[摘要]为了提高起重机使用寿命和利用率，实现大型起重机运行状态的实时监测，采用B/S体系架构建立了起重机在线监测及故障预警系统。结合相关规范，在起重机参数化模型有限元分析的基础上布置应变传感器，并对振动、转速、电流等相关参数进行数据采集，通过无线网络、工业互联网等通讯方式实时传输至数据库服务器。在线系统具有状态监测、数据管理、分析以及用户管理模块。该系统具有很好的人机界面、扩展性及实时性，为实现起重机远程维护保养提供有效保障。

　　[关键词]大型起重机;实时监测;数据采集系统;故障预警

　　[中图分类号] [文献标识码] [文章编号]

　　0 引言

　　目前，我国起重机保有量世界第一，现代化的工程建设、港口装卸及造船业对大型起重机的安全、可靠性提出了更高的要求，提升起重机机电系统使用寿命和利用率，对其进行在线状态监测及故障预警具有重要意义。影响起重机机械结构安全的主要因素有：疲劳裂纹扩展、局部失稳导致整机破坏、机械腐蚀等。虽然，国内外对起重机已有很多结构监测、无损探伤的方法，但主要是定期巡检和现场人工监控为主[1]，不能有效地发现事故隐患，更不能及时采取积极的应对策略和方法，为企业和社会带来巨大的损失。因此，建立符合起重机特殊工况的状态监测与预警系统是实现设备安全可靠运行的重要保证。

　　1 系统总体设计

　　起重机在线监测及预警系统主要包括三大部分：传感器数据采集系统、数据处理和传输系统和远程监测及故障诊断系统，其总体架构图如图1所示。首先，根据《GB/T 28264-2017 起重机械安全监控管理系统》文件要求，结合大型起重机实际工作需要，确定监测参数类型及系统功能需求。现场传感器布置点的确定是在参数化模型仿真分析的基础上，对起重机结构进行预诊断，找出容易发生故障的关键点和零部件。其次，由于起重机在工作过程中间歇性重复运动，同时采集数据种类包括结构应力、机械振动、风速、电机参数、限位开关状态等不同参数，需采用不同的数据传输方式，保证系统抗干扰能力强、信号稳定、成本低[2]。 最后，各数据采集子系统将采集的起重机工作状态及各项运行参数通过工业以太网传至上位机，上位机建立起重机实时在线监测及故障预警系统，系统具有良好的状态监测人机界面、数据分析、故障报警、操作记录以及用户权限分级等功能。

图1 起重机远程监测及预警系统总体架构

　　2 参数化模型有限元仿真及监测点确定

　　由于起重机跨度大、现场环境恶劣，传感器的布局对监测数据的精度和可靠性有重要影响。在数据采集之前，首先建立起重设备的三维参数化模型，通过有限元仿真模拟设备运行工况，分析出不同部件较易出现故障的结构和零部件，其结果作为传感器数据采集方案的重要依据，进行传感器布局和重点部件的监测。在本项目研究过程中，以港机的一段工作数据为参考量，模拟出较长时间的港机运行数据，再将数据输入至系统模型中进行仿真。初步仿真诊断显示，起重机的前拉杆、前上拉杆、转动接头和后钢架支撑等部件在长期的作业中，失效情况较为显著，因此较大可能出现结构性故障，需要重点关注。

　　图2 整机应力云图

　　图3 前拉杆应力云图

　　图4 前上拉杆应力云图

　　图5 转动接头应力云图

　　3 传感器数据采集与传输系统

　　根据《GB/T 28264-2017 起重机械安全监控管理系统》文件要求，结合起重机实际工作要求，系统主要监测参数有：结构应力应变、减速箱振动、电机转速、风速及限位开关状态等。

　　起重机钢结构应力、应变的监测传感器，主要用于钢结构的损伤识别和整体仿真模型的优化系统。其传感器主要位于港机大梁、转接头、拉杆、支腿等易发生损伤的部位，这些部位的确定是由参数模型的仿真分析得出。但是由于受到安装方式和传感器本身性能、寿命的影响，并不能在每一个需要安装传感器的地方布置传感器，通过在其他便于安装的地方采集应力应变的实时数据，传输至在线监测仿真平台，利用有限元分析实时计算起重机整体应力应变，从而实现对起重机整体结构的安全预警。减速机由于对起重机整体应力、应变影响较小，但其振动直接影响轴、齿轮、电机的安全运行，会对系统整体安全造成影响，甚至造成严重后果，因此采用振动传感器进行振动模态及波传播特性的检测。电机转速采用增量光电编码器进行检测。风速通过在起重机支架上安装风速传感器进行检测。通过起重机终端建立实时数据采集系统,并利用无线网络、工业以太网等方法实现远程数据与上位机服务器的实时数据传输。

　　图6 应变片安装

　　图7 振动传感器安装

　　4远程监测及预警系统

　　起重机远程监测及预警系统采用B/S体系结构，采用客户端浏览器、Web服务器、数据库服务器三层结构[3]，该模式具有易应用、易扩展、易管理的优点[4]。整个起重机监测及预警系统，由底层传感器采集起重机运行状态的实时数据，通过有线及无线信号网络将数据传输至现场采集系统，然后通过TCP/IP协议的网络通信传送至数据库服务器[5]。用户通过浏览器的URL获取系统信息，实现服务器与浏览器端的交互，实现系统的远程监测、分析预警功能。Web服务器对采集的状态参数以数据、图表的方式传送至客户端。同时，如果采集的状态数据超过设定的安全阈值，系统会向客户端发出报警提示。

系统具有状态监测、故障预警、数据分析、数据管理、用户管理等模块，系统功能结构如图7所示图8 系统功能

　　状态监测模块是将采集的起重设备实时状态参数通过图表、数据、云图等呈现给用户。主要采集数据包括起重载荷、应力应变、振动模态、电机电流、转速、限位开关状态、风速、结构有限元云图等。

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