于监测控制回路短路并将其反馈给驾驶室PLC控制器，所述计时器用于记录电机运行时间并将其反馈给驾驶室PLC控制器。

所述液压监控模块包括：起升马达压力传感器、液压油箱液位变送器、液压油箱油温传感器、起升主阀油压传感器、起升主阀流量传感器、变幅回转主阀油压传感器、变幅回转主阀流量传感器、液压管路油温传感器、控制回路油液清洁度监测仪、回油路油液清洁度监测仪和刹车油缸压力传感器，所述起升马达压力传感器、液压油箱液位变送器、液压油箱油温传感器、起升主阀油压传感器、起升主阀流量传感器、变幅回转主阀油压传感器、变幅回转主阀流量传感器、液压管路油温传感器、控制回路油液清洁度监测仪、回油路油液清洁度监测仪和刹车油缸压力传感器的信号输出端分别与驾驶室PLC控制器上对应信号的采集端口相连接；

所述起升马达压力传感器安装于起升马达上，所述起升马达压力传感器用于监测起升马达压力值；所述液压油箱液位变送器和液压油箱油温传感器均设置于液压油箱上，所述起升主阀油压传感器设置于起升主阀进油管路上，所述起升主阀流量传感器设置于起升主阀回油管路上，所述变幅回转主阀油压传感器设置于变幅回转主阀进油管路上，所述变幅回转主阀流量传感器设置于变幅回转主阀回油管路上，所述液压管路油温传感器设置于过滤器进油管处，所述控制回路油液清洁度监测仪设置于控制回路油滤器上，所述回油路油液清洁度监测仪设置于回油滤器上，所述刹车油缸压力传感器安装于刹车油缸上。

当海工起重机为柴油动力驱动时，液压监控模块还包括燃油箱液位变送器和燃油箱油温传感器，所述燃油箱液位变送器和燃油箱油温传感器的信号输出端分别与驾驶室PLC控制器上对应信号的采集端口相连接，所述燃油箱液位变送器和燃油箱油温传感器均设置于燃油箱上。

当海工起重机为C型起重机时，所述机械监控模块还包括：变幅钢丝绳张力监测传感器，所述变幅钢丝绳张力监测传感器的信号输出端与驾驶室PLC控制器上对应信号的采集端口相连接，所述变幅钢丝绳张力监测传感器为销轴传感器，变幅钢丝绳张力监测传感器安装于吊臂顶部的滑轮上用于监测变幅钢丝绳的张力；所述变幅传感器为凸轮开关或编码器。

当海工起重机为A型起重机时，所述变幅传感器为限位开关或接近开关；所述液压监控模块还包括变幅油缸位移传感器，所述变幅油缸位移传感器的信号输出端分别与驾驶室PLC控制器上对应信号的采集端口相连接，所述变幅油缸位移传感器安装于变幅油缸上。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明一种基于PLC的海工起重机健康检测系统中通过在机械、电气和液压系统中安装各类传感器来监控各设备的工作情况，然后将采集到的数据集中到驾驶室监控中心，利用PLC建立健康状态监测数据模型，监测吊机各监控参数的不规则性，建立预警机制，从而预测潜在故障，最终通过人机界面输出故障预警及处理措施，引导用户提前介入检修，并将这些数据通过通讯接口，传输给平台监控系统，便于中控室实时知晓吊机状态并在故障时及时作出响应。因此，本设计能够建立海工起重机的整体监控平台，及时掌握海工起重机的整体状况。

2、本发明一种基于PLC的海工起重机健康检测系统中根据不同类型的海工起重机制定不同的监测方案，能够适应多种不同型号、不同动力源的海工起重机。因此，本设计适用范围广、普适性高。

3、本发明一种基于PLC的海工起重机健康检测系统中能够将海工起重机的监控数据传输给平台监控中心，便于平台监控中心的整体调配，提高了海事平台的协同性。因此，本设计便于整体调配、协同性高。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的模块细节连接图。

图中：驾驶室监控中心1、驾驶室PLC控制器11、驾驶室触摸屏12、机械监控模块2、钢丝绳张力监测传感器21、动力源震动监测传感器22、电气监控模块3、风速仪31、吊臂角度传感器32、主副钩吊重监测传感器33、主副钩起升滚筒传感器34、变幅传感器35、回转传感器36、液压监控模块4、起升马达压力传感器40、液压油箱液位变送器41、液压油箱油温传感器42、起升主阀油压传感器43、起升主阀流量传感器44、变幅回转主阀油压传感器45、变幅回转主阀流量传感器46、液压管路油温传感器47、控制回路油液清洁度监测仪48、回油路油液清洁度监测仪49、启动器监测单元5、相序继电器51、电流互感器52、绝缘监测仪53、欠电压监测继电器54、微型断路器55、计时器56、刹车油缸压力传感器60、燃油箱液位变送器61、燃油箱油温传感器62、变幅油缸位移传感器63、平台监控中心7。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图1至图2，一种基于PLC的海工起重机健康检测系统，所述健康检测系统包括：驾驶室监控中心1、机械监控模块2、电气监控模块3和液压监控模块4，所述机械监控模块2、电气监控模块3和液压监控模块4的监控信号输出端均与驾驶室监控中心1信号连接，所述驾驶室监控中心1包括驾驶室PLC控制器11和驾驶室触摸屏12，所述驾驶室PLC控制器11与驾驶室触摸屏12信号连接，所述驾驶室PLC控制器11分别与机械监控模块2、电气监控模块3和液压监控模块4的监控信号输出端相连接。

所述健康检测系统还包括：平台监控中心7，所述平台监控中心7与驾驶室PLC控制器11信号连接。

所述机械监控模块2包括：动力源震动监测传感器22，所述动力源震动监测传感器22的信号输出端与驾驶室PLC控制器11上对应信号的采集端口相连接，所述动力源震动监测传感器22为加速度传感器，动力源震动监测传感器22安装于动力源设备的基座上；所述动力源设备为电机或柴油机。

所述电气监控模块3包括：风速仪31、吊臂角度传感器32、主副钩吊重监测传感器33、主副钩起升滚筒传感器34、变幅传感器35、回转编码器36和起动器监测单元5，所述风速仪31、吊臂角度传感器32、主副钩吊重监测传感器33、主副钩起升滚筒传感器34、变幅传感器35、回转编码器36和起动器监测单元5的信号输出端分别与驾驶室PLC控制器11上对应信号的采集端口相连接；

所述起动器监测单元5用于监测起动器运行状况并将其反馈给驾驶室PLC控制器11，所述风速仪31安装于吊臂的头部，所述吊臂角度传感器32安装于吊臂根部接近绞点处，所述吊臂角度传感器32用于测量吊臂与水平方向的夹角并将其反馈给驾驶室PLC控制器11；所述主副钩吊重监测传感器33为拉板传感器或销轴传感器，所述主副钩吊重监测传感器33用于监测主起升钢丝绳的张力并将其反馈给驾驶室PLC控制器11；所述主副钩起升滚筒传感器34为安装于起升滚筒侧部的凸轮开关或编码器，所述驾驶室PLC控制器11将主副钩起升滚筒传感器34采集的起升滚筒旋转圈数转化为主副钩位置的变化量；所述变幅传感器35用于采集变幅装置的位置信息并将其反馈给驾驶室PLC控制器11；所述回转编码器36安装于转台内部，所述回转编码器36用于测量转台的旋转角度并将其反馈给驾驶室PLC控制器11。

所述起动器监测单元5包括相序继电器51、电流互感器52、绝缘监测仪53、欠电压监测继电器54、微型断路器55和计时器56，所述相序继电器51、欠电压监测继电器54和微型断路器55的状态信号输出端分别与驾驶室PLC控制器11上对应信号的采集端口相连接，所述电流互感器52、绝缘监测仪53和计时器56的信号输出端分别与驾驶室PLC控制器11上对应信号的采集端口相连接；

所述相序继电器51向驾驶室PLC控制器11输出起动器电源的通、断相及相序监测情况，所述电流互感器52用于监测主泵电机电流，所述绝缘监测仪53用于监测起动器的绝缘情况，所述欠电压监测继电器54用于监测主电源欠压情况并将其反馈给驾驶室PLC控制器11，所述微型断路器55用于监测控制回路短路并将其反馈给驾驶室PLC控制器11，所述计时器56用于记录电机运行时间并将其反馈给驾驶室PLC控制器11。

所述液压监控模块4包括：起升马达压力传感器40、液压油箱液位变送器41、液压油箱油温传感器42、起升主阀油压传感器43、起升主阀流量传感器44、变幅回转主阀油压传感器45、变幅回转主阀流量传感器46、液压管路油温传感器47、控制回路油液清洁度监测仪48、回油路油液清洁度监测仪49和刹车油缸压力传感器60，所述起升马达压力传感器40、液压油箱液位变送器41、液压油箱油温传感器42、起升主阀油压传感器43、起升主阀流量传感器44、变幅回转主阀油压传感器45、变幅回转主阀流量传感器46、液压管路油温传感器47、控制回路油液清洁度监测仪48、回油路油液清洁度监测仪49和刹车油缸压力传感器60的信号输出端分别与驾驶室PLC控制器11上对应信号的采集端口相连接；

所述起升马达压力传感器40安装于起升马达上，所述起升马达压力传感器40用于监测起升马达压力值；所述液压油箱液位变送器41和液压油箱油温传感器42均设置于液压油箱上，所述起升主阀油压传感器43设置于起升主阀进油管路上，所述起升主阀流量传感器44设置于起升主阀回油管路上，所述变幅回转主阀油压传感器45设置于变幅回转主阀进油管路上，所述变幅回转主阀流量传感器46设置于变幅回转主阀回油管路上，所述液压管路油温传感器47设置于过滤器进油管处，所述控制回路油液清洁度监测仪48设置于控制回路油滤器上，所述回油路油液清洁度监测仪49设置于回油滤器上，所述刹车油缸压力传感器60安装于刹车油缸上。

当海工起重机为柴油动力驱动时，液压监控模块4还包括燃油箱液位变送器61和燃油箱油温传感器62，所述燃油箱液位变送器61和燃油箱油温传感器62的信号输出端分别与驾驶室PLC控制器11上对应信号的采集端口相连接，所述燃油箱液位变送器61和燃油箱油温传感器62均设置于燃油箱上。

当海工起重机为C型起重机时，所述机械监控模块2还包括：变幅钢丝绳张力监测传感器21，所述变幅钢丝绳张力监测传感器21的信号输出端与驾驶室PLC控制器11上对应信号的采集端口相连接，所述变幅钢丝绳张力监测传感器21为销轴传感器，变幅钢丝绳张力监测传感器21安装于吊臂顶部的滑轮上用于监测变幅钢丝绳的张力；所述变幅传感器35为凸轮开关或编码器。

当海工起重机为A型起重机时，所述变幅传感器35为限位开关或接近开关；所述液压监控模块4还包括变幅油缸位移传感器63，所述变幅油缸位移传感器63的信号输出端分别与驾驶室PLC控制器11上对应信号的采集端口相连接，所述变幅油缸位移传感器63安装于变幅油缸上。

本发明的原理说明如下：

由于以太网的最大传输距离为100M，故在平台监控中心7内仍需要配置PLC，用于RS-485通讯。

实施例1：

一种基于PLC的海工起重机健康检测系统，所述健康检测系统包括：驾驶室监控中心1、机械监控模块2、电气监控模块3和液压监控模块4，所述机械监控模块2、电气监控模块3和液压监控模块4的监控信号输出端均与驾驶室监控中心1信号连接，所述驾驶室监控中心1包括驾驶室PLC控制器11和驾驶室触摸屏12，所述驾驶室PLC控制器11与驾驶室触摸屏12信号连接，所述驾驶室PLC控制器11分别与机械监控模块2、电气监控模块3和液压监控模块4的监控信号输出端相连接。

实施例2：

实施例2与实施例1基本相同，其不同之处在于：

所述健康检测系统还包括：平台监控中心7，所述平台监控中心7与驾驶室PLC控制器11信号连接。

实施例3：

实施例3与实施例2基本相同，其不同之处在于：

所述机械监控模块2包括：动力源震动监测传感器22，所述动力源震动监测传感器22的信号输出端与驾驶室PLC控制器11上对应信号的采集端口相连接，所述动力源震动监测传感器22为加速度传感器，动力源震动监测传感器22安装于动力源设备的基座上；所述动力源设备为电机或柴油机。

所述电气监控模块3包括：风速仪31、吊臂角度传感器32、主副钩吊重监测传感器33、主副钩起升滚筒传感器34、变幅传感器35、回转编码器36和起动器监测单元5，所述风速仪31、吊臂角度传感器32、主副钩吊重监测传感器33、主副钩起升滚筒传感器34、变幅传感器35、回转编码器36和起动器监测单元5的信号输出端分别与驾驶室PLC控制器11上对应信号的采集端口相连接；

所述起动器监测单元5用于监测起动器运行状况并将其反馈给驾驶室PLC控制器11，所述风速仪31安装于吊臂的头部，所述吊臂角度传感器32安装于吊臂根部接近绞点处，所述吊臂角度传感器32用于测量吊臂与水平方向的夹角并将其反馈给驾驶室PLC控制器11；所述主副钩吊重监测传感器33为拉板传感器或销轴传感器，所述主副钩吊重监测传感器33用于监测主起升钢丝绳的张力并将其反馈给驾驶室PLC控制器11；所述主副钩起升滚筒传感器34为安装于起升滚筒侧部的凸轮开关或编码器，所述驾驶室PLC控制器11将主副钩起升滚筒传感器34采集的起升滚筒旋转圈数转化为主副钩位置的变化量；所述变幅传感器35用于采集变幅装置的位置信息并将其反馈给驾驶室PLC控制器11；所述回转编码器36安装于转台内部，所述回转编码器36用于测量转台的旋转角度并将其反馈给驾驶室PLC控制器11。

所述起动器监测单元5包括相序继电器51、电流互感器52、绝缘监测仪53、欠电压监测继电器54、微型断路器55和计时器56，所述相序继电器51、欠电压监测继电器54和微型断路器55的状态信号输出端分别与驾驶室PLC控制器11上对应信号的采集端口相连接，所述电流互感器52、绝缘监测仪53和计时器56的信号输出端分别与驾驶室PLC控制器11上对应信号的采集端口相连接；

所述相序继电器51向驾驶室PLC控制器11输出起动器电源的通、断相及相序监测情况，所述电流互感器52用于监测主泵电机电流，所述绝缘监测仪53用于监测起动器的绝缘情况，所述欠电压监测继电器54用于监测主电源欠压情况并将其反馈给驾驶室PLC控制器11，所述微型断路器55用于监测控制回路短路并将其反馈给驾驶室PLC控制器11，所述计时器56用于记录电机运行时间并将其反馈给驾驶室PLC控制器11。

所述液压监控模块4包括：起升马达压力传感器40、液压油箱液位变送器41、液压油箱油温传感器42、起升主阀油压传感器43、起升主阀流量传感器44、变幅回转主阀油压传感器45、变幅回转主阀流量传感器46、液压管路油温传感器47、控制回路油液清洁度监测仪48、回油路油液清洁度监测仪49和刹车油缸压力传感器60，所述起升马达压力传感器40、液压油箱液位变送器41、液压油箱油温传感器42、起升主阀油压传感器43、起升主阀流量传感器44、变幅回转主阀油压传感器45、变幅回转主阀流量传感器46、液压管路油温传感器47、控制回路油液清洁度监测仪48、回油路油液清洁度监测仪49和刹车油缸压力传感器60的信号输出端分别与驾驶室PLC控制器11上对应信号的采集端口相连接；

所述起升马达压力传感器40安装于起升马达上，所述起升马达压力传感器40用于监测起升马达压力值；所述液压油箱液位变送器41和液压油箱油温传感器42均设置于液压油箱上，所述起升主阀油压传感器43设置于起升主阀进油管路上，所述起升主阀流量传感器44设置于起升主阀回油管路上，所述变幅回转主阀油压传感器45设置于变幅回转主阀进油管路上，所述变幅回转主阀流量传感器46设置于变幅回转主阀回油管路上，所述液压管路油温传感器47设置于过滤器进油管处，所述控制回路油液清洁度监测仪48设置于控制回路油滤器上，所述回油路油液清洁度监测仪49设置于回油滤器上，所述刹车油缸压力传感器60安装于刹车油缸上。

实施例4：

实施例4与实施例1基本相同，其不同之处在于：

当海工起重机为柴油动力驱动时，液压监控模块4还包括燃油箱液位变送器61和燃油箱油温传感器62，所述燃油箱液位变送器61和燃油箱油温传感器62的信号输出端分别与驾驶室PLC控制器11上对应信号的采集端口相连接，所述燃油箱液位变送器61和燃油箱油温传感器62均设置于燃油箱上。

实施例5：

实施例5与实施例2基本相同，其不同之处在于：

当海工起重机为C型起重机时，所述机械监控模块2还包括：变幅钢丝绳张力监测传感器21，所述变幅钢丝绳张力监测传感器21的信号输出端与驾驶室PLC控制器11上对应信号的采集端口相连接，所述变幅钢丝绳张力监测传感器21为销轴传感器，变幅钢丝绳张力监测传感器21安装于吊臂顶部的滑轮上用于监测变幅钢丝绳的张力；所述变幅传感器35为凸轮开关或编码器。

实施例6：

实施例6与实施例1基本相同，其不同之处在于：

当海工起重机为A型起重机时，所述变幅传感器35为限位开关或接近开关；所述液压监控模块4还包括变幅油缸位移传感器63，所述变幅油缸位移传感器63的信号输出端分别与驾驶室PLC控制器11上对应信号的采集端口相连接，所述变幅油缸位移传感器63安装于变幅油缸上。

实施例7：

实施例7与实施例2基本相同，其不同之处在于：

海工吊健康状态监测系统一种基于PLC的健康状态监测系统，在功能上分为三个单元，分别为人机交互单元、数据处理单元以及数据采集单元。其中人机交互单元包括驾驶室触摸屏与平台中控室触摸屏。数据处理单元包括驾驶室PLC与平台中控室PLC。数据采集单元包括海工吊本体上的传感器以及和驾驶室处理器上的通讯接口。各传感器将收集到的数据传递给驾驶室PLC，由驾驶室PLC进行处理后通过RS-485通讯模块达成平台中控室PLC控制器和驾驶室PLC的通讯，将预警信号传递给平台中控室PLC处理器并显示在驾驶室触摸屏以及中控室触摸屏上，以太网线负责驾驶室PLC与触摸屏的通讯，以及平台中控室PLC与触摸屏的通讯。系统组成见图。

数据采集单元为健康状态监测系统提供数据来源，根据大量海工吊车的历史故障数据分析，总结出海工吊在机、电、液系统中容易出现的故障点和故障类型，在涉及到吊机稳定性以及安全性的关键部位安装传感器，进行监控和数据采集，监测对象及传感器类型见下表：

传感器为底层数据采集的执行机构，此外在数据处理单元中配置有RS485/422通讯接口模块，可以通过RS485通讯与平台监控中心7进行数据数据交换，采集吊重数据、柴油机转速、液压管路油压等实时运行数据，传输给数据处理单元。

数据处理单元是健康状态监测系统的核心单元，由柜体、可编程逻辑控制器(含电源、处理器、I/O、通信等模块)等组成。具体配置∶中央处理单元选用西门子公司的S7-1200系列PLC,CPU型号为6ES7214-1HG40-0XB0，带以太网口，数字量输入输出模块型号为6ES7-223-1PL32-0XB0(16位数字量输入输出)，模拟量输入模块型号为6ES7-231-4HF32-0XB0(8路模拟量输入)，PLC额外配置由CM1241通讯模块，可执行ASCⅡ，USSdriveprotocol，ModbusRTU等标准协议，实现与平台监控系统的高速串行通信和数据交换。数据处理单元软件采用西门子博途V13编程软件，程序基于FMEA分析的故障报警分析模型和基于FTA的故障诊断模型。规划舵机数据采集体系和故障判别方案，通过数据采集单元提供的各种数据，研究基于震动频率、张力、功率、压力、电性能参数等多元化复杂信号以及稳态信号的自身频域分离技术，在此基础上，识别并提取海工吊各监控对象的特征信号，作为对健康状态评估的输入参数，建立各监控对象的健康状态模型，并基于模型成果和视情维护的需要，生成故障报警、故障诊断相应的维护维修方法/过程。进而深入研究设备故障状态，并进行高效和及时预警。与此同时，针对设备健康、亚健康、故障等不同状态，生成数据特征代码，通过以太网通讯发送到人机交互界面，触发对应的状态参数、故障预警、检修方案，提供给用户。

人机交互单元是系统面向于用户的终端设备，主体为两块西门子TP1500精智面板，分别安装于驾驶室与平台中控室，触摸屏可显示设备的实时状态、报警信息、历史记录、设备故障预警、检修指导。人机交互单元软件采用TIA Portal V13.1 WINCC编程软件，将人机界面设定为客户端，通过以太网与数据处理单元之间进行数据交互，在触摸屏上对海工吊各监控对象进行在线监控，触摸屏里预置设备预警信息、故障信息、检修方案，当接收到数据处理单元发送的数据特征代码时，触发并弹窗相关画面，引导用户做出对应措施。

健康状态监测系统根据海工吊机的典型故障模式、故障机理分析建立多个健康模型，本文选取以下几个典型案例分析。

(一)液压管路温度控制

液压管路正常油温为25～35℃，液压管路的温度传感器将实时温度传递给PLC控制单元，再经数据处理单元处理后，通过微型继电器控制DT11、DT12两个电磁阀组合管控风机启停以冷却管路油温或管路溢流加热管路油温。以下为DT11、DT12两个电磁阀的控制逻辑：

而当温度传感器检测的液压油温低于0℃或温度高于70℃时，不仅加热器工作，且所有动作继电器均失电，触摸屏出现“管路油温低于0℃，吊机停止动作”或“管路油温高于70℃，吊机停止动作”报警文本，直至温度处于0～70℃之间，报警文本消失，继电器恢复正常动作。

处理方式：当温度低于0℃时，应起机使加热器工作，至管路油温达到10℃以上再进行作业；当温度高于70℃时，应停止动作但不停机，直至冷却器将管路油温降低至40℃以下，再开始作业。

(二)变幅钢丝绳张力监测

PLC接收到销轴传感器传输的电流信号后，经过程序内编写的数据块处理后，计算出实时张力数据α。由于不同吨位C型吊的钢丝绳耐受能力不同，由厂家提供钢丝绳可承受的最大张力β。当0.9β≤α≤β时，系统发出预报警提示操作人员已接近报警值；当β≤α时，系统停止减幅以及起升动作，并于触摸屏显示报警文本“禁止增幅、起升动作”。当α≤β时，动作恢复正常。

处理方式：当触摸屏显示报警文本“禁止增幅、起升动作”时，应立即停止拉升吊臂及起升吊钩，并平缓放下货物至地面，直至报警消除。

(三)刹车油缸压力监测

PLC接受到刹车油缸上压力传感器的电流信号后，经过程序内编写的数据块处理后，计算出实时压力γ。根据不同型号及吨位的海工吊车，由液压设计人员提供刹车油缸打开所需的最小压力值Σ。

当操作手柄动作，且相应的刹车油缸压力γ≥Σ时，判定刹车处于打开状态，吊车正常动作；若手柄动作而γ≤Σ时，判定刹车打开失败，显示屏出现报警文本“刹车打开失败”。当手柄停止动作且经过2S延时，γ≥Σ时，则判断刹车关闭失败，系统停机，触摸屏显示文本“刹车故障，系统停机”。

处理方式：当出现“刹车打开失败”时，将停止吊车工作，在越控模式下将吊臂放置搁置臂上，并进行检修。当出现“刹车故障，系统停机”时，利用手动释放，将货物放下，并将吊臂放置搁置臂上进行检修。

Claims (9)

1.一种基于PLC的海工起重机健康检测系统，其特征在于：

所述健康检测系统包括：驾驶室监控中心（1）、机械监控模块（2）、电气监控模块（3）和液压监控模块（4），所述机械监控模块（2）、电气监控模块（3）和液压监控模块（4）的监控信号输出端均与驾驶室监控中心（1）信号连接，所述驾驶室监控中心（1）包括驾驶室PLC控制器（11）和驾驶室触摸屏（12），所述驾驶室PLC控制器（11）与驾驶室触摸屏（12）信号连接，所述驾驶室PLC控制器（11）分别与机械监控模块（2）、电气监控模块（3）和液压监控模块（4）的监控信号输出端相连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于PLC的海工起重机健康检测系统，其特征在于：

所述健康检测系统还包括：平台监控中心（7），所述平台监控中心（7）与驾驶室PLC控制器（11）信号连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于PLC的海工起重机健康检测系统，其特征在于：

所述机械监控模块（2）包括：动力源震动监测传感器（22），所述动力源震动监测传感器（22）的信号输出端与驾驶室PLC控制器（11）上对应信号的采集端口相连接，所述动力源震动监测传感器（22）为加速度传感器，动力源震动监测传感器（22）安装于动力源设备的基座上；所述动力源设备为电机或柴油机。

4.根据权利要求3所述的一种基于PLC的海工起重机健康检测系统，其特征在于：

所述电气监控模块（3）包括：风速仪（31）、吊臂角度传感器（32）、主副钩吊重监测传感器（33）、主副钩起升滚筒传感器（34）、变幅传感器（35）、回转编码器（36）和起动器监测单元（5），所述风速仪（31）、吊臂角度传感器（32）、主副钩吊重监测传感器（33）、主副钩起升滚筒传感器（34）、变幅传感器（35）、回转编码器（36）和起动器监测单元（5）的信号输出端分别与驾驶室PLC控制器（11）上对应信号的采集端口相连接；

所述起动器监测单元（5）用于监测起动器运行状况并将其反馈给驾驶室PLC控制器（11），所述风速仪（31）安装于吊臂的头部，所述吊臂角度传感器（32）安装于吊臂根部接近绞点处，所述吊臂角度传感器（32）用于测量吊臂与水平方向的夹角并将其反馈给驾驶室PLC控制器（11）；所述主副钩吊重监测传感器（33）为拉板传感器或销轴传感器，所述主副钩吊重监测传感器（33）用于监测主起升钢丝绳的张力并将其反馈给驾驶室PLC控制器（11）；所述主副钩起升滚筒传感器（34）为安装于起升滚筒侧部的凸轮开关或编码器，所述驾驶室PLC控制器（11）将主副钩起升滚筒传感器（34）采集的起升滚筒旋转圈数转化为主副钩位置的变化量；所述变幅传感器（35）用于采集变幅装置的位置信息并将其反馈给驾驶室PLC控制器（11）；所述回转编码器（36）安装于转台内部，所述回转编码器（36）用于测量转台的旋转角度并将其反馈给驾驶室PLC控制器（11）。

5.根据权利要求4所述的一种基于PLC的海工起重机健康检测系统，其特征在于：

所述起动器监测单元（5）包括相序继电器（51）、电流互感器（52）、绝缘监测仪（53）、欠电压监测继电器（54）、微型断路器（55）和计时器（56），所述相序继电器（51）、欠电压监测继电器（54）和微型断路器（55）的状态信号输出端分别与驾驶室PLC控制器（11）上对应信号的采集端口相连接，所述电流互感器（52）、绝缘监测仪（53）和计时器（56）的信号输出端分别与驾驶室PLC控制器（11）上对应信号的采集端口相连接；

所述相序继电器（51）向驾驶室PLC控制器（11）输出起动器电源的通、断相及相序监测情况，所述电流互感器（52）用于监测主泵电机电流，所述绝缘监测仪（53）用于监测起动器的绝缘情况，所述欠电压监测继电器（54）用于监测主电源欠压情况并将其反馈给驾驶室PLC控制器（11），所述微型断路器（55）用于监测控制回路短路并将其反馈给驾驶室PLC控制器（11），所述计时器（56）用于记录电机运行时间并将其反馈给驾驶室PLC控制器（11）。

6.根据权利要求2、3、4或5所述的一种基于PLC的海工起重机健康检测系统，其特征在于：

所述液压监控模块（4）包括：起升马达压力传感器（40）、液压油箱液位变送器（41）、液压油箱油温传感器（42）、起升主阀油压传感器（43）、起升主阀流量传感器（44）、变幅回转主阀油压传感器（45）、变幅回转主阀流量传感器（46）、液压管路油温传感器（47）、控制回路油液清洁度监测仪（48）、回油路油液清洁度监测仪（49）和刹车油缸压力传感器（60），所述起升马达压力传感器（40）、液压油箱液位变送器（41）、液压油箱油温传感器（42）、起升主阀油压传感器（43）、起升主阀流量传感器（44）、变幅回转主阀油压传感器（45）、变幅回转主阀流量传感器（46）、液压管路油温传感器（47）、控制回路油液清洁度监测仪（48）、回油路油液清洁度监测仪（49）和刹车油缸压力传感器（60）的信号输出端分别与驾驶室PLC控制器（11）上对应信号的采集端口相连接；

所述起升马达压力传感器（40）安装于起升马达上，所述起升马达压力传感器（40）用于监测起升马达压力值；所述液压油箱液位变送器（41）和液压油箱油温传感器（42）均设置于液压油箱上，所述起升主阀油压传感器（43）设置于起升主阀进油管路上，所述起升主阀流量传感器（44）设置于起升主阀回油管路上，所述变幅回转主阀油压传感器（45）设置于变幅回转主阀进油管路上，所述变幅回转主阀流量传感器（46）设置于变幅回转主阀回油管路上，所述液压管路油温传感器（47）设置于过滤器进油管处，所述控制回路油液清洁度监测仪（48）设置于控制回路油滤器上，所述回油路油液清洁度监测仪（49）设置于回油滤器上，所述刹车油缸压力传感器（60）安装于刹车油缸上。

7.根据权利要求6所述的一种基于PLC的海工起重机健康检测系统，其特征在于：

当海工起重机为柴油动力驱动时，液压监控模块（4）还包括燃油箱液位变送器（61）和燃油箱油温传感器（62），所述燃油箱液位变送器（61）和燃油箱油温传感器（62）的信号输出端分别与驾驶室PLC控制器（11）上对应信号的采集端口相连接，所述燃油箱液位变送器（61）和燃油箱油温传感器（62）均设置于燃油箱上。

8.根据权利要求6所述的一种基于PLC的海工起重机健康检测系统，其特征在于：

当海工起重机为C型起重机时，所述机械监控模块（2）还包括：变幅钢丝绳张力监测传感器（21），所述变幅钢丝绳张力监测传感器（21）的信号输出端与驾驶室PLC控制器（11）上对应信号的采集端口相连接，所述变幅钢丝绳张力监测传感器（21）为销轴传感器，变幅钢丝绳张力监测传感器（21）安装于吊臂顶部的滑轮上用于监测变幅钢丝绳的张力；所述变幅传感器（35）为凸轮开关或编码器。

9.根据权利要求6所述的一种基于PLC的海工起重机健康检测系统，其特征在于：

当海工起重机为A型起重机时，所述变幅传感器（35）为限位开关或接近开关；所述液压监控模块（4）还包括变幅油缸位移传感器（63），所述变幅油缸位移传感器（63）的信号输出端分别与驾驶室PLC控制器（11）上对应信号的采集端口相连接，所述变幅油缸位移传感器（63）安装于变幅油缸上。

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