作者：徐 亮摘要：阐述了船厂大型起重机网络数字化管理的重要性 , 分析了安全监控分布和集控系统的技术基础，介绍了该系统的组成和开发过程。通过 OPC 技术对数据进行采集，工业无线 Wi-Fi 技术进行数据传输。已有多家船厂有意使用该系统，项目的示范效应也可进一步推动起重机安全监控系统国家标准的修订，有利于促进起重机设计和监测方法的改进和提高，提高该类产品的技术含量，抢占高端起重机的市场份额。Abstract: The paper elaborates on the importance of digital networked management of large shipyard crane, analyzes technical basis of safety monitoring distribution and centralized control system, and introduces the composition and development process of the system. Data acquisition and transmission respectively depend on OPC technology and industrial wireless Wi-Fi technology. There are plenty of shipyards interested in using the system. Demonstration effect of the project also can push the revision of national standards on crane safety monitoring system, and help improve crane design and monitoring methods, increase technical content of such products, and size market share in high-end crane.关键词：船厂大型起重机 ; 安监系统 ; 工业无线 Wi-Fi；OPC；现场总线Keywords: large shipyard crane; safety supervision system; industrial wireless Wi-Fi; OPC; eld bus0 概述大型起重机械安装安全监控管理系统是为贯彻落实《国务院关于进一步加强企业安全生产工作的通知》有关要求而实施的重点工作。该系统通过监视、控制、管理等手段，实现操作安全控制、危险临界报警、现场实时显示和数据记录保存、运用视频和音频技术实时显示和记录工作状态、事后回放、远程监控等功效。按照实施方案，在“十二五”期间，逐步在新制造和在用大型起重机械上安装安全监控管理系统，预防起重机械坍塌等事故发生。当厂区存在数台起重机时，本地的监控方式不能实现数据的远程传输，限制了监控的功能，使监控者不能在第一时间内得到起重机的工作状态，无法及时做出诊断，往往耽误了发现起重机问题的最佳时机，从而造成重大安全事故。由原单台起重机运行数据的本地监控，实现了整个厂区多台起重机设备的集群式监控管理，是对起重机信息化技术的指数级增长，数字化、网络化进步和集成式智能化创新的体现。这为今后实现船厂智能化设备联网，并建立可视化管控中心打下了基础。1 系统技术基础起重机安全监控系统是指能够对起重机械工作过程进行监控，能够对其运行过程中的重要参数和安全状态进行记录，并可随时调取历史数据的起重机械信息管理系统。每台起重机上的本地安全监控系统利用现场总线及 OPC 技术，采集记录起重机械的关键信息；在监控中心的集控系统利用无线局域网技术，将本地采集的信息实时提供给远程监控的人员，实现远程对设备使用状况的监控及远程对设备维护和故障诊断。1.1 现场总线技术1.1.1 简介国际电工委员会 IEC61158 对现场总线的定义是： 现场总线是一种用于底层工业控制和测量设备，如传感器、执行器和本地控制器之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。现场总线是用于过程控制现场仪表与控制室之间的一个标准的、开放的、双向的多站数字通信系统。随着计算机技术、通讯技术、集成电路技术的发展，以全数字式现场总线为代表的互联规范，正在迅猛发展和扩大。由于采用现场总线可以使控制系统结构简单，系统安装费用减少并且易于维护；用户可以自由选择不同厂商、不同品牌的现场设备达到最佳的系统集成等一系列的优点，现场总线技术正越来越受到人们的重视。近十几年由于现场总线的国际标准不能建立，现场总线发展的种类较多，约有 40 余种：如德国西门子公司的 Prof ibus， 法国的 FIP，英国的 ERA，Echelon 公司的 LonWorks， Phoenix Contact 公司的 Interbus，RoberBosch 公司的 CAN，Rosemounr 公司的 HART，美国的DeviceNet 与Controlnet 等。现场总线是当今自动化领域的热点之一，它的出现， 标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始，并将对该领域的发展产生重要影响。1.1.2 标准从 1984 年起，IEC（国际电工委员会）/TC65（工业过程测量及控制技术委员会）和 ISA（美国仪表协会） 开始制定国际标准的工作。在 1999 年 12 月通过了一个包含了多种互不兼容的协议的标准，即 IEC 61158 国际标准。该标准包括了目前国际上用于过程工业及制造业的 8 类主要的现场总线协议，见表 1。现场总线经过迅速发展，现在处于群雄并起、百家争鸣的阶段。其中 Prof ibus 现场总线在起重机控制系统中应用的最为广泛。1.1.3 现场总线技术的技术特点与 DCS 等传统的系统相比，现场总线在本质上有以下技术特点1） 现场总线是现场通信网络2） 现场总线是数字通信网络。在现场总线中，同层的或不同层的总线设备之间均采用数字信号进行通信。3） 现场总线是开放互联网络。4） 现场总线是现场设备互连网络。5） 现场总线是结构与功能高度分散的系统。现场设备具有互操作性与互换性。1.2 工业以太网1.2.1 简介工业控制网络是伴随着控制系统的变革而发展起来的。控制系统经历了基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统和近几年流行起来的工业以太网控制系统等六个阶段。由于工业自动化系统正向分布化、智能化的实时控制方面发展，其中通信已成为关键，用户对统一的通信协议和网络的要求日益迫切。另一方面，Intranet/Internet 等信息技术的飞速发展，要求企业能实现从现场控制层到管理层全面的无缝信息集成，并提供一个开放的基础构架，但目前的现场总线尚不能满足这些要求。应该说，现场总线的出现确实给工业自动化带来一场深层次的革命，但多种现场总线互相不兼容，不同公司的控制器之间不能相互实现高速的实时数据传输，信息网络存在协议上的鸿沟导致出现“自动化孤岛”等，促使人们开始寻求新的出路，并关注到以太网。1.2.2 工业以太网的关键技术正是由于以太网具有很多优势，使得它受到越来越多的关注。但如何利用 COTS（商用通用组件）技术来满足工业控制需要，是目前迫切需要解决的问题，这些问题包括通信实时性、现场设备的总线供电、本质安全、远距离通信、可互操作性等，这些技术直接影响以太网在现场设备中的应用。2 多台起重机安全监控分布和集控系统的开发起重机安全监控分布和集控系统采用了现场总线， 无线接入以及 OPC（OLE for Process Control）等先进技术。在起重机的电控系统中，利用现场总线技术将起重机上的驱动器、传感器、I/O 采集器等总线设备连接起来， 通过 OPC Server 将这些设备的信息读取到工控电脑中。通过软件的运算和处理，将数据存储在现场数据库中。使用工业无线 / 有线网络，将现场数据库中的数据发送到集中监控室中的服务器中，服务器再通过软件，将这些数据还原成画面，并存储在服务器中。本系统的开发主要是实现对数据的一系列处理过程。主要有数据采集、数据传输、软件存储、还原等过程。2.1 数据采集2.1.1 硬件配置一般大型起重机的控制系统采用 PLC 主站 + 远程分站的形式构成，主站与分站之间采用 Prof ibus 现场总线网络连接，所有的传感器也均支持 Prof ibus 现场总线网络。主站 PLC 上有 Prof inet 网络接口，可以使用网线， 将 PLC 主站与工控电脑连接起来。以某 600 t 门式起重机为例，PLC 主站采用西门子公 司 S7-400 系列 CPU，CPU 上带 Prof ibus 接口及 Prof inet 接口。上小车、下小车、刚腿、柔腿、司机室分站采用西门子公司 ET200 系列分站模块，通过Prof ibus 通讯电缆连接起来；编码器、风速仪、超载保护器、驱动器等设备均支持 Prof ibus 现场总线网络，通过 Prof ibus 通讯电缆与主 PLC 通讯。工控电脑带有以太网控制器，通过交换机与主 PLC 连接。2.1.2 如何实现数据采集不同的起重机可能会采用不同厂家的通信模块。为了提高各通信模块与应用软件之间的耦合性，减少监控软件开发工作的重复性，提高各设备的标准化、开放性及网络化，采用OPC 技术来实现对不同硬件的数据采集。OPC 实际上提供了一个标准的连接平台，它将各种不同通讯协议的硬件集中到一个平台上，使用统一的接口与工控电脑连接，使监控系统的软件无需考虑多种形式通讯协议的接口，使监控软件更加标准化，可以使用在不同控制系统的起重机上。信息采集主要由 OPC 服务器来完成， 如该控制系统采用 Prof ibus 现场总线网络，则 OPC 服务器采用SIMATIC NET 协议，只需在 OPC 服务器中做好该电控系统的硬件组态，就可以接受和发送来自主 PLC 的数据了。当现场设备发生变化时，由于服务器提供的接口一致，只需对 OPC 进行重新组态，监控软件无需更改。2.2 数据的传输远程无线数据监控是基于传感器技术、嵌入式技术、数据采集技术、数据处理技术、无线传感网络与远程通信技术相融合的系统平台。通过前端监控装置和平台无缝融合，实现了开放式的实时起重机作业监控。在对起重机实现现场安全监控的同时，通过远程无线数据传输， 将起重机运行工况安全数据和报警信息，通过远程数据传输模块实时发送到远程无线数据监控服务器，成为起重机的第二个黑匣子。并实现实时的动态远程监控、远程报警，使得起重机安全监控成为开放的实时动态监控。由于起重机所处的现场条件，不一定都布设了有线网络，所以采用无线工业 Wi-Fi 的传输方式为最佳方案。采用无线工业 Wi-Fi 的主要优点是能极大地增加系统容量、提高通信质量和数据传输的速率，并且可以通过有线网络的转接，实现 Internet 的接入。由于工业现场对无线 Wi-Fi 信号会产生屏蔽和干扰，网络的接入可能存在断开的情况，为了保证数据传输的质量和稳定性，采取了硬件和软件两方面的措施：1） 硬件方面 设定和无线工业 Wi-Fi 之间相关的硬件参数，随时监控无线工业 Wi-Fi 的运行和连接状态， 一旦发现连接断开，可以自动重新启动，并且报警，告知维修人员。2） 软件方面 在传输过程中如果数据包丢失，会产生软件错误。在软件中监控数据报发送情况，一旦发现发送失败，就重新尝试发送，当发送失败达到一定次数时，将未发送的数据存放在临时数据区，待连接正常后再发送。2.3 存储及显示为了便于维护人员查看设备运行状态及故障信息， 我们采用可视化动态显示，利用通用的组态软件对画面进行组态，并将数据存于后台数据库中。1） 画面的制作 利用 WINCC 组态软件制作界面， 对于门式起重机主要包括总体状态、操作台、上小车、下小车、刚腿、柔腿、总线状态、驱动器状态等8 个画面。2） 数据的写入和读取 通过 OPC 服务器，将从主PLC 中读取到的数据信息，进过程序的处理，按照时间顺序写入后台数据库中。当需要调取历史数据时，软件可根据用户设定的时间段，将数据读取到一张临时数据库中，并通过组态画面回放出来。3总结随着“工业 4.0”以及“中国制造 2015”目标的日益明确，其主攻方向是制造业数字化网络智能化。愈来愈多的船厂已意识到网络数字化管理的重要性，近阶段已有多家船厂有意使用该系统，本系统技术的推广与应用具有美好的前景。项目的示范效应也可进一步推动起重机安全监控系统国家标准的修订，有利于促进起重机设计和监测方法的改进和提高，提高该类产品的技术含量，抢占高端起重机的市场份额。参考文献[1] 崔英 , 杜文辽 , 李根 . 起重机远程监控及故障诊断数据库系统 [J]. 机械设计与研究 ,2013(1).======================================================================举报/反馈发表评论发表作者最新文章高定位精度的第三代核环行起重机运行系统 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