桥式起重机远程安全监控系统研究与应用

桥式起重机远程安全监控系统研究与应用

王剑

杭州华新机电工程有限公司 310030

摘要：桥式起重机使用范围广泛、种类繁多，在机械加工、冶金、仓储、交通等各个领域都发挥着十分重要的作用。然而作为使用范围最广、数量最多的一种起重机械，其智能化控制程度仍然较低，基本以人工现场操作为主要方式，危险性极高，容易造成生产事故。当前针对目前桥式起重机仍然以人工现场操作为主要方式，危险性高且不适应逐渐信息化生产方式的情况，因此本文通过对已有的起重机智能控制系统进行研究，提出了一种用于桥式起重机的智能远程监控系统，希望为相关研究提供一定的参考。

关键词：桥式起重机；远程控制；监控系统

引言

为实现对桥式起重机的自动化、信息化和智能化改造，需要借助通信技术、自动化技术、智能控制技术等设计一套桥式起重机智能控制系统，将桥式起重机的使用和管理方式从传统的人工操作、检查转变为自动化操作、状态自检、远程监控的信息化方式。为此，本文提出了一种用于桥式起重机的智能远程监控系统，可实现起重机的远程监测、在线控制、路径规划、自主运行等功能。

一、智能远程控制系统设计

1.1系统需求

针对桥式起重机的信息化、智能化改造，控制系统应至少实现以下三个需求：（１）远程监控。建立中央服务器采集、存储设备信息，管理员可以远程登录服务器查看起重机的实时状态、故障信息等，并可下达作业指令。（２）路径规划。控制系统根据作业要求，规划最佳运输路径，并在运行过程中根据环境信息实时调整路线，避免发生碰撞事故。（３）自动控制。自动控制是实现起重机智能化的关键，其作用是对路径规划给出的路径信息进行处理，形成相应的控制信号，并输出给起重机的执行机构，实现起重机的自动运行。

1.2控制系统整体架构

为满足远程监控、实时路径规划和自动控制三大需求，智能远程控制系统应满足几个条件：①具备多任务处理功能，并满足实时性要求；②具备传感器、控制器等设备之间的高速通信链路；③可实现位置、速度等信息的精确测量；④适用于各类传感器、远程控制和信息设备的通信接口。基于以上条件，提出了桥式起重机智能远程控制系统架构，分为执行层、控制层和用户层。

1.2.1执行层

执行层包含各类传感器、变频器等设备，其主要任务是采集起重机和环境数据，以及完成机构的运行动作。数据采集由各类传感器完成，采集的数据应符合国家标准《起重机械安全监控管理系统的标准》的要求，包含起重量、起升高度、运行行程等。除此之外，为实现起重机的自动运行，还需获取运行过程中负载的摆角和运行的环境信息。

1.2.2控制层

控制层是整个系统中任务最繁重的部分，包含路由器、ＰＬＣ和工控机。路由器是起重机与外界连接的重要节点，通过路由器向数据中心发送起重机信息，同时接收来自数据中心的指令。由于当前绝大多数桥式起重机使用ＰＬＣ作为主要的控制设备，为便于传统桥式起重机的升级改造，智能桥式起重机仍保留ＰＬＣ系统，工控机发送指令到ＰＬＣ完成对运动机构的控制、数据采集和吊具的防摇摆功能。工控机是控制系统的核心部分，大部分的数据处理、计算、传输都在这里实现，要求其具备多任务处理、高效计算和实时性功能。

1.2.3用户层

用户层的核心为数据中心，需要实现的功能有：状态监测、远程控制、用户登录、数据存储。状态监测即通过工控机实时获取起重机的运行状态、作业信息、报警信息以及车间内的环境信息等，并进行显示；远程控制是指在线发送作业任务，指定负载的大小、重量、位置及运输目的点，或对起重机进行管理；用户登录指用户可以通过浏览器登录到监控中心，对起重机进行查看和管理；数据存储即对起重机的状态、报警量、作业信息、人员信息等进行存储，结合设备的结构特点、工作原理及历史状况等，对存储数据进行分析，可以评估设备状态，对有可能出现的故障进行及时预报。

二、软件系统应用实现方式

2.1软件开发环境

采用Ｌｉｎｕｘ系统作为开发和运行环境，Ｌｉｎｕｘ作为一款开源的操作系统，采用了可移植的Ｕｎｉｘ标准应用接口，可以根据需要进行裁剪，并且支持多种硬件平台；稳定性高，可以长期运行不宕机。为保证系统的实时性，在系统中嵌入了ＲＴＡＩ（ＲｅａｌＴｉｍｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＩｎｔｅｒｆａｃｅ，实时应用接口），ＲＴＡＩ是对Ｌｉｎｕｘ内核的硬实时扩展，它可以满足工业级的实时性要求，并且其所有的功能都可通过ＧＮＵ／Ｌｉｎｕｘ环境无缝访问，降低了开发难度。

2.2软件设计

图1模块划分

2.2.1远程通信功能

本文采用ＪＳＯＮ格式对数据进行打包传输，ＪＳＯＮ是一种轻量级的数据格式，采用独立于编程语言的文本格式存储表示数据，层次结构简单、清晰，既易于人阅读编写，也易于机器解析生成，是一种非常理想的数据交换语言。为保证数据传输的安全性，需要采用一定的加密手段防止数据被窃取和篡改。

本文采用了ＳＳＬ加密协议，可以确保数据传输的安全性，防止数据被中途窃取。连接到数据中心后，在ＣｒａｎｅＳｔａｔｅＤａｔａ中不断获取起重机的状态数据，并上传到数据中心；当接收到数据中心传来的控制指令时，解析后保存到数据区中，实现与路径规划模块的交互。

2.2.2ＰＬＣ通信功能

ＰＬＣ通信模块负责读写ＰＬＣ的内部寄存器，以实现控制和数据采集的功能。考虑到对不同ＰＬＣ协议的支持，在软件底层设计了支持ＣＡＮ、ＲＳ２３２、Ｍｏｄｂｕｓ、ＴＣＰ协议的软件接口，通过更改配置文件可实现不同协议的切换，提高了整个系统的适应性。

2.2.3路径规划功能

路径规划模块需要根据数据中心提供的起点和终点坐标规划出一条最佳路径，并分解成动作序列提供给ＰＬＣ模块。在设备运行的同时，还要根据设备的运行状态及周围环境，动态调整路线，避免碰撞同时达到最高的作业效率。路径规划模块软件流程如图６所示。根据ＳｅｒｖｅｒＲｅｑｕｅｓｔＤａｔａ数据区的起点终点坐标，结合ＣｒａｎｅＳｔａｔｅＤａｔａ数据区中的起重机状态及通过传感器获得的环境信息，通过路径规划算法计算出合适的路径，并将路径序列保存到ＤｅｖｉｃｅＭｏｖｅＤａｔａ数据区中，实现与ＰＬＣ模块的数据交互。

３结语

本文提出了一种应用于智能全自动桥式起重机的远程监控系统，以实现将桥式起重机由传统的人工现场控制方式转变为全自动的在线监控方式。对智能监控系统需求进行分析研究，最终，各类桥式起重机将组网运行，由中央控制系统统一进行管理和调度，实现真正意义上的智能制造。

参考文献

［1］邵雪卷，张学良，张井岗，等．智能起重机路径规划及定位防摆控制策略［Ｊ］．起重运输机械，２０１７（１１）：６５－７０．

［2］魏云平，强宝民，晁苏全，等．改进路径规划算法在桥式起重机中的应用［Ｊ］．计算机测量与控制，２０１５，２３（８）：２８４４－２８４６．

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