塔式起重机监控技术研究

程江涛

[摘 要]文章对塔式起重机的监控技术国内外研究现状进行了系统阐述，并分析了我国起重机监控系统的需求分析和设计要求，研究了基于WinCC的监控技术、基于OPC技术的数据通信功能设计、基于GPRS技术的无线数据传输系统这三大监控技术的特点及主要功能。

[关键词]塔式起重机；监控技术；WinCC技术；OPC技术；GPRS技术

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2016.32.078

1 前 言

塔式起重机是一种由动臂、塔身和底座等构件组成的垂直运输货物的机械设备，包括金属结构、工作机构和电气系统三部分，一般具有起升高度大、工作效率高、作业范围广、安装撤除方便、工程造价低等诸多优点，因此在高层建筑、桥梁工程、水利工程、港口工程等领域中得到了广泛的应用，从而使得施工效益得到成倍增加。然而在工程应用中由于操作人员的不规范操作、职能部门的监管不力等因素造成运行中塔机存在诸多安全隐患，致使安全事故时有发生。近年来，随着工程建设规模的扩大及社会对塔机事故关注度的不断提高，因此，有必要对运行中的塔机加强安全监控，分析塔机的结构安全，加大政府的监管力度，从而有效规避塔机的安全风险，达到降低事故发生率的目的，以便使塔机安全、高效、平稳地服务于各行业。

塔机起源于欧洲，经过近120年的发展，先后形成了以WOLEE公司、意大利SIMMA公司为代表的一大批生产厂家。其代表性的塔机监控系统有：德国LIEBHERR起重机监控系统、法国MD系统塔机监控系统、英国起重机监控系统。而我国的塔式起重机的监控系统研究较晚，且大部分是仿照日本20世纪90年代前的设备产品，并存在可靠性差、功能单一、控制中心与塔式起重机间缺乏实时通信等诸多缺陷。随着近年来国家科技综合实力增强，已逐渐形成了具有中国自主知识产权的塔吊监控技术，如：上海交通大学对PLC进行了现场的数据采集，同时他们还利用了无线传输的技术，通过无线传输技术使起重机与监控中心整合在一起，同时他们还使用TCP/IP网络数据传输协议，实现了起重机与监控中心的无障碍传输，实现了所有起重机的实时监测、诊断。

目前国外塔机监控技术处于电子式安全监控阶段，而国内正处于机械安全监控向电子式安全监控的过渡阶段，因此，我国的塔机监控技术还有很大的发展空间。从目前塔机监控技术的发展趋势来看，塔式起重机已经呈现系统集成化程度高、微型化、模块化、无线化和网络化等技术特点，在对硬件方面进行改进的同时，应逐步对软件进一步改善，从而使得塔机监控技术更加简单、智能、安全，增加的语音功能和自诊断功能能够提高操作的安全性，从而提高塔式起重机监控系统的高速数据处理能力、可视化的人机界面等智能化的能力，能够全天候地对塔机的运行过程进行监控。

2 起重机监控系统的需求分析和设计要求

起重机按照结构特点和使用工况分为：桥式起重机、门式起重机、门座起重机、塔式起重机、流动式起重机、架桥机、缆索起重机、桅杆起重机和升船机九大类别，其中门式起重机是工业现场使用最为广泛，对工作最为重要的一类起重机。

门式起重机主要是由门架结构、主梁结构、机构传动、驱动装置、控制系统以及吊具等共同组成。门式起重机主要包括四大机构，分别为起升机构、小车行走机构、大车行走机构、吊具。门式起重机用于船台拼装船体，常备有两台起重小车：一台有两个主钩，在桥架上翼缘的轨道上运行；另一台有一个主钩和一个副钩，在桥架下翼缘的轨道上运行，以便翻转和吊装大型的船体分段。起重量一般为100～1500吨；跨度达185米；起升速度为2～15米/分，还有0.1～0.5米/分的微动速度。

因此，其监控系统应具有以下技术特点：系统可靠性高；具备技术先进性；便于操作和使用；系统具有可扩展性；成本合理。需监控的内容包括：运行数据监控；实时显示；数据存储；故障记录及历史追溯；远程监控。

起重机远程监控系统由数据釆集单元、起重机监控系统主机（包括起重机监控系统软件）、无线传输单元、数据中心服务器和远程监控平台软件五部分组成。数据釆集和处理单元通过现场总线采集起重机原有控制系统的数据信息；起重机监控系统主机运行起重机监控系统软件，通过组态软件设计人机界面系统，显示起重机的各种运行数据和故障报警信息；无线传输单元接收监控系统主机的监控数据，通过GPRS网络与远程的数据中心服务器建立数据连接，将数据发送到数据中心服务器；数据中心服务器运行由数据库系统接收来自无线传输单元的监控数据，将数据进行解析、处理和存储，并与远程监控平台软件建立数据连接；远程监控平台软件通过后台程序与数据中心服务器进行数据通信，将起重机的监控数据进行显示。

3 基于WinCC的监控技术

SIMATIC WinCC是西门子公司的视窗控制中心组态软件。它具有SCADA系统和人机界面（HMI）系统的完整功能，同时还提供了OPC数据通信和脚本编程等强大功能，用户可以在Windows操作系统中运行和使用WinCC。其具有以下特点：与控制系统的紧密结合；完备的设计功能；控件接口功能；脚本程序功能；系统的开放性。软件的系统结构包括：图形编辑系统；报警信息系统；变量管理系统；报表编辑系统；全局脚本系统；用户管理系统；标准接口。

画面设计采用了WinCC的“画面窗口”方式，其设计主要包括：权限管理功能设计；实时监控功能设计；历史数据回放功能设计；数据趋势曲线分析功能设计；报警故障记录与查询功能设计；运行维护和设备信息查询功能设计；视频监控功能设计。

4 基于OPC技术的数据通信功能设计

OPC（OLE for Process Control）即用于过程控制的OLE，OLE（Object Linking and Embedding）即对象的链接和嵌入。其实质是在硬件设备和软件系统之间建立了统一的标准接口规范，只要遵循这套规范进行通信，就可以实现透明的数据交换。其具有以下特点：开放的标准；互联性；高效的数据传输；产业性。

本系统WinCC与S7-1200PLC之间采用OPC数据通信方式，S7-1200PLC通过SIMATIC NET OPC Server软件功能作为OPC服务器，WinCC作为客户机，应用西门子公司的STEP7 V5.5、STEP 7 Basic V10.5、SIMATIC NET V7.1编程软件对S7-1200PLC进行硬件组态和程序设计，并应用WinCC V7.0组态软件进行OPC通信和变量创建。其硬件环境为：S7-1200PLC、CPU 1214；一体式工控机。软件环境为：STEP7 V5.5；STEP 7 Basic VI0.5；SIMATIC NET V7.1；WinCC V7.0。

5 基于GPRS技术的无线数据传输系统

通用分组无线服务技术（General Packet Radio Service）的简称，它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。它通过利用GSM网络中未使用的TDMA信道，提供中速的数据传递。GPRS是一种以全球手机系统（GSM）为基础的数据传输技术，和以往连续在频道传输的方式不同，它是以封包（Packet）式来传输，具有以下优点：覆盖范围广；数据传输速率高；系统的传输容量大；投资成本低；良好的实时响应与处理能力。

参考文献：

[1]马国华.监控组态软件及其应用[M].北京：清华大学出版社，2001.

[2]曹新，朱劲，蒋平.大跨度龙门起重机的精确位置控制[J].机械与电子，2006（8）： 6.

[3]应美意.基于DSP和嵌入式技术的便携式状态监测与故障诊断仪研制[D].杭州：浙江大学，2005.

[4]钱天爵，翟学林.GPS全球定位系统及其应用[M].北京：海潮出版社，1993.