港口起重机电气故障可视化策略

上海振华重工（集团）股份有限公司 徐志平

对于起重机安全管理工作而言，最为主要的内容就是电气控制系统的安全与可靠，因为每一个起重机机构之间，整体呈现出的工况都较为复杂化，促使系统线路在控制方面也变得越来越复杂，给维护与维修工作带来不利的影响。结合实际分析，笔者通过借助PLC控制系统，探索了提高电气故障可视化水平的方案，通过深入探索，有利于控制系统故障的诊断，同时也有利于排除故障。

起重机电气控制系统当中，非常重要的一项内容是安全与可靠。因为起重机的机构之间存在着相对复杂的工况，促使控制系统线路变得更为复杂化，不利于调试工作的积极开展，也不利于维护与维修工作的顺利实施[1]。从传统故障当中发现，当起重机电气控制系统发生故障的时候，需要立即采取停机操作，并且要由专业工作人员，详细排查复杂的电气控制系统中存在的故障。所以，众多传统电气故障检修，对于现场电气维修技术，以及维修人员的要求都比较高，发现故障不能迅速准确的进行排除，对起重机正常运行也有一定的影响。而运用直观可视化技术，把起重机电气故障产生的时间，产生的本质原因和具体位置呈现给技术人员，并且依据故障给出可行性的维修建议，这一点是至关重要的内容[2-3]。

1 国内外研究现状

国外早在60年代就已经研究了机械设备，还有电气设备的故障诊断技术，而我国电气故障诊断技术的发展是在70年代末期，相比国外就比较晚。在不断的努力下，有的故障推理方法和国外没有太多的差异性，在应用理论方法上也没有得到良好的应用。当前的形势下，国内产品故障已经找到相应的方法，形成监测诊断的产品[4-6]。

在电气设备开展运行工作的时候，故障诊断与状态监测充分发挥着较为重要性的作用，能够随时对监测机器状态，运行参数的浮动进行全方位监测，有效减少发生意外的问题，从而全面提高系统安全和作业效率，也让维修成本得到降低。但设备控制系统属于复杂化的情况，运行状态同参数所处环境有关系，而且也同工作人员的操作习惯有关系，无法在故障诊断当中应用模糊算法，神经网络算法等。基于此，可视化故障诊断，不管是国内还是国外都不是特别的成熟，仍然处于研究开发的初级阶段。

2 起重机的电气故障类型

起重机电气故障问题在研究的整个过程中，应该充分掌握电气故障的基本类型。(1)有效解决可视化原始数据如何获得的问题。PLC大量运用在工业控制现场，可以适应不良工作环境，还能让运行要求变得更为持久化。所以，应该把PLC控制的起重机电气系统重视起来，进一步深入研究故障的诸多类型。(2)对于起重机电气系统而言，其组成主要是由PLC控制形成，能够全方位采集现场设备的基本状态，还能反馈控制系统本身的情况。(3)下层设备层。控制系统的故障可以分为电动机、制动器、变动器等，能够接近工业控制的现场。(4)中间控制层是系统控制中心，该中心利用现场总线同设备层进行有效连接。而上位机同PLC构成信息层后，再利用以太网实现连接(如图1所示)。

图1 可视化系统网络拓扑图Fig.1 Network topology diagram of the visualization system

具体而言，在PLC控制的起重机电气故障类型当中，可以分成以下几个主要类型。(1)系统控制的核心，PLC能不能正常运行，与系统运行状态直接相关。像这样的PLC系统故障主要包括硬件和软件两种故障类型。在研究故障的过程中，又包括了PLC 控制系统的软件故障，软件程序运行的时候会产生运行停止，以及死循环的问题。另外，还有可能由于外界环境的不同程度变动，致使产生偶然性故障，唯有重新对系统进行启动才可以恢复正常工作状态。其中，引起问题的主要原因是系统缺乏稳定性。(2)变频器故障和远程分布模块产生的故障，这种故障就是智能从站故障。而智能从站包括自我诊断，以及自我修复的基本功能。发现有故障存在的时候，负责维护的工作人员需要依据厂家提供的手册来做详细的排查以及有效的故障处理。(3)起重机工作现场总会有多个起重机同时在启动，外界环境又比较复杂化，容易受到很大的干扰。所以，通信电缆若是有不错的屏蔽效果，通信故障就不容易出现。另外，因网卡、插头和集线器等，整体上会存在接触不良的故障问题。(4)继电器、接触器、断路器、传感器等，这些会产生外部设备的故障，与PLC整体控制能力有关。如果遇到外部设备存在故障，会致使系统出现瘫痪的现象，而产生这种现象的基本原因其实就是由于设备的质量问题，或者是设备寿命带来的不良影响[7]。

3 起重机的电气故障可视化

3.1 可视化技术

结合计算机技术，开展图像处理，并将结果进行转化，以图形、图像的方式展示，这样能准确的进行可视化分析，并根据具体的交互理论应用，得到更加有效的结果，通过这种方式实现了故障分析的可视化。(1)可视化过程需要根据技术的运用，实现良好的监控，要应用图像处理方式，根据图形学等相关内容，全面的开展技术的交叉应用，实现多领域技术在电气故障中的运用，保证起重机可视化分析效率。(2)伴随着计算机的日益发展，以及可视化的深入研究，可视化的面积开始不断扩大，比如有知识可视化的内容。(3)人们运用可视化技术有利于直观性的观察到数据信息，从而深入发掘潜在的发展趋势，为运维人员工作的开展带来便利，切实也全面提高了工作效率。

3.2 可视化方法选择

PLC控制系统，整体而言，要想充分发挥出应有的价值，不仅要重视硬件设备与软件设备，而且还要将人机交互可视化界面全面重视起来，从而对用户实施有效的查询与全方位的监测。目前，很多显示技术采用的基本方式都是触摸，利用触摸能够让监测控制系统运行的基本情况得到实时监测，在遇到真正问题的时候，维护工作人员还可以利用触屏发送控制指令，从而更好地实施人工处理环节。所以控制系统同人的信息进行交换，操作人员可运用触摸屏向PLC控制系统输入科学指令，从而实现对信息的有效反馈。

本质上来讲，触摸屏存在诸多不足，在数据运算能力和数据处理能力方面有所欠缺，唯有简单化的显示系统运行的基本状态才有利于整体运行。(1)生产触摸屏和PLC，厂商相对比较多，不同厂家生产出来的设备型号有差异性，所以PLC与HMI存在着兼容问题。(2)触摸屏点数与组态软件需要实施授权，给整个企业的发展增加了经济成本，也让触摸屏的范围得到不断降低。(3)选择应用VisualBasic语言开发OPCServer，让PLC控制系统与IPC数据传输，数据控制系统得到实现。(4)利用VisualBasic把上位机当中出现的可视化界面同OPC服务器做数据的有效性连接，以此让故障实时监控得到良好实现。(5)VisualBasic能够让高级语言编译直接译成机器语言，这样很容易被计算机识别到。最为主要的是VisualBasic能够把高级语言编译成机器语言，从而对计算机进行科学化，合理化的识别。VisualBasic能将程序以执行文件的形式生成，实现高效的兼容，通过借助VisualBasic监控组件，能全方位进行动态控制，并实现起重机电气监控，利于促使可视化系统稳定运行[8]。

3.3 港口门座式起重机电气故障可视化的实现

多数港口起重机都采用门座式，由于结构立体化，能够在很大程度上让码头面积得到节省。另外，门架也比较高，具有高速灵活，安全可靠的基本特点，能够让装卸生产率得到提高，对于体力劳动的减轻有着积极意义。

依据起重机电气控制系统图来看，需要选择电动机，变频器、继电器等部件，再利用PLC内部定时器，计数器等功能，让逻辑控制功得到有效实现。而且还可依据PLC各个点的输出数据，对关键点运行进行科学化，合理化的控制。除此之外，PLC还能够定时扫描对应点的相关工作，并且能够把采集的数据信息直接存入到PLC数据库，从而供组态软件来调用。

关于VisualBasic不仅提供可视化设计的专业工具，而且还能把Windows界面设计的复杂性进行有效封装。负责开发的工作人员，不需要界面设计就能够将程序代码全部编写好，只要依据设计的基本要求进行合理化的布局，就能促使用系统的工具画出图形对象，并将属性全面设置好，从而自动产生界面设计的相关代码信息。面向对象的程序设计法是VisualBasic运用的重点，也是关键所在，把程序与数据进行全面封装，可以形成一个对象，并且还能赋予对象相应的属性。利用连接方式的建立，使用操作后台的数据库，并在其中存放PLC I/O点地址及对应元件的名称，从而实现对故障的详细记录。发现对应值的时候要利用查找的方法，将对应故障号准确地找到。因此，可以建立主窗体，机构窗体、用户登录窗体等。针对于起重机应该实施可视化监控。(1)监测钩是否达到设计需要的高度，或者是监控能否达到最低的位置，这是起升机构电气监控与故障的可视化。该工作环节要看吊起的货物能否在最大重量，从而有效避免因为超负荷引发的整机倾翻和人身伤亡事故。(2)变幅机构把变幅中产生的外载荷传递，直接给变幅驱动装置，为吊中幅度的改变提供运动轨迹，这种可视化系统能够让变幅机构的电气监控得到可靠性运行。(3)故障监控与旋转机构电气管理。该环节旋转机构有支撑装置和旋转驱动装置，能够让旋转系统正常安全运行得到保证。(4)行走机构通常会依据情况对工作地点加以合理改变，进一步将作业范围不断扩大化，从而让起重机水平行进得以良好实现。(5)四大机构监控画面是显示起重机各个机构监控点的基本状态，而针对于起重机电气控制系统，PLC监控目标具体还体现在I/O状态监控画面，从而也让PLC模块的I/O状态实时监视，同时也能对现场设备工作状态有充分了解。

4 总结

总体而言，起重机电气故障可视化意义重大，怎样将起重机电气存在的故障，迅速发现并科学有效的排除非常重要，提高工作效率，并进一步实现经济效益，需要全面研究。而通过直观，迅速的形式将港式起重机电气故障可视化问题解决也显得越来越重要，因为可对具体方法和原理做详细化的分析，从而也为工程系统故障诊断提供工作开展与实施的参考依据。