基于物联网的起重机械电气自动化远程监控系统设计

一、起重机械安全监控系统设计方案

根据国家标准“起重机械安全监控管理系统”（GB/T28264—2017）的明确规定，起重机械安全监控管理系统由信息采集单元、信息处理单元、控制输出单元、信息存储单元、信息显示单元、信息导出接口单元、远程传输单元和远程检测中心等构成。港口起重机械安全监控系统设计方案应包括以下内容：

实时数据采集：通过传感器、摄像头等设备，实时采集起重机械的工作状态数据，如起重量、工作幅度、回转角度等。

异常检测与预警：根据采集的数据，实时判断起重机械的工作状态是否正常，如出现异常情况，及时发出预警信号，并记录异常信息。

历史数据分析：记录起重机械的工作数据，并进行分析，以发现设备的工作规律和潜在问题，为设备的维护和安全管理提供支持。

远程监控：通过无线网络或互联网，将起重机械的工作状态数据和异常信息实时传输到远程监控中心，使管理人员能够远程监控设备的运行状态。

数据存储与备份：对采集的数据进行本地存储和备份，确保数据的安全性和完整性。

系统集成：将起重机械的安全监控系统与港口的其他管理系统进行集成，如设备维护管理系统、人员管理系统等，以提高整体管理效率和安全性。

为了实现该设计方案，可以利用现有的信息技术和网络技术，建立一套远程安全监控管理系统，用于监测重机械设备的操作规范和现场环境，以及及时发现并解决安全问题。同时，通过应用人工智能和其他数字化手段，辅助管理人员对监控数据进行全天候监控，并及时发出预警信息。此外，该系统还提供精确查询和汇总统计监控数据的功能。

二、起重机械稳定性分析

起重机械的稳定性分析主要涉及两个关键方面：

（1）抗倾覆稳定性：指起重机在受外部载荷和自重的共同作用下，保持稳定并抵抗倾覆的能力。由于起重机的重心较高、工作半径较大、支撑轮廓较小，因此需要进行抗倾覆稳定性计算，以确保起重机具备足够的抗倾覆稳定性。在进行抗倾覆稳定性校核时，通常可以采用3种方法：力矩法、稳定系数法以及根据临界倾覆载荷标定额定起重量法。

（2）行驶稳定性：车辆的稳定性分为纵向和横向两个方面。纵向稳定性主要是指当汽车行驶在坡度较大的路面时，起重机爬坡时可能会出现前轮失去轮胎对地面的接触，导致转向系统失去控制，或者车辆无法成功上爬而出现打滑的情况。横向稳定性则是指汽车在转弯时，若速度过快，容易导致翻车，并且可能发生横向滑动的情况。

三、起重机械安全监控系统设计与实现

起重机械安全监控系统设计与实现主要考虑以下几个方面。

硬件构成：包括各种传感器、监控器、处理器等硬件设备的选择和设计。这些设备应该能够准确、实时地采集和传输起重机的各种状态信息，如起升高度、载荷重量、回转角度等。同时，还需要考虑如何将这些信息整合在一起，以便进行更高效的数据处理和监控。起重机安全监控系统的硬件组成主要由以下几部分构成：核心设备，承担处理和存储所有采集数据的任务，并负责执行控制指令。

显示屏是起重机与人员进行交互的接口，可以展示不同的监测参数和警报信息。摄像头则用于监控起重机的工作状态，为安全监控系统提供视频信息。风速仪则起到测量和监控环境风速的作用，对那些在风力较强的露天工作中运行的起重机尤为关键。同时，起重量传感器和起重力矩传感器也起到测量和监控起重机的起重量和起重力矩的作用，以防止超载和力矩过大；起重机使用的各种传感器有以下作用：高度传感器用来测量和监控起重机的工作高度；速度传感器用来测量和监控起重机的运动速度；倾斜传感器用来测量和监控起重机的倾斜角度；防碰撞传感器用来防止起重机与其他物体发生碰撞；回转角度传感器用来测量和监控起重机的回转角度；水平度传感器用来测量和监控起重机的工作平台的水平度。

这些传感器和设备是安全监控系统的关键组成部分，能够获取涉及起重机运行安全的多种关键参数。经过主机处理后，可以通过显示屏等方式实现对起重机的实时安全监控，以确保安全。

软件简介：针对起重机的特定应用，需要开发相应的软件系统来进行数据处理、状态监控和故障诊断等任务。软件系统应能够根据起重机的实际运行状态和各种传感器数据进行实时数据处理，同时还要能够进行有效的状态监测和故障诊断，包括对异常数据的警报、对故障部位的精确定位等。

与其他系统的集成：起重机械安全监控系统还要考虑与其他的系统（如管理信息系统、作业控制系统等）进行集成，实现信息的共享和协同工作。这样可以更有效地提高起重机械的安全性、效率和可靠性。

四、起重机械远程控制技术

起重机械利用遥控技术使操作人员能够在较远的位置控制操作台。这种技术基于实时监控，操作人员可以随时随地观看画面和听到声音，以便灵活操作控制杆。除了在不同小范围空间内使用远程控制技术，远程控制起重机械也可以在异地进行。操作人员可以使用多种方法对起重机进行操控，包括手动、半自动和全自动等方式。这对操作人员的技术要求较高。远程控制技术可以在一定程度上减轻劳动人员的压力，同时减少人力成本。

五、起重机械远程控制技术现状

（一）物理隔离和身份认证不足，人机互认不到位

目前，现有的起重机械远程控制技术还存在一些不足之处。例如，物理隔离和身份验证的不完善可能导致人机互认精度不高的问题。在远程控制过程中，如果操作人员没有足够的权限来全面控制机械设备，那么在出现危险情况时，操作人员将无法凭借其技术来解决这些危险。这对在现场工作的人员来说，存在着严重的安全隐患。与此同时，由于机械受限于权力，操作人员无法全面了解机械的状况，因此可能在操作过程中出现不清楚机械目前状态的情况，从而引发潜在的失误。

（二）控制信号远程传输的安全性、可靠性不足

对起重机械的远程控制而言，安全和稳定的控制信号至关重要。然而，在当前的发展过程中，许多技术都存在一定的缺陷。在控制信号的远程传输过程中，安全性和可靠性方面仍然存在不足。由于天气或电力等影响，控制信号的传输可能会中断或不流畅，这对信号的传输安全性和可靠性提出了巨大的挑战。若信号在传输中间出现中断或传输不畅，将会影响起重机械正常工作，甚至引发事故，对财物和人身安全造成严重损失。

（三）替代随车控制的状态感知能力不全面，风险防护措施不充分

起重机械的运转依赖于操作人员对其各项功能的熟悉程度。如果操作人员能够实时掌控起重机械，那么问题不大。然而，若采用远程技术对起重机械进行控制，情况可能会有所不同，替代随车控制状态感知能力欠缺的问题可能会出现，导致操作员难以实时了解起重机械的运行状态，进而无法有效规避风险并采取充分的风险防护措施。一旦发生这种情况，将给整个项目带来巨大的损失。同时，远程控制起重机械时，会遇到各种问题，对操作人员的应急反应和专业素质提出了考验。

六、远程控制技术设计过程中应当考虑的影响因素

（一）系统和设备的影响

首先，在远程控制系统的设计中，应考虑防止潜在的危险事件的发生，并确保系统能够经受住一定的操作压力和外部干扰。这样可以避免由系统硬件和软件故障所引发的危险情况，以及逻辑错误和人为操作失误导致的危险隐患。其次，在远程控制过程中，需要通过有线、无线或网络等方式对操纵台、移动设备和计算机等设备进行远程登录和控制。另外，还需考虑身份验证、口令保护、权限管理等功能，以确保能够准确识别用户身份并分配适当的访问权限，从而有效地防止未授权操作。同时，需避免意外启动。当控制系统参数发生变化时，可能会出现危险情况，因此必须对控制系统参数进行控制，当发出停机命令后，如不能阻止停机，保护装置应立即执行停机命令。

（二）其他情况影响

首先，需要确保动力源异常时不会产生危险情况。如果存在多个控制位置的情况，必须将其中一个指定为控制位置，而不能使用其他控制位置，但停机控制和急停控制除外。其次，在远程正常停机时，停机控制必须具有优先启动控制的属性。另外，在选择远程控制模式时，控制模式设计应优先考虑急停之外的其他所有控制手段。为了有效预防可能发生的危险操作，远程控制起重机械应配置自动立即停止装置。例如，当设备失去控制或出现安全部件错误等情况时，或者操作人员或自动控制系统无法获取起重机的状态、位置等相关信息时，如果起重机不在操作人员的视野范围内，应立即启动自动停机功能。

七、起重机械远程控制技术的设计原则

（一）防止危险发生的能力

起重机械远程控制技术必须具备预防危险的能力。因为与现场操控相比，远程控制技术更依赖操作人员的专业素养和应急响应能力，同时也须为操作人员和机器本身提供安全保护。当遭遇危险情况时，该技术应能启动紧急机制。此外，远程控制技术还须实时监测机器状态，并验证操作员指令的合理性，以确保机器和作业现场的安全。在操作人员未完全掌握远程控制技术之前，应避免独自执行任务，以免造成起重机械不可逆的损坏。

（二）响应远程操作能力

为了运用远程操控技术，起重机械必须具备响应远程操作的能力。然而，许多市面上的起重机械在安装配备响应远程操控所需的硬件设施和软件设备时，并未经过严格的产品质量检查，导致起重机械出厂后并没有很强的响应远程操作能力。在后续任务中，即使操作员下达正确指令，由于响应远程操作能力不足，起重机仍可能无法按照操作员指令的质量和数量进行执行，这将严重影响项目的进展。因此，生产者应高度重视起重机的远程操作响应能力。

（三）具备安全管理能力

无论使用何种技术，安全都是首要考虑因素，远程控制技术在起重机械中亦然。远程控制技术需具备安全管理功能，包括操作人员和起重机械的安全责任。对操作人员而言，合理、恰当的操作可提高工作效率，同时要时刻观察操作环境，做出必要调整。针对起重机械的特点，考虑到其构架庞大、生产成本高以及损伤后的成本，操作人员必须通过远程操控技术合理运用，以降低起重机械的损耗。

（四）具备异常应急能力

由于种种原因，操作人员也可能会犯错误，因此在远程操控技术的发展过程中，应具备出色的紧急响应能力，以最大限度地保障操作人员和起重机械的安全。这项技术需要具备处理危险情况和预测能力，以帮助操作人员在关键时刻有效控制异常情况。总的来说，远程控制技术的应急响应能力能够最大限度地保护项目工作人员和相关设备，其重要性不言而喻。

八、结束语

在本研究中，我们对自动化安全控制系统、实时监测和故障检测以及控制策略优化在起重机械操作中的重要作用进行了深入探讨。这些创新技术为提升起重机械的安全性、可靠性和效率提供了强有力的手段。然而，我们也强调了确保操作成功和持续性的重要性，同时平衡安全性和效率。随着技术不断进步，起重机械行业将继续从这些创新中受益，以应对日益提高的工业生产挑战，并为未来制造业做出更大贡献。