分布式能源站大型設備數字化吊裝安全監控系統研究

　　摘 要：由于分布式能源站大型設備吊裝的尺寸重量較大，在吊裝時容易發生碰撞以及鋼絲繩斷裂的安全隱患。為此，構建了分布式能源站大型設備數字化吊裝安全監控系統，在吊裝現場迅速建立遠程傳感器、中繼、數據收發與預報警的三層網絡體系，制定相應的預報警規則及軟件平臺，采用不同的傳感器單元監測吊裝設備與井壁的距離、吊裝設備的角度、吊裝索具的拉力、風速以及吊裝環境的溫度濕度等;最后研發系統軟件及通過硬件開發，在某國際博覽中心分布式能源站發電機吊裝過程中驗證應用效果。結果表明，該系統能夠實現發電機吊裝過程中姿態的及時預警和管控，使得吊裝姿態數字化。

　　關鍵詞：數字化吊裝;安全監控;物聯網;大型設備

　　黎嬈; 周誠; 覃文波， 土木建筑工程信息技術 發表時間：2021-11-26

　　引言

　　隨著中國經濟高速健康地發展，石油化工、電力建設和地鐵工程的規模逐漸擴大，其單機設備也越來越大型化、精密化[1];同時，工廠化預制的逐漸推行,也出現了體積更大，重量更重的大型模塊[2]。大型、重型起重吊裝設備對起重吊裝工藝要求越來越高，需要確保設備的準確吊裝與防碰撞，難度遠遠超過以往的吊裝作業。傳統的吊裝方式往往需要多個指揮員協同完成吊裝作業，現場環境的嘈雜、多人聯合作業都會使溝通受到影響，同時依靠指揮人員自身的經驗和判斷無法保證作業的精度和一致性，這將對作業人員產生巨大的負面影響，危及作業的安全。因此，提高大型結構物吊裝過程中吊裝的精確性、安全性與吊裝行為的可預測性具有重大意義。

　　目前，吊裝安全監控領域的研究往往對起重機械的姿態進行實時的監測，通過姿態變化分析可能出現的安全問題。對于載體姿態可以采用如地磁、光電碼盤等方式進行測量[3]，但無法獲得載體的三維姿態;基于GPS 的姿態測量系統具有高精度、高靈敏度、體積小等特點[4-5]，安裝于起重機的吊臂上，實時提供精確的三維模型，但是井下的衛星信號不穩定，使得其姿態測量偏差較大;慣性測量系統利用角速度的陀螺儀和載體的加速度來獲得實時的三維姿態[6]，但其系統誤差隨時間積累[1]。為了克服上述現有技術中的不足，構建一種基于物聯網的分布式能源站大型設備吊裝安全監控系統。

　　物聯網是通過各種信息傳感設備，如傳感器、射頻識別 (RFID) 技術、全球定位系統(GPS)、紅外線感應器、激光掃描器等，實時采集監控、連接、互動的物體或過程的各種需要的信息，與互聯網結合的一個巨大網絡，包括 RFID、傳感網、端到端(M2M)、信息化和工業化兩化融合的四大關鍵領域和感知層、網絡層和應用層三層技術架構。其目的是實現物與物、物與人，所有的物品與網絡的連接，以方便識別、管理和控制 [7-9]。基于此技術，該吊裝安全監控系統可以實現吊裝現場監控全局域的可視化，實現吊裝防碰撞與安全管控的自動化、信息化 [10]，為一線指揮人員提供準確、直觀的預報警信息，從而向吊裝操作給出統一、標準化的吊裝指令，協助其順利、安全完成吊裝作業，為大型吊裝作業提供了安全、實時、有效的技術保障。

　　1 工程背景

　　1.1 工程概況

　　某國際博覽中心分布式能源站項目是天然氣冷熱電三聯供項目。該項目總投資為 2.1 億元，建設規模為 21.5MW，共分兩期建設完成。項目位于某國際博覽中心洲際酒店停車場地下負一層，總占地面積約 6800 平方米。項目建成后，可有效滿足該國際博覽中心二期洲際酒店(含酒店式辦公)、假日酒店、海洋樂園所需的供電、采暖、制冷及生活熱水負荷室內海洋熱源需求。

　　此次吊裝物體為某國際博覽中心分布式能源站的發電機組，其中發電機 A 的規格尺寸為 9900×2400×2900(mm3)，重 32.9 噸，發電機B的規格尺寸為4700×2100×2300 (mm3)，重 21.3 噸。吊裝通過四個 20T 倒鏈提起，同時加裝兩臺 10T 倒鏈備用，吊裝井深 10m，尺寸為 1200×800(mm2)，其中可移動平臺為的尺寸為 1100×300(mm2)，具體吊裝尺寸如圖 1 所示。

　　1.2 吊裝步驟

　　某國際博覽中心分布式能源站的發電機組吊裝包括卸車、平移、起吊、結構平臺移開、設備下放、駁運等步驟，具體步驟如下。

　　(1)設備卸車后，將發電機六組轉向搬運坦克車平移到吊裝孔前，用液壓頂起升設備到合理的高度，在鐵板上面放置型鋼，讓搬運坦克在型鋼上面形成鋼軌運行模式;

　　(2)然后對吊裝梁和葫蘆進行試吊，檢驗設備性能;設備放置至可移動平臺時，通過四個 20T 倒鏈提起，同時加裝兩臺 10T 倒鏈備用，防止葫蘆在起升或下放的時候出現機械故障，提升高度為 300mm，四個倒鏈掛于天井的吊梁上，并且需要同步上升，不可發生傾斜，防止受力不均，確定設備吊起安全后，下方結構平臺可以移開;

　　(3)設備通過倒鏈緩慢入至地下室樓面，下放前需給地面鋪設鋼板給與保護，提前放置 4 個地坦克準備下一步搬運，下放到最后留一定的高度，確認設備落位的地點來調節設備搬運的方向。

　　2 吊裝安全風險分析

　　通過上述吊裝步驟，可以分析出設備在吊裝過程中所存在的安全隱患。

　　(1) 吊裝盲區根據吊裝的實際情況，其盲區主要是由于下吊過程中，當設備下吊至井下時，吊裝操作人員無法看清吊裝井下的狀況，設備與吊裝井的距離以及設備的姿態都無法掌握，影響其吊裝動作。

　　(2) 吊裝設備姿態在某分布式能源站大型設備吊裝案例中，由于發電機設備尺寸較大，而井口尺寸有限，發電機在設備的下吊過程中容易與吊裝井壁發生碰撞;同時，由于吊裝采用四個倒鏈下吊，需要保證設備在下方過程中同步下放，防止受力不均。

　　(3) 吊裝索具由于發電機設備重達 32.9 噸，其所有重量由四條鋼絲繩承擔，如圖 2 所示，且吊裝過程如果發生傾斜，容易導致四條鋼絲繩受力不均，致使發生鋼絲繩斷裂。

　　(4)風速發電機設備在下吊過程中，容易受到風力的影響，發生晃動，特別是風力較大時，設備的安全性受到嚴重的威脅，且遇有六級大風以上的惡劣天氣查，應停止施工。

　　3 分布式能源站大型設備數字化吊裝安全監控系統設計

　　3.1 系統總體方案設計

　　基于上述安全風險分析和物聯網相關理論及其技術，構建了分布式能源站大型設備數字化吊裝安全監控系統。該系統操作簡便，通過感知層的設備單元實現過程定位，并經傳輸、分析、控制實現現場位置的跟蹤與吊裝安全預報警管理，系統框架如圖 3 所示。

　　3.2 監控系統網絡拓撲設計

　　在吊裝現場系統的布設中分析層是整個系統核心，負責現場吊裝數據信息的存儲運算，預報警發布及應急制動，因此可以實現幫助吊裝指揮人員實時管控現場吊裝安全形勢。傳輸層實現感知層與分析層的數據信息的傳遞。該系統的感知層由吊裝姿態感知單元、吊裝受力感知單元、吊裝環境感知單元組成，其中吊裝姿態感知單元由超聲波測距傳感器、激光測距傳感器及角度測量傳感器組成，吊裝環境感知單元由拉力傳感器、風速計組成，吊裝環境感知單元由溫度計、濕度計組成。吊裝過程中，超聲波測距單元將測量發電機與井壁及可移動平臺的距離信息，激光測距單元是用來反饋發電機與井底距離信息，角度測量單元則可以實時記錄發電機的傾角信息，拉力傳感器將監測吊裝鎖具的實時應力，風速計用于測量吊裝過程中的實時風速，溫度濕度計用于測量吊裝現場環境的溫度及濕度;系統的傳輸層由中繼及上位機組成，用以保證監測數據的實時傳輸，并匯聚至分析層，分析層為終端監控軟件，用于實時顯示上述測量數據，防止發電機與井壁和井底發生碰撞，并對危險場景進行報警，可以起到提醒指揮人員的作用，從而及時向起重機駕駛員發布調整指令，糾正危險姿態。

　　3.3 預報警規則設計

　　為了實現監控預報警的及時有效，制定了詳實的預報警流程，其中各傳感器單元報警規則如表 1 所示：當吊裝設備與井壁及周邊其他設備的距離小于 50mm 時，發生二級報警，指揮人員對吊裝人員發出調整指令。當吊裝設備與井壁及周邊其他設備的距離小于 30mm 時，發生一級報警，指揮人員對起重機駕駛員發出暫停吊裝指令。當吊裝設備與井底的距離小于 50mm 時，發生二級報警，指揮人員對吊裝人員發出減速指令。當吊裝設備與井底的距離小于 30mm 時，發生一級報警，指揮人員發出暫停吊裝指令。當吊裝設備角度與設定角度相差 10%時，發生二級報警，看到此警報的指揮人員將對主吊駕駛員發出調整指令;當吊裝設備角度與設定角度相差 20%時，發生一級報警，此時指揮人員對起重機駕駛員發出暫停吊裝指令。

　　3.4 設備選型及布點優化設計

　　硬件上，系統主要由超聲波測距傳感器、激光測距傳感器及角度測量傳感器、拉力傳感器、風速計、溫度計、濕度計、中繼、上位機組成。為了方便臨時構建分布式能源站大型設備數字化吊裝安全監控系統，各傳感器采取小型化設計，分別放置于拉桿箱內，如圖 4 所示。

　　根據工程需要，超聲波測距傳感器、激光測距傳感器、角度測量器、拉力傳感器均為自主開發研制。系統各層均為無線通信方式，不依賴環境網絡，硬件模塊的安裝為無損方式，可部署在發電機的任意位置;硬件模塊測距單元與無線收發單元通信距離大于 50m，實現移動中測距;測距單元使用 n-cba 技術，實現無盲區通信;同時各傳感器單元可通過系統軟件遠程待機或停止。各傳感器的參數如表 2 所示。

　　根據吊裝過程的安全分析[11]可知，發電機的四周均會有潛在的碰撞安全隱患，故在發電機的前后左右四側分別布設2個超聲波測距傳感器，用以測量發電機在井內與井壁及可移動吊裝平臺的距離;同時，1 個激光傳感器和1個角度傳感器布設在發電機后側的底部，用于測量發電機到井底的距離及其角度;另外，拉力傳感器分別布設在四個倒鏈上，在吊裝井的四邊分別布設風力計及溫度濕度計。終端監控平臺則放置在吊裝井的附近，方便通信和指揮吊裝操作人員。

　　3.5 軟件功能設計

　　軟件方面，系統平臺設計了 6 個功能分區，如圖 5 所示，通過 6 個功能區的運用可以實現系統數據采集、定位管理、歷史回放、系統管理等功能，實時掌握吊裝過程中設備實時吊裝姿態;主界面左上角為系統參數區，其中采樣頻率可以根據吊裝實際情況選擇不同的頻率;下面的傳感器位置設置區，用以將傳感器實際布置位置對應的顯示在系統上;隨后是系統命令區，包括系統的激活、啟動及關機命令，有效的控制各傳感單元;監控回放區可以通過加載數據文件，實現吊裝過程的回放;電池電壓區可以實時顯示工作狀態下各單元的電池使用情況，方便傳感器的更換;面積最大的則是監控實施顯示區域，吊裝過程中，各傳感單元的實時數據則會顯示在該區域。

　　4 分布式能源站大型設備數字化吊裝安全監控系統實施

　　4.1 現場安裝調試

　　發電機卸車后，將各傳感器按照布設方案分別布設在相應位置上，如圖 6 所示。同時，拉力傳感器分別布設在四個倒鏈上，在吊裝井的四邊分別布設風力計及溫度濕度計，中繼器布設在在吊裝井井口，上位機位于終端軟件附近。

　　傳感器安裝完成后，打開各傳感器單元、中繼器、上位機，打開起重終端軟件，實現設備聯調、通訊暢通，解決聯調中的軟硬件問題。不能正常工作的傳感器需要及時更換，并根據系統應用中顯示的傳感器實時電壓，及時更換傳感器電池;另外，針對系統應用中發現的問題，及時調整設備的工作狀態，優化定位算法，完善系統拓撲結構等，通過上述措施確保系統的正常運行，從而對現場吊裝進行實時監控。

　　4.2 數據采集及分析

　　登錄系統后，對系統進行調試，然后進行吊裝數據采集，具體操作步驟如下：

　　(1) 選定串口號，并根據實際情況選定采樣周期;

　　(2) 根據監控方案設置傳感器模塊位置;

　　(3) 打開串口，激活系統，并啟動，開始吊裝監控。

　　(4) 檢查電池電壓，若小于 4.5V，則更換電池;

　　(5) 啟動系統，開始吊裝監控。

　　本系統于 2016 年 5 月 2 日正式在某國博分布式能源站進行使用。提取系統 1 號激光(發電機底部)及角度傳感器及 3(發電機前側)、5(發電機左側)、7(發電機后側)、9 號(發電機前側)超聲波傳感器在 13:25:00—13:25:20吊裝過程中的實時數據，各傳感單元的變化趨勢如下圖 7、圖 8 所示。由圖 7 可知，在吊裝過程中發電機的吊裝的四周距離一直處于安全狀態，均未有小于 50cm 需要警報的情況出現，但可以看到位于左側的5號傳感顯示發電機的左側與井壁的距離為在 220cm 左右，是發電機四邊在這段時間內距離井壁最近的一邊，需要引起一定的注意，以免發生碰撞。由圖 8 所知，吊裝過程中發電機的三個角度不斷發生變化，說明發電機這段時間內存在擾動，處于不斷晃動的狀態，因此需要在吊裝過程中不斷調整四個倒鏈，以至發電機平穩的下吊。在以后的數據采集和分析中，還可以結合倒鏈的拉力傳感器數據來分析各角度的變化與不同方位拉力變化的關系，從而通過檢測出晃動狀態就能達到精準調整吊裝倒鏈。

　　5 結論

　　分布式能源站大型設備吊裝的主要安全風險來源于在設備體積重量過大，吊裝井口尺寸較小的情況下，設備在下吊過程中容易發生碰撞以及鋼絲繩斷裂的安全隱患，因此筆者提出了基于物聯網理論，利用超聲波測距傳感器、激光與角度傳感器、拉力傳感器、風速計以及溫度濕度計進行分布式能源站大型設備吊裝行為的安全管控，構建了基于物聯網的分布式能源站大型設備吊裝安全監控系統并應用于實際工程中，得到以下主要結論：

　　(1)通過分析分布式能源站發電機吊裝的步驟及風險，采用超聲波及激光方式對調轉過程中的安全距離及角度進行跟蹤，對防碰撞預報警，對吊裝索具的拉力以及實時的風速進行監控，并將這些信息集成到物聯網中，從而構建了基于物聯網的分布式能源站大型設備吊裝安全監控系統。

　　(2)應用結果表明，該系統能夠及時的反映吊裝過程中設備的實時吊裝姿態，使吊裝過程可視化及數字化。

　　(3)限于該系統是第一次應用于工程項目，現場傳感器的布設沒有有效的監控到全部的安全隱患，對于傳感器化布設方法的優化，是下一步研究重點。