１進(jìn)行架橋機(jī)狀態(tài)監(jiān)測的必要性

隨著高速鐵路與高速公路建設(shè)在我國的快速推進(jìn)，架橋機(jī)的使用日益頻繁，架橋機(jī)傾覆事故時(shí)有發(fā)生，架橋機(jī)脫軌、傾覆，往往造成機(jī)毀人亡的重大后果。國家標(biāo)準(zhǔn)《起重機(jī)械安 全監(jiān)控管理系統(tǒng)》（２０１１年５月征求意見稿）中也提出了“對起重機(jī)械工作過程進(jìn)行監(jiān)控，并能夠?qū)χ匾\(yùn)行參數(shù)和安全狀態(tài)進(jìn)行記錄管理”的具體要求。因此，為保障架橋機(jī)安全運(yùn)行，有必要對架橋機(jī)的作業(yè)狀態(tài)實(shí)施有效的監(jiān)控，一方面可以將造成事故的隱患消除在萌生階段，另一方面可以對設(shè)備運(yùn)行過程中影響安全性的重要特征參數(shù)進(jìn)行長期監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)規(guī)律，為設(shè)備安全運(yùn)行及再制造提供基礎(chǔ)資料。

本文以ＴＬＪ９００型架橋機(jī)為監(jiān)測對象，設(shè)計(jì)了一套基于ＧＰＲＳ無線網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要由機(jī)載可編程控制器（ＰＬＣ）、無線傳輸模塊ＧＰＲＳＤＴＵ以及遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的服務(wù)器等組成，通過無線傳輸終端ＧＰＲＳＤＴＵ將ＰＬＣ采集的數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，從而可實(shí)現(xiàn)對架橋機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測。

２系統(tǒng)監(jiān)測內(nèi)容及測點(diǎn)分布

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》（２０１１年５月征求意見稿）中針對架橋機(jī)的水平傳感器、垂直傳感器、水平度、支腿垂直度的具體要求，架橋機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)以應(yīng)變作為監(jiān)測內(nèi)容在架橋機(jī)的前支腿左和前支腿右、后支腿左和后支腿右、主梁左和主梁右等部位布置了６個(gè)應(yīng)變傳感器，用于監(jiān)測應(yīng)變值是否超出正常值或左右出現(xiàn)明顯不對稱現(xiàn)象，以此判斷架橋機(jī)結(jié)構(gòu)或起升機(jī)構(gòu)是否出現(xiàn)異常；以傾角作為監(jiān)測內(nèi)容在前支腿布置了１個(gè)傾角傳感器，用于監(jiān)測前支腿是否垂直。

３架橋機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.１總體方案

本系統(tǒng)主要由三部分組成：ＰＬＣ、無線傳輸模塊ＧＰＲＳＤＴＵ和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖１所示。其中ＰＬＣ安裝于架橋機(jī)控制柜中，主要由電源模塊、ＣＰＵ模塊、 接口模塊、數(shù)字量輸入模塊、模擬量輸入模塊和數(shù)字量輸出模塊等組成，在對架橋機(jī)架梁、 過孔等作業(yè)實(shí)現(xiàn)控制的同時(shí)，將控制過程中所涉及到的相關(guān)狀態(tài)及安全信息記錄下來，并通過ＲＳ－２３２接口傳送給ＧＰＲＳＤＴＵ模塊，經(jīng)由ＧＰＲＳ網(wǎng)絡(luò)透明傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。

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3.２硬件設(shè)計(jì)

（1）ＰＬＣ測控系統(tǒng)

    機(jī)載ＰＬＣ選用西門子Ｓ７－３００系列可編程邏輯控制器，在整個(gè)架橋過程中它主要負(fù)責(zé)主梁、前支腿、后支腿、輔助支腿、行走支腿、變頻器、前吊、后吊、前天車、后天車、前卷揚(yáng)、后卷揚(yáng)等架橋機(jī)各部分的監(jiān)控，同時(shí)將狀態(tài)信息發(fā)送給無線傳輸模 塊ＧＰＲＳＤＴＵ。圖２為ＰＬＣ的組成框圖，ＰＬＣ系統(tǒng)由１個(gè)主站和２個(gè)從站聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成，共擴(kuò)展了８個(gè)數(shù)字量輸入模塊（ＳＭ３２１）、１個(gè)模擬量輸入模塊（ＳＭ３３１）和６個(gè)數(shù)字量輸出模塊（ＳＭ３２２）。其中數(shù)字量輸入模塊和數(shù)字量輸出模塊用于實(shí)現(xiàn)架橋機(jī)各機(jī)構(gòu)的監(jiān)控， 模擬量輸入模塊主要用于采集架橋機(jī)鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)變和支腿傾角的模擬量信號。應(yīng)變傳感器橋路輸出信號的動態(tài)范圍只有１０ｍＶ／Ｖ左右，需配置應(yīng)變放大模塊用于將微弱信號變換到適于ＰＬＣ的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號范圍。主站與從站通過擴(kuò)展通訊模塊（ＥＴ２００Ｍ，ＣＰ３４２－ ５）完成通訊過程，ＣＰＵ模塊（ＣＰＵ３１５－２ＤＰ）負(fù)責(zé)匯集、處理所有的數(shù)字量信號和模擬量信號，并通過ＲＳ－２３２接口與無線傳輸模塊ＧＰＲＳＤＴＵ相連。

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（2）監(jiān)控中心服務(wù)器

監(jiān)控中心服務(wù)器一般不具有靜態(tài)ＩＰ地址，而是以ＡＤＳＬ方式接入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ。由于服務(wù)器與無線傳輸模塊ＧＰＲＳＤＴＵ之間的無線通信由無線傳輸模塊ＧＰＲＳＤＴＵ主動發(fā)起建立，為了實(shí)現(xiàn)無線傳輸模塊ＧＰＲＳＤＴＵ與“動態(tài)ＩＰ”之間的通信連接， 需要借助于花生殼軟件所提供的動態(tài)域名解析服務(wù)。“花生殼”是一種在互聯(lián)網(wǎng)上人人可以注冊使用的動態(tài)域名解析服務(wù)客戶端軟件，在安裝有花生殼軟件的服務(wù)器上按照Ｏｒａｙ護(hù)照成功登錄之后，護(hù)照下所有激活花生殼服務(wù)的域名將與服務(wù)器的動態(tài)ＩＰ綁定，從而完成“ＤＴＵＳＩＭ卡號碼—花生殼域名—服務(wù)器動態(tài)ＩＰ”這種信息中轉(zhuǎn)方式的通信。

監(jiān)控中心服務(wù)器可以實(shí)時(shí)接收并顯示架橋機(jī)的所有狀態(tài)信息， 并完成超限報(bào)警功能。

(3) 無線傳輸模塊GPRS DTU

本系統(tǒng)采用CAIMORE的CM3160P GPRS DTU，其為一款采用移動ＧＰＲ Ｓ網(wǎng)絡(luò)、帶RS-232接口、工業(yè)級設(shè)計(jì)、能夠?qū)崿F(xiàn)TCP/UDP透明數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線設(shè)備。使用之前需要進(jìn)入配置界面，對DTU進(jìn)行配置。配置項(xiàng)目包括：服務(wù)器地址及端口、DTU串口通信協(xié)議、工作參數(shù)及服務(wù)器的花生殼域名等。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

（1）監(jiān)測中心軟件結(jié)構(gòu)

監(jiān)測中心軟件系統(tǒng)以VisualC#.net為開發(fā)平臺，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器設(shè)置、DTU設(shè)置、傳感器設(shè)置、 數(shù)據(jù)通信、DTU狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)超限報(bào)警、數(shù)據(jù)存儲、歷史數(shù)據(jù)查詢等９個(gè)模塊的功能，其結(jié)構(gòu)如圖３所示。其中服務(wù)器設(shè)置模塊包括工作模式選擇和偵聽端口設(shè)置；DTU設(shè)置模塊主要是對GPRS DTU的參數(shù)設(shè)置、啟停操作等；傳感器設(shè)置模塊主要是對６個(gè)應(yīng)變傳感器和１個(gè)傾角傳感器的靈敏度、動態(tài)范圍等參數(shù)設(shè)置；數(shù)據(jù)通信模塊負(fù)責(zé)完成服務(wù)器與DTU之間的命令、狀態(tài)和數(shù)據(jù)的GPRS傳輸；DTU狀態(tài)顯示模塊包括用戶ID號、 登錄時(shí)間、用戶電話號碼（DTU SIM號）、動態(tài)IP等信息；數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示模塊實(shí)現(xiàn)架橋機(jī)各個(gè)組成部件的狀態(tài)信息以及應(yīng)變傳感器和傾角傳感器的實(shí)時(shí)曲線顯示；超限報(bào)警模塊負(fù)責(zé)在應(yīng)變和傾角傳感器的狀態(tài)超出設(shè)置范圍時(shí)鳴笛方式報(bào)警；數(shù)據(jù)存儲模塊完成數(shù)據(jù)入庫存儲； 歷史數(shù)據(jù)查詢模塊是指用戶可以根據(jù)數(shù)據(jù)名稱和采集時(shí)間來調(diào)閱該架橋機(jī)在所有施工過程中記錄的人工操作和設(shè)備狀態(tài)的詳細(xì)資料。

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（2）監(jiān)測中心數(shù)據(jù)通信方式

監(jiān)測中心軟件采用基于TCP/IP協(xié) 議 中 的Socket實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端的數(shù)據(jù)通信，具體過程如圖４所示。首先創(chuàng)建服務(wù)器套接字（Socket），然后對服務(wù)器套接字進(jìn)行信息綁定（Bind）， 并開始監(jiān)聽連接（Listen），等待接受來自客戶端的連接請求（Ac-cept ），如果客戶端（DTU） 有連接請求就開始數(shù)據(jù)傳輸（Send/Receive），傳輸完畢后關(guān)閉套接字（Close-Socket）。

4．系統(tǒng)測試結(jié)果

圖５為架橋機(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主顯示界面，左側(cè)為架橋機(jī)各機(jī)構(gòu)導(dǎo)航欄，雙擊任意機(jī)構(gòu)可查看該機(jī)構(gòu)當(dāng)前具體的操作和狀態(tài)信息；下側(cè)為模擬量信息顯示欄， 通過勾選不同機(jī)構(gòu)， 可以查看和比較前支腿（左、右）、后支腿（左、右）和主梁（左、右）等機(jī)構(gòu)同一時(shí)刻的受力和傾角偏斜情況。

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測試結(jié)果表明，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)對架橋機(jī)各個(gè)工況下安全狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測及超限報(bào)警的技術(shù)方案可行，通過該系統(tǒng)，專業(yè)管理人員可以隨時(shí)、隨地接入Internet，實(shí)時(shí)查看架橋機(jī)整個(gè)工作過程的人工操作與結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息，必要時(shí)，可對數(shù)據(jù)作進(jìn)一步分析，為實(shí)現(xiàn)架橋機(jī)故障的遠(yuǎn)程診斷與維護(hù)提供技術(shù)保障。

5．總結(jié)

本系統(tǒng)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)，將PLC采集的數(shù)據(jù)高速、可靠、及時(shí)地上傳到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心， 實(shí)現(xiàn)了架橋機(jī)安全狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)的合理性。該系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了架橋機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測和信息化管理，而且為實(shí)現(xiàn)架橋機(jī)遠(yuǎn)程故障診斷、提高架橋機(jī)管理水平、優(yōu)化架橋機(jī)施工組織打下了良好的基礎(chǔ)。此外，本系統(tǒng)通用性好，只需對監(jiān)控中心管理程序稍做修改，即可應(yīng)用于其他遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。