大型铸造起重机运维系统功能

黄国栋

湖南华菱湘潭钢铁集团有限公司宽厚板厂 湘潭 411101

0 引言

铸造起重机是钢铁冶炼流程中核心的物料搬运设备，如出现故障，轻者影响生产，重者造成人身伤亡事故。因此，几乎所有钢铁企业的起重机维护、管理工作中，铸造起重机都是重中之重。按照TSG Q7002—2019《起重机械型式试验规则》的相关规定[1]，多台铸造起重机已安装了安全监控系统并将系统联网，构成运维系统。此系统除了符合GB/T 28264—2017《起重机械安全监控管理系统》[2]的要求外，还具有故障预警、设备管理、健康评估等功能，以及移动端的消息主动推送功能。以往当点检人员在其他地方工作时，如果铸造起重机出现异常，点检人员无法了解起重机的实时情况，必须到起重机上实地查看，不能做到快速处理。每台起重机均是独立系统，没有统一的平台将不同起重机的运行状况汇总，管理人员难以从系统中获取所管理起重机的总体情况。运维系统投入使用后，很好地解决了上述的问题。本文针对起重机运维系统的使用经验和多年的起重机维护、管理经验，提出起重机运维系统应具备的架构、特点和功能。

1 起重机运维系统架构

起重机运维系统是以起重机安全监控系统为基础，结合现代的物联网技术、云计算技术，将多台起重机的运行数据整合在一起，通过分类、汇总、分析，给用户提供多层次、多维度的起重机运行状况，帮助用户更加高效地维护起重机。图1是起重机运维系统的架构，整个系统分为3层：在行车层每台起重机的安全监控系统都是独立的，点检人员必须要到起重机上，才能了解运行情况；车间层将行车层多台起重机的安全监控系统联网，每台起重机上采集的数据可同步到地面服务器中，点检人员在地面终端上即可查看起重机的运行状况：移动层将地面服务器联网，采集的数据同步到云端的服务器上，点检人员可在任意1台接入互联网的计算机或者移动设备上，实时查看起重机的运行状况，如果是移动设备，还可接收到系统推送的重要信息，包括故障和维护提醒等。运维系统的各个组成部分的功能为：

图1 起重机运维系统的架构

1）车载系统 即起重机上安装的安全监控系统，主要负责数据的采集和有限的实时分析；

2）地面服务器 通过无线网络与车载系统组网，可实时将车载系统的数据同步到地面服务器数据库中，方便用户在地面查看起重机运行状况，将数据通过互联网同步到云端服务器；

3）云端服务器 具有强大的计算能力和近乎无限的存储能力，可永久保存从地面服务器取得的数据，通过对历史数据的分析，发现故障隐患。允许用户远程查看起重机运行状况，同时将车载系统发现的故障和维护提醒等，推送给移动端的设备。

2 系统特点

2.1 车载系统

车载的安全监控系统除了满足GB/T 2826—2017《起重机械 安全监控管理系统》要求之外，还应具备以下的功能：增加设备管理功能，即可为各种电气、机械设备制定维护计划；支持对采集到的信号进行实时分析，能对抱闸反馈超时、野蛮操作（短时间内主令在正反向全速挡来回切换）、危险操作（如大车未停稳就开门上车）等典型的违规行为进行监测和报警；具有一定的边缘计算能力，可对采集到的信号进行初步处理，筛选有效数据上传到云端。

2.2 时间一致性

在起重机运维系统中，所有起重机上的视频监控系统、安全监控系统、地面服务器，以及云端服务器等，都必须要有统一的时间，且不允许随意修改。现有的起重机安全监控系统中，不同子系统、计算机之间的时间是完全独立的。例如在进行故障分析时，根据工控机中记录的故障时间，在视频系统中查找相应的录像时必须要考虑二者的时间差值，如果有人故意篡改系统时间，就会给故障分析带来更多的困难。

云端服务器接收到的数据应当是准实时的，相对车载系统的滞后不能超过3 s，且数据的时序和车载系统是严格对应的。例如，车载系统中记录到主起升的抱闸反馈信号比抱闸控制信号滞后600 ms，则在云端接收到的这2个信号之间的时间差也是600 ms，时序关系不因通信延迟和偶然中断等发生变化，故在云端对数据分析得到的结果才能真实反映起重机的运行状态。

2.3 制动监控

制动可靠性和安全性对铸造起重机非常重要，现在已有一些设备，如QRL1智能高度限位器，可实现制动过程的实时监控。设备自身的存储能力有限，只能对检测到的故障进行记录，而每一次制动的数据，包括制动瞬间的速度、制动时间、制动距离等，需要通过车载系统上传到云端服务器。制动器的健康状态直接关系到起重机的安全，而如何精确判断制动器的健康状态目前尚无实用的手段。可以设想，随着使用次数的增多，抱闸会日渐磨损，同样条件下制动的距离会逐步增加。运维系统在记录了大量制动数据后，可通过对每一次制动数据的分析，记录制动性能的变化曲线，当制动性能下降到某个水平时进行预警，提示点检人员进行检查。相比根据制动器动作次数，起重机工作循环等判断制动器是否有效，这种方法要更精确。除了正常的使用磨损外，司机不规范操作会导致制动器经常性的高速制动，带来额外的磨损。通过大数据分析，不仅可统计高速制动的次数，还可根据制动发生的时间，定位到具体的司机，便于对司机操作的规范和管理。

2.4 安全性

运维系统是企业外部的云端运行，故系统的安全性是必须要考虑的。安全性包括操作安全和设备安全。

1）操作安全 用户需要用手机号码在系统中实名注册，且后台服务人员要与企业的管理人员（如车间主任）进行确认，确保只有本厂的专业人员可以查看起重机的运行状态。

2）设备安全 车载系统中绝大部分参数只能在起重机上修改；车载系统与PLC的通信严格限制为只读，即只从PLC读取数据，不允许写数据；PLC上进行数据隔离，即车载系统读到的数据只是实际数据的镜像，即使这部分数据被篡改，也不会影响PLC的控制，如图2所示。

图2 数据安全隔离

2.5 其他

从图1中可以看出，运维系统中，车载系统、地面终端和远程终端的用户界面形式完全相同，用户从一个终端切换到另一个终端时无需重新学习。移动端的界面也应和PC终端界面高度相似，便于用户快速上手。

运维系统应最大限度利用现有的软硬件，车载系统直接在现有系统基础上升级。由于大量的数据存储和分析工作放到云端服务器，对地面服务器和地面终端的软硬件要求大为降低，选择普通的工控机即可，无需额外的维护，尤其适合在车间现场部署。国内的互联网企业，在云计算方面都已经建设了大量的基础设施，在其上部署运维系统的云端服务器，不仅费用低，且无需专人维护IT系统，适合缺少专业IT人员的钢铁企业。

3 系统功能

运维系统和常规安全监控系统在使用上，最大的变化是增加了移动界面，点检人员无论在何处都可实时查看起重机的运行状况，移动端的操作界面应和计算机界面基本类似，主要分为实时监控、信号轨迹、报警管理和设备管理4部分。图3是借鉴其他类型起重机的移动界面提出的铸造起重机移动端界面设计。

如图 3所示，起重机的运行概况分机构列出，如图3a，可上下滚动显示；界面最下面是报警信息，如图3b；单击查看按钮，可查看报警的详情信息，如图 3c。在信号总览界面图 4中可以查看PLC输入输出点的实时变化情况，方便用户通过信号变化情况查找故障。

图3 铸造起重机移动端界面

图4 信号总览界面

考虑到手机屏幕尺寸有限，信号轨迹以表格的方式展示信号的变化情况，如图5所示，通过查询多个信号的变化时间间隔，可分析这些信号的变化是否正常。

图5 信号轨迹界面

移动端的报警管理和设备管理功能与车载系统的最大区别是，前者增加了信息推送功能，重要信息会直接推送到用户的微信中，用户通常很快就会注意到。起重机上的各种故障按照严重程度分级，不同等级的故障可推送到不同职位的点检人员和管理人员。设备维护提醒也按照重要程度分级，推送给相应的用户，管理人员既可随时掌握起重机的运行情况，又不会被大量的无效信息干扰。

4 使用效果

上述特点和功能的起重机运维系统投入使用后，起重机的日常点检和维护工作方式有了较大的变化：每天上班后，主管先在手机或计算机上查看前一天的起重机运行状况，如果系统有提示严重故障的，优先安排点检人员上车检查，并可以根据系统提示的可能原因，安排点检人员携带相应的工具或备件上车；对于起重机突发的异常，点检人员通过移动端的信息推送，在故障发生的第一时间已得知情况，通过查询历史记录，如果已经确定故障原因的，即可有针对性地携带工具上车处理。新系统还极大地方便了新员工培训，经验丰富的点检人员可在手机上查看系统的信号变化，远程指导新员工进行各种操作，让新员工在一次次的实际操作中迅速积累经验。

5 展望

运维系统积累的大量数据还可以用作更加深入的数据分析，比如通过档位变化情况分析，评估司机的操作能力，指导司机提高操作水平，以及通过监控起重机的健康状况，为生产调度提供决策支持，平衡每台起重机的使用频率，提高起重机的使用效率。