闫歌
新疆维吾尔自治区特种设备检验研究院 新疆 830000
摘要：大型起重机国外产品站在国际的第一线，先进的动态监管技术已经完全发展到全数字化控制系统的程度，主要由控制系统实时监测起重机运行参数，分析起重机运行数据，给出合理的运行建议，在一定程度上提高了工业自动化的水平，为提高工厂生产效率，节省工业维护成本，降低不可测事故的发生几率起到了卓越的作用。
关键词：起重机动态监管与物联网技术的应用研究
引言
大型起重机械在使用中，其姿态稳定性主要受吊臂长度、起吊方向、离心力、惯性力、坡度和风力等几个因素的影响。其中，吊臂长度、起吊方向、离心力和惯性力造成的姿态安全问题主要是由起吊载荷和人为因素造成，而坡度和风力则属于外部作业条件因素。为增强移动式起重机的安全性，需要对起重机械的姿态进行动态监管，通过姿态变化分析可能出现的安全问题，以提高大型起重机械的安全性能。
1.物联网技术的应用
（1）感知层，物联网的“皮肤和五官”，进行物体识别和信息采集;
（2）网络层，物联网的“神经中枢和大脑”，进行信息传递和处理;
（3）应用层，物联网的“社会分工”，与行业需求结合，实现广泛智能化。
对于每台起重机，大小车、臂架和机身运行信息都可用一套特定的传感器检测得到。姿态测量设备由卫星天线和卫星接收机组成，可测量大小车水平方向位移和位置、吊钩垂直方向位移、臂架三维姿态、机身倾斜度等定位和姿态信息，安装于起重机上的各类传感器属于传感层。所有来自传感器的信息通过信号传输线路到达网关或RTU设备，再经过以太网上传，同时来自上层的命令可通过RTU设备控制执行器和声光报警。
起重机群经常工作在一个重叠区域，使驾驶员很难注意到所有其他邻近的起重机。因此，整个起重机群的工作状态需要传递给每一台起重机，以防碰撞。考虑到船厂现场的复杂环境因素及施工车辆和人员的通过，在起重机群间通过有线传输信息将是不便和昂贵的方式。因此，这种特殊的情况下无线通信是一个最佳的选择，可以避免在施工时中断，实现起重机群间相对稳定的信息传输。本文采用网关及RTU设备可实现以太网内数据传输，采用无线AP可实现无线组网，构成网络层。
远程动态监管平台通过无线AP从每台起重机获得数据，该平台安装于云服务器，手持动态监管设备及移动动态监管终端可以很容易地通过互联网进行访问，起重机上的工作人员可通过无线AP访问远程动态动态监管系统，获取每台起重机的运行状态。管理员可以注册添加一台起重机到动态监管系统，并查看它的实时状态和某个区域起重机群的历史数据。远程动态监管服务器属于应用层。
区别于物联网的三层架构，本文中的动态监管系统还有第四层，即接入层，作为物联网的“功能性大脑”，可完成思考、识别和决策任务。接入层的核心组成部分是安装于每台起重机上的测控机，它也是本文的重点。来自传感器的数据经过以太网输入嵌入式测控机，门座起重机上的测控机安装于驾驶室，门式起重机上的测控机则安装于大梁横梁内的三防电控箱。测控机通过信号线路从安装在起重机关键部件的所有传感器获得数据，并分析处理和进一步计算，把最终关键姿态等数据远程传输到云服务器上的远程动态监管平台。
本文根据四层结构模型重点介绍动态动态监管系统解决方案。
1.1传感层
传感层设备作为整个动态监管系统的基础，只有性能优良的传感器监视和控制起重机生产过程，才能保证起重机工作在正常及安全状态。动态监管系统所采用的机身姿态、旋转角度、运行速度、风速、负载等传感器经过检验，精度均达到国家标准。
1.2网络层
网络层主要包括以太网协议转换设备、网络传输线路和无线传输设备。
起重机传感器与系统的连接使用协议转换网关和RTU设备，将各种控制器的通讯协议统一转换为以太网协议，实现异构系统的互联，起重机动态监管服务器、动态监管终端等设备均通过工业以太网连接通过对传感器输出信号进行处理，再将数字信号由无线通信模块将采集参数传输给前端动态监管装置。
无线AP是使用无线设备（手机等移动设备、笔记本电脑等无线设备）用户进入有线网络的接入点，主要用于需要无线动态监管的地方，典型距离覆盖至上百米，也可以用于远距离传送。
1.3接入层
接入层即数据采集和控制装置，安装在起重机指定地方，称为测控机，主要完成对起重机的运行状态各个参数实时处理、存储和显示、单机姿态测量，并用无线方式传输数据给远程动态监管平台，用以太网传输执行对底层设备的控制。
1.4应用层
应用层即远程动态监管平台，远程动态监管服务布置在云服务器上，通过互联网将数据进行接收，并配置数据库服务器，保证数据的长时间及大容量存储，并方便数据的检索查阅，并对数据进行分析处理统计。动态监管平台配置上位机动态监管软件，实现数据的预处理和造船起重机状态的判断，对违章操作预警或报警。生产厂家、租赁商、用户、质监部门等可通过互联网方便地对起重机状况进行查询及责任事故调查。
2.起重机动态监管
目前起重机大车、小车、吊钩等运动部件的位置、速度、角度的测量，特别是门式起重机安全至关重要的偏斜等姿态数据，都是通过编码器和相应算法间接测量，存在累计误差、打滑、老化等问题，需要埋设多组磁缸进行校零，费用很高，还会收到废钢、铁屑的干扰，存在误差和误报警等隐患，而且大型门式起重机每次开机大小车校零都需要耗费大量电力，增大了运行成本。为此本文提出并开发了一套基于GPS卫星系统的姿态测量传感设备。
基于GPS的姿态测量技术最初用于飞机、船舶的导航，能够精确测量载体与地理真北间的角度，还可同时获得位置、速度数据。姿态测量部分包括两个天线，固定安装在起重机所需位置，构成姿态测量基线，基线在三维坐标中具有方向性，由基站指向固定站。天线接收GPS卫星信号，通过馈线将信号传递到GPS接收机中。在接收机处理器的控制下，信号经过处理输出指定格式的数据，再经RS422串口线输出，最终测控机同时接收基站和移动站的数据，采用RTK进行实时动态差分解算，得到移动站位置、速度及基线姿态等数据。与传统方法相比较，RTK姿态测量方法不仅具有精度高、速度快、操作简便等优点，而且无校零误差和机械磨损。
对于门式起重机，可以在其主梁上安装两套或更多套GPS测量设备。通过测量运动时大梁相对于地理真北的角度，直接测量主梁的运行偏斜，相对于两支撑腿行程差的方式，没有累计误差和磨损打滑的影响，更为可靠。同时获得大梁各段的俯仰角度，计算得到吊重导致的大梁变形量，对于安全防护和疲劳分析有重要价值。此外，该测量设备还可以测量大车运行速度和位置，并且无累计误差，无需校零。
对于门座起重机，可以在吊臂上安装一套测量设备，直接测量回转角度，并根据俯仰角计算得到变幅数据。GPS测量设备可以测量起重机的速度、位置、门式起重机大梁偏斜、门座起重机回转角度等数据，不仅具有精度高、速度快、操作简便等优点，而且无累计误差，无机械运动部件，不存在磨损打滑等问题，用作现有测量系统的补充，可以提高安全保障的可靠性。
结语
在动态监管系统中，起重机监控服务器负责对起重机运行数据进行监控，并进行超速、超重、碰撞等预警分析。监控软件采用B/S架构，在监控显示大屏上，通过三维仿真场景和表格、曲线等方式，动态显示起重机群的运行状况，还可以通过监控终端、移动监控终端和手持监控设备，随时查看起重机的各种运行数据。
参考文献
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[2]胡静波，玛月贵，王会方，等.基于物联网技术的起重机动态监管现状[J].建筑机械2013 (7):48.