CN110668312A - 起重机械安全监控与结构健康信息管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种起重机械安全监控与结构健康信息管理系统，该系统包括传感系统、数据采集系统、数据管理系统、视频监控系统、结构健康监测评估系统。本发明可以实现智能监控以及数据实时反馈，克服了现有技术中存在的缺陷，能够充分满足起重机械安全监控的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种起重机械安全监控与结构健康信息管理系统，属于安全监控领域。
背景技术
起重机是一种发生重大安全事故的概率较高的特种作业机械，一旦发生事故，会对安全生产和人民的生命财产产生严重的威胁。为了确保各种起重机械设备的安全运行，提高其安全运转效率，必须加强对起重机械的运行监控，开展针对起重机械的实时状态监测和结构健康监测，及时发现异常情况，降低故障的发生率，提高起重机运行的可靠性，减少或消除事故。
综上所述，考虑到起重机械运行的安全和可靠，开发一种能长期稳定实时对起重机械进行在线监测的系统，是当务之急。工作人员不必频繁地实地检测起重机械，而是借助该系统来实时提供机械结构一段时期以来的工作状态报告和疲劳寿命分析，有利于从根本上改变我国现行的“定期维修”和 “事后维修”体制，以逐步实现整体结构的全寿命实时分析预警。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种起重机械安全监控与结构健康信息管理系统，该系统充分考虑现场实际情况，对起重机械的状态进行实时监测、在线诊断以及在线处理，从而全面的对起重机械实现安全智能监控。
本发明为起重机械安全监控与结构健康信息管理系统，其中包括传感系统、数据采集系统、数据管理系统、视频监控系统、结构健康监测评估系统。
传感系统，由各种采集起重机械上重要数据的传感器组成。如旋转编码器、起重量传感器、防撞系统、结构应变传感器、风速仪等。其中旋转编码器是是用来采集起重机械中大车与小车的行程以及吊钩的起升高度；起重量传感器是用来采集吊钩所吊重物的重量；防撞系统则是由各种行程开关组成，放置在起重机械行程轨道上，防止大车或小车超出安全运行位置；结构应变传感器则是由各式应变计组成（如电阻式应变计、振弦式应变计等），用来采集起重机械上关键部位的应变；风速仪是用来采集外部风速，防止发生意外。
数据采集系统，读取传感系统采集到的信息及数据，并将该数据送至数据管理系统。该系统的原理是：由传感器的信号输出接口连接站点采集机箱的信号输入接口，站点采集机箱将传感器传输的模拟量、数字量、开关量等信号转换成统一的通讯信号，上位机通过现场总线实现与站点采集机箱之间的通讯，从而实现采集站点机箱的通讯信号。
数据管理系统，包括对采集的数据是否有效进行鉴别，去掉无效数据；对采集的数据进行越限检查，越限时产生报警报告并自动记录；根据监控或管理要求对采集的数据进行各种计算，包括累加和统计计算，趋势或梯度分析；将有关数据生成数据库，如实时数据库和历史数据库。其中，实时数据库是将从各个设备采集并传来的各种物理量经过处理后，进行存放和管理的数据库，以供不同的画面用于实时显示、事件处理、历史操作等；历史数据库主要包括历史数据和趋势记录等，可用保存、显示、查询历史数据，能够根据历史数据生成趋势数据。
视频监控系统，由前端、传输，控制和后端组成，前端主要由高性能摄像机组成；传输采用数字式光端机；控制由小型控制键盘或鼠标组成，鼠标主要用于控制监控画面的录制机制和回放等。后端为一台监视器和一台高性能硬盘录像机，监视器用于观看监控画面，硬盘录像机提供存储视频和WEB浏览功能。
结构健康监测评估系统，通过在起重机械的关键位置加装相应的传感器（如无线应变传感器和FBG传感器），根据起重机械的工作等级和结构形式，分析负荷的组合形式，对所有可能产生疲劳的计算点和钢丝绳的应力—应变关系进行计算、分析，同时结合起重机械剩余寿命估算算法，估算出起重机械的疲劳寿命和剩余使用寿命。在结构使用时间接近或超出预估寿命时，发出警报，该系统能够大幅度降低事故发生的可能性。
本发明的有益效果是：在起重机械原有控制系统的基础上增加控制单元和信号单元，看起来对原有系统几乎进行了全新设计，但是实际与原有的系统处于独立状态，即不改、不控原有系统，改动量小，成本低，安全性高。该起重机械安全监控与结构健康信息管理系统独立于原有的控制系统，因此不能直接控制起重机械的运行和停止，只会在紧急情况下向操作人员发出指令，提醒操作人员停止起重机械的运行，而急停控制则由起重机原有的控制程序决定，不对起重机原系统进行改动，不影响操作员的操作体验，也避免了对起重机械本身产生危害。
附图说明
图1是本系统的总体结构框图。
图2是本系统的网络架构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合附图1，本发明中包括传感系统、数据采集系统、数据管理系统、视频监控系统、结构健康监测评估系统。
传感系统，由各种采集起重机械上重要数据的传感器组成。具体实施方式如下所述。
（1）该系统中需采集起重机械吊钩的起重量：通过在起重机械上安装起重量传感器来采集数据。
（2）需采集起重机械的操作指令：若原系统为PLC控制系统，则直接采集原系统信号；若原系统为继电器控制系统，则采用监测触点动作或新装限位的方式，读取触点上的无源开关量输出来判断起重机械的动作情况。
（3）需采集限位的状态：直接在原有限位开关位置加装一套限位系统接入新装的安全监控来读取限位的状态。
（4）需采集起重机械制动器的状态：若原系统为PLC控制系统，则直接采集原系统信号；若原系统为继电器控制系统，则采用加装焊接制动器反馈限位，直接读取制动器液压推杆的行程动作，来监测制动推杆是否运行到位，输入新装系统来采集。
（5）需采集起重机械大车、小车的运行行程：通过在起重机械轴承箱盖打孔攻丝方案，在轴承盖上开孔，开孔后在中间轴上攻丝安装螺杆，使螺杆与轮轴同步运行，再在外部轴承箱盖上安装编码器保护支架，安装编码器。
（6）需采集起重机械吊钩的起升高度与速度：采用高度限制器中轴采集方案，在原有起升高度限制器的中轴上（没有中轴的可以通过在原起升高度限制器上进行机械加工或更换起升高度限制器来实现）安装万向联轴器或弹簧联轴器，采用编码器连接与中轴同步运行的方式，直接测量卷筒的转动，计算起升高度。速度则由采集系统同步计算得出。
数据采集系统与数据管理系统，本系统的采集部分分为主站和从站两大部分，主站负责采集关于大车运行、操作指令和梁上结构的一些运行数据，从站部分采集小车上的运行状态、起升高度和一些开关量的状态。两种站点的采集系统均为一体化采集板卡，集开关量、模拟量、高速光耦和通讯部分为一体，通过国际通用的MODBUS-RTU协议互相传输，带循环冗余检验机制。存储和显示系统采用一体化工控机，利用WinCE平台，结合组态软件对通讯总线上的所有设备进行不间断数据采集并实时记录。具体网络架构如图2所示。系统配置一套UPS系统，确保在系统断电后的一段时间内仍能记录起重机械的运行数据，提供事故发生前后一段时间内的全状态记录。
视频监控系统，采用网络监控设备，前端为高性能高清网络摄像头，后端为一台监视器和一台高性能硬盘录像机。司机通过司机室内的监视器，观察大车行走区域、起升机构吊点区域等位置的环境情况，硬盘录像机提供存储视频和WEB浏览功能。
结构健康监测评估系统，该系统可对结构进行荷载下的动态响应分析，准确分析结构最不利荷载条件和危险区域。通过在关键位置加装传感器测算这些区域在实际起吊工件的过程中所做出的应力应变响应，将现场测量的数据传到服务器（数据处理中心），数据处理中心对比理论公式和实测趋势，动态地估算出起重机械结构疲劳程度与健康状态，及时对结构损伤发出预警，降低事故发生的可能性。
Claims (5)
1.起重机械安全监控与结构健康信息管理系统，其特征在于：所述安全监控与信息管理系统用于对起重机械进行监控及管理，该系统包括：传感系统、数据采集系统、数据管理系统、视频监控系统、结构健康监测评估系统。
2.根据权利要求1所述的起重机械安全监控与结构健康信息管理系统，其特征在于：数据采集系统由传感器的信号输出接口连接站点采集机箱的信号输入接口，站点采集机箱将传感器传输的模拟量、数字量、开关量等信号转换成统一的通讯信号，上位机通过现场总线实现与站点采集机箱之间的通讯，从而实现采集站点机箱的通讯信号。
3.根据权利要求1所述的起重机械安全监控与结构健康信息管理系统，其特征在于：数据管理系统包括对采集的数据是否有效进行鉴别，去掉无效数据，对采集的数据进行越限检查，越限时产生报警报告并自动记录，将有关数据生成数据库，如实时数据库和历史数据库。
4.根据权利要求1所述的起重机械安全监控与结构健康信息管理系统，其特征在于：视频监控系统由前端、传输，控制和后端组成，前端主要由高性能网络摄像机组成，传输采用数字式光端机，控制由小型控制键盘或鼠标组成，后端为一台监视器和一台高性能硬盘录像机。
5.根据权利要求1所述的起重机械安全监控与结构健康信息管理系统，其特征在于：结构健康监测评估系统为通过在起重机械的关键位置加装相应的传感器，对采集到的数据进行分析，同时结合起重机械剩余寿命估算算法，估算出起重机械的疲劳寿命和剩余使用寿命。
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