電動(dòng)葫蘆試驗(yàn)臺(tái)智能測(cè)控系統(tǒng)研發(fā)*

陸忠華

(1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 無(wú)錫分院, 江蘇 無(wú)錫 214174; 2.國(guó)家橋門式起重機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心, 江蘇 無(wú)錫 214174)

電動(dòng)葫蘆試驗(yàn)臺(tái)智能測(cè)控系統(tǒng)研發(fā)*

陸忠華1，2

(1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 無(wú)錫分院, 江蘇 無(wú)錫 214174; 2.國(guó)家橋門式起重機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心, 江蘇 無(wú)錫 214174)

電動(dòng)葫蘆試驗(yàn)臺(tái)是用于考核電動(dòng)葫蘆產(chǎn)品綜合性能的專用大型試驗(yàn)設(shè)備。為得到真實(shí)、可靠、穩(wěn)定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)結(jié)合先進(jìn)的傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)，開(kāi)發(fā)了智能型電動(dòng)葫蘆試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的自動(dòng)控制與智能測(cè)試。

電動(dòng)葫蘆；試驗(yàn)臺(tái)；自動(dòng)控制；智能測(cè)試

1 引 言

電動(dòng)葫蘆因其結(jié)構(gòu)高度集成化、產(chǎn)品系列化、自重輕、尺寸小、安裝更換便捷等特點(diǎn)，而深受物料搬運(yùn)用戶的青睞，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于車間、碼頭、倉(cāng)庫(kù)、堆場(chǎng)等各個(gè)場(chǎng)所。隨著特種設(shè)備節(jié)能降耗意識(shí)的增強(qiáng)，電動(dòng)葫蘆更是體現(xiàn)出集成式起升機(jī)構(gòu)的節(jié)能優(yōu)勢(shì)來(lái)，設(shè)計(jì)者和制造商們競(jìng)相加速了對(duì)新型電動(dòng)葫蘆的研究[1]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外電動(dòng)葫蘆的技術(shù)得到了飛速發(fā)展，隨著工作級(jí)別覆蓋M3～M8、起重量達(dá)100 t的電動(dòng)葫蘆產(chǎn)品的相繼問(wèn)世，電動(dòng)葫蘆起重機(jī)[2]有取代50 t乃至100 t以下中小型起重機(jī)的趨勢(shì)。起重量的增加、工作級(jí)別的提高，都對(duì)電動(dòng)葫蘆的產(chǎn)品質(zhì)量提出更高的要求。

電動(dòng)葫蘆的質(zhì)量與人員生命安全和設(shè)備財(cái)產(chǎn)安全息息相關(guān)，電動(dòng)葫蘆試驗(yàn)的目的在于考核其起升機(jī)構(gòu)以及主要零部件是否滿足安全標(biāo)準(zhǔn)要求，是評(píng)價(jià)電動(dòng)葫蘆設(shè)計(jì)、制造等方面優(yōu)劣程度最基本的方法之一。因此，相關(guān)的國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電動(dòng)葫蘆在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、定型時(shí)都要進(jìn)行型式試驗(yàn)。由于專門的型式試驗(yàn)臺(tái)造價(jià)高、使用率低等原因，大多電動(dòng)葫蘆生產(chǎn)企業(yè)沒(méi)有專用的型式試驗(yàn)臺(tái)，因而影響了國(guó)內(nèi)企業(yè)研發(fā)新產(chǎn)品的極積性?？梢哉f(shuō)，缺乏功能完備的電動(dòng)葫蘆試驗(yàn)臺(tái)，尤其缺少智能化的試驗(yàn)臺(tái)，是影響我國(guó)電動(dòng)葫蘆快速發(fā)展的重要原因之一。

由于電動(dòng)葫蘆試驗(yàn)臺(tái)是專用的大型試驗(yàn)設(shè)備，沒(méi)有現(xiàn)成的商用測(cè)控系統(tǒng)與之配套。針對(duì)這一現(xiàn)狀，按照J(rèn)B/T 9008. 1—2004《鋼絲繩電動(dòng)葫蘆第1部分:型式與基本參數(shù)技術(shù)條件》[3]和JB/T9008. 2—2004《鋼絲繩電動(dòng)葫蘆 第2部分:試驗(yàn)方法》[4]以及其他相關(guān)的國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，集成先進(jìn)的傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)搭建了智能型電動(dòng)葫蘆試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)控系統(tǒng)。

2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的研制

試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)控制系統(tǒng)[5]的研制有助于減輕試驗(yàn)人員在試驗(yàn)過(guò)程中的工作強(qiáng)度，并在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)關(guān)鍵部件和關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)一些突發(fā)情況做出提醒、報(bào)警、停機(jī)等動(dòng)作，使試驗(yàn)過(guò)程具有安全保護(hù)功能。電動(dòng)葫蘆試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)控制系統(tǒng)能按期望規(guī)律和預(yù)定程序進(jìn)行控制，是實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)過(guò)程自動(dòng)化的重要手段。電動(dòng)葫蘆試驗(yàn)臺(tái)以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為核心，配合智能數(shù)字儀表以及智能模塊，組成RS485總線控制系統(tǒng)，提供了人機(jī)交互界面，自動(dòng)完成試驗(yàn)中各種數(shù)據(jù)的記錄與測(cè)算。其測(cè)控部分實(shí)行模塊化設(shè)計(jì)方案，主要由供電模塊、自動(dòng)控制模塊、監(jiān)控模塊組成。

2.1 供電模塊

供電模塊通過(guò)自動(dòng)升降壓與變頻處理，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)壓和無(wú)級(jí)變頻，可滿足110～660 V以及50～60 Hz的電動(dòng)葫蘆的電源要求，圖1為動(dòng)力分配柜，圖2為變頻器。供電模塊獨(dú)立向試驗(yàn)臺(tái)5個(gè)工位供電，互不干擾。動(dòng)力電源由安全開(kāi)關(guān)、急停開(kāi)關(guān)和限位開(kāi)關(guān)等組成聯(lián)鎖控制，在臺(tái)架區(qū)域及控制臺(tái)上均布有急停開(kāi)關(guān)，任一急停開(kāi)關(guān)即可切斷動(dòng)力電源，保證操作人員的安全。為了適于各個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目的測(cè)試條件和環(huán)境，電源的供給方式實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)、自動(dòng)、遙控控制之間的切換或組合。供電系統(tǒng)直接接入電動(dòng)葫蘆自身的電控系統(tǒng)，由電動(dòng)葫蘆自身的電控系統(tǒng)進(jìn)行多種載荷情況下的起升、下降、運(yùn)行等性能試驗(yàn)，來(lái)測(cè)試電動(dòng)葫蘆電控系統(tǒng)的優(yōu)劣程度。通過(guò)三相智能電表可測(cè)量和記錄在各種試驗(yàn)項(xiàng)目下啟動(dòng)時(shí)間，啟動(dòng)電流，顯示三相電壓和電流波形、功率、功率因數(shù)、頻率等信息。

圖1 動(dòng)力分配柜 圖2 變頻器

2.2 自動(dòng)控制模塊

自動(dòng)控制模塊是試驗(yàn)臺(tái)的核心部分，在自動(dòng)控制模塊中可以按照試驗(yàn)要求分為出廠檢驗(yàn)、常規(guī)檢驗(yàn)和型式試驗(yàn)三種，不同的試驗(yàn)方案對(duì)應(yīng)不同的測(cè)試項(xiàng)目，通過(guò)流程式的檢驗(yàn)步驟自動(dòng)引導(dǎo)檢驗(yàn)員完成電動(dòng)葫蘆試驗(yàn)的各項(xiàng)目。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)與電動(dòng)葫蘆試驗(yàn)臺(tái)之間的接口模塊通過(guò)RS485總線進(jìn)行信息傳遞。接口模塊主要實(shí)現(xiàn)了數(shù)字量/模擬量的轉(zhuǎn)換與及開(kāi)關(guān)量信號(hào)的傳遞。從工控機(jī)得到的數(shù)字信號(hào)決定了電壓等的數(shù)值信息，得到的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)通過(guò)繼電器端子板直接控制接觸器等執(zhí)行元件，通過(guò)預(yù)定各開(kāi)關(guān)信號(hào)的組合及其對(duì)應(yīng)的運(yùn)行、間隔時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)架的自動(dòng)控制，圖3為完整的一套自動(dòng)控制操作臺(tái)系統(tǒng)。自動(dòng)控制系統(tǒng)可按照工作級(jí)別預(yù)先設(shè)定的起升、下降的運(yùn)行、間隔時(shí)間以及循環(huán)運(yùn)行的總時(shí)間來(lái)自動(dòng)完成疲勞壽命試驗(yàn)。顯示屏實(shí)時(shí)顯示試驗(yàn)臺(tái)的電氣參數(shù)、各項(xiàng)測(cè)試數(shù)據(jù)、狀態(tài)以及監(jiān)控畫(huà)面等。

2.3 監(jiān)控模塊

試驗(yàn)臺(tái)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行全程監(jiān)控，試驗(yàn)人員能直觀地把握當(dāng)前的測(cè)試狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)突發(fā)情況，提高試驗(yàn)過(guò)程的安全性。監(jiān)控模塊由試驗(yàn)區(qū)域監(jiān)控、工況信息監(jiān)控以及遠(yuǎn)程監(jiān)控三部分組成。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)

為了實(shí)時(shí)把握試驗(yàn)區(qū)域的工作情況，在各工作臺(tái)的關(guān)鍵區(qū)域布置有監(jiān)控探頭，如圖4所示，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線把監(jiān)控視頻傳輸至控制臺(tái)?？刂婆_(tái)顯示屏可以以矩陣方式同時(shí)顯示4個(gè)通道的視頻信息，并可放大任意一個(gè)通道的視頻，如圖5所示?？刂婆_(tái)上還布有工況信息監(jiān)控顯示屏，顯示電源的實(shí)時(shí)信息、當(dāng)前測(cè)試項(xiàng)目的進(jìn)程與及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等，讓操作者能直觀定量地把握當(dāng)前的測(cè)試信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程中的一些突發(fā)情況。遠(yuǎn)程監(jiān)控通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)讓客戶可以隨時(shí)在網(wǎng)絡(luò)上看到電動(dòng)葫蘆的試驗(yàn)情況，保證了試驗(yàn)過(guò)程的客觀公正性。

圖4 監(jiān)視探頭 圖5 監(jiān)視系統(tǒng)

3 主要試驗(yàn)項(xiàng)目的測(cè)試原理

電動(dòng)葫蘆試驗(yàn)的目的是得到準(zhǔn)確的產(chǎn)品性能參數(shù)，這些性能參數(shù)是評(píng)判產(chǎn)品質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，因此需要先進(jìn)、科學(xué)的測(cè)試手段來(lái)保證測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠、穩(wěn)定性。通過(guò)傳感器采集的測(cè)試數(shù)據(jù)和狀態(tài)經(jīng)通信通道反饋給工控機(jī)，在工控機(jī)上完成包括小車運(yùn)行速度、起升速度、制動(dòng)下滑量、噪聲等測(cè)試量的計(jì)算，并顯示于顯示屏上，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)臺(tái)的智能測(cè)試。

3.1 小車速度測(cè)試原理

小車測(cè)速原理如圖6所示，在小車運(yùn)行方向上設(shè)兩組激光對(duì)射裝置，每組對(duì)射裝置均由激光發(fā)射器和激光接收器組成。當(dāng)激光發(fā)射器發(fā)出的一束激光被不透明物遮擋后，接收器就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)。設(shè)兩條光束的距離為d，不透明物依次遮斷的時(shí)間間隔為t，則不透明物的移動(dòng)速度v=d/t。

根據(jù)測(cè)量不確定度傳播律，其方差表達(dá)式為：

(1)

因?yàn)榫嚯xd和時(shí)間間隔t相互獨(dú)立，則靈敏度系數(shù)為1，即cd=1，ct= -1。

由數(shù)學(xué)模型可看出，小車速度測(cè)量結(jié)果與光速距離和間隔時(shí)間有關(guān)，因此，小車速度測(cè)量結(jié)果不確定度的主要來(lái)源包括以下方面。

(1) 由于測(cè)量尺子估讀誤差引入的相對(duì)不確定度分量ud1。

(2) 由于光束光斑的直徑引入的相對(duì)確定度ud2。

(3) 由于測(cè)量時(shí)間間隔引入的相對(duì)不確定度ut。

(2)

光束之間距離設(shè)定為2 m，則相對(duì)不確定度為：

(3)

(4)

光束之間距離設(shè)定為2 m，則相對(duì)不確定度為：

(5)

由于ud1和ud2相互獨(dú)立，則由距離誤差產(chǎn)生的合成不確定度為：

=0.059 5(%)

(6)

由于處理器接收信號(hào)是采用最高級(jí)中斷，每個(gè)指令1 μs，按照最多的指令延時(shí)計(jì)算，從接收信號(hào)到處理計(jì)數(shù)，也要小于5 μs，按照5 μs計(jì)算不確定度。小車移動(dòng)速度最快的電動(dòng)葫蘆為50 m/min，運(yùn)行2 m的時(shí)間為2.4 s，理論上由于時(shí)間誤差產(chǎn)生的相對(duì)不確定度為：

ut=0.000 005/2.4=0.000 2 (%)

(7)

則合成相對(duì)不確定度為：

=0.059 5 (%)

(8)

取擴(kuò)展不確定度系數(shù)k=2，擴(kuò)展不確定度為

U=2×uv=2×0.059 5=0.12 (%)

(9)

由此看出，由于測(cè)量光束之間距離的尺子誤差是速度測(cè)量誤差的主要因素。

3.2 起升速度測(cè)量原理

測(cè)量前先把鐵磁重錘吸附于鐵質(zhì)砝碼上，鐵磁重錘另一端與拉繩傳感器連接，如圖7所示。在電動(dòng)葫蘆的起升過(guò)程中，于時(shí)間t1，取出砝碼高度數(shù)值h1，經(jīng)過(guò)一個(gè)額定的時(shí)間后，于時(shí)間t2，取得砝碼高度數(shù)值h2，起升速度v=(h2-h1)/(t2-t1) 。

高度的數(shù)值來(lái)源于拉繩傳感器，精度0.1%，時(shí)間基準(zhǔn)來(lái)源于PLC內(nèi)部的中斷定時(shí)器，當(dāng)起升過(guò)程中Δt=3 s，由于PLC中斷時(shí)間的誤差總會(huì)小于10 μs，因此時(shí)間基準(zhǔn)誤差小于10/3 000 000，因此速度誤差主要來(lái)自拉繩傳感器，精度為0.1%。

圖6 小車測(cè)速實(shí)物圖 圖7 拉繩傳感器與重錘

3.3 制動(dòng)下滑量測(cè)試原理

制動(dòng)下滑量是指在電動(dòng)葫蘆的下降過(guò)程中，突然斷電，從斷電之時(shí)至完全停止，載荷下滑的距離。制動(dòng)下滑量反應(yīng)了電動(dòng)葫蘆的剎車可靠性，是評(píng)判電動(dòng)葫蘆制動(dòng)性能是重要參數(shù)。在制動(dòng)器制動(dòng)過(guò)程中，電動(dòng)葫蘆的動(dòng)能通過(guò)制動(dòng)輪的摩擦力變成熱能，由于加速度的存在，減速有一個(gè)時(shí)間段。自動(dòng)測(cè)量方法是：在斷電時(shí)，通過(guò)拉繩傳感器立即記錄當(dāng)時(shí)的高度h1，依此時(shí)間為基準(zhǔn)，延時(shí)一段時(shí)間，此時(shí)砝碼由于突然的速度變化引起的震顫已停止，再測(cè)量此時(shí)的高度h2，下滑量=h1-h2。

測(cè)量精度分析：首先將繼電器斷電，繼電器的斷電引起控制電動(dòng)葫蘆交流接觸器的斷電，同時(shí)，繼電器的另外一個(gè)觸點(diǎn)送入PLC一個(gè)信號(hào)，假定繼電器觸點(diǎn)斷開(kāi)的瞬間時(shí)間為零。從繼電器斷電指令發(fā)出到記錄高度值的時(shí)間歷程如圖8所示。

圖8 高度值記錄流程

實(shí)測(cè)交流接觸器線圈斷電后的分?jǐn)鄷r(shí)間小于20 ms，如圖9所示，圖9(c)為11.2 ms，圖9(b)為10.8 ms，圖9(c)為12 ms。

圖9 實(shí)測(cè)交流接觸器線圈斷電后的分?jǐn)鄷r(shí)間

采用誤差最大推算：交流接觸器分?jǐn)鄷r(shí)間-濾波時(shí)間-中斷事件小于15 ms，按照起升速度的不同，由于速度v而引起的下滑量的誤差為v(m/s)×15 (ms)。例如，起升速度為8 m/min的電動(dòng)葫蘆理論測(cè)量誤差為 8/60×1 000×15/1 000=2(mm)。

3.4 噪聲測(cè)量原理

噪聲測(cè)量采用具有數(shù)字輸出接口的AWA5633型聲級(jí)計(jì)，將數(shù)字輸出直接接駁至信號(hào)變送箱，信號(hào)變送箱將聲級(jí)計(jì)測(cè)量值與其他測(cè)量值組合編碼打包，然后傳送到主機(jī)。由于信號(hào)變送箱可同時(shí)接駁6臺(tái)聲級(jí)計(jì)，因此主機(jī)可同時(shí)獲得6臺(tái)聲級(jí)計(jì)的輸出量。

測(cè)量時(shí)以整機(jī)最大外形尺寸為測(cè)距的計(jì)算起點(diǎn)線，測(cè)點(diǎn)位置分別布置在起點(diǎn)線向外擴(kuò)展1 m的平行線上，共5點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)距反射面(墻壁、立柱)和其它物體不小于1 m，距墻角不小于1 m。

測(cè)量時(shí)，用聲級(jí)計(jì)在各測(cè)點(diǎn)上先測(cè)背景噪聲，然后逐步測(cè)起升機(jī)構(gòu)上升和下降的噪聲。測(cè)量時(shí)，脈沖聲峰值除外。當(dāng)測(cè)得值與背景噪聲之差在3～10 dB(A)范圍內(nèi)時(shí)，運(yùn)用軟件，測(cè)試值按表1的參數(shù)自動(dòng)予于修正。

(10)

表1 修正值K1 /dB(A)

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著電動(dòng)葫蘆技術(shù)的高速發(fā)展，高效率、自動(dòng)化、智能化、信息化的檢測(cè)裝備與技術(shù)顯得愈發(fā)重要。具有智能測(cè)控系統(tǒng)的電動(dòng)葫蘆試驗(yàn)臺(tái)正是為適應(yīng)這樣的發(fā)展形勢(shì)而研制(如圖10所示)，試驗(yàn)臺(tái)以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為核心，集成先進(jìn)傳感技術(shù)，配合智能數(shù)字儀表以及智能模塊，組成RS485總線控制系統(tǒng)，提供了人機(jī)交互界面，自動(dòng)完成試驗(yàn)中各種數(shù)據(jù)的測(cè)試與記錄。

圖10 電動(dòng)葫蘆試驗(yàn)臺(tái)

目前試驗(yàn)臺(tái)已經(jīng)正式投入運(yùn)行，能夠覆蓋現(xiàn)有各種主要型式的電動(dòng)葫蘆關(guān)于安全和技術(shù)性能的檢驗(yàn)項(xiàng)目，試驗(yàn)臺(tái)性能穩(wěn)定、測(cè)試數(shù)據(jù)可靠，取得了良好的效果。

[1] 葉振良.淺析鋼絲繩電動(dòng)葫蘆的技術(shù)現(xiàn)狀及前景[J].工業(yè)設(shè)計(jì), 2011(11):109-110.

[2] 宮本智.葫蘆式起重機(jī)[M].天津:天津科學(xué)技術(shù)出版社,2009.

[3] JB/T 9008.1-2004，鋼絲繩電動(dòng)葫蘆第1部分:型式與基本參數(shù)、技術(shù)條件[S].

[4] JB/T 9008.2-2004，鋼絲繩電動(dòng)葫蘆第2部分:試驗(yàn)方法[S].

[5] 馮清秀,葉春宇,湯漾平.基于PC的靜力試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)控制系統(tǒng)[J].機(jī)電工程,2012(3): 311-313.

Development of the Intelligent Control and Measurement System for Electric Hoist Test Rig

LU Zhong-hua1,2

(1.WuxibranchofJiangsuProvinceSpecialEquipmentSafetySupervisionInspectionInstitute,WuxiJiangsu214174,China；2.NationalCenterofSupervisionandInspectiononProductQualityofOverheadGantryCraneMachinery,WuxiJiangsu214174,China)

The electric hoist test rig is special large test equipment used to assess the product comprehensive performance of electric hoist. In order to get real, reliable and stable test data, advanced control and intelligent measurement technology needs to be developed. Through a combination of advanced sensor technology, network technology and automatic control technology, the automatic control and intelligent testing system of the test rig was realized.

electric hoist; test rig; automatic control; intelligence measurement

2013-12-18

國(guó)家質(zhì)檢總局項(xiàng)目科技計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2010QK190);江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院科技項(xiàng)目(編號(hào)：KJ(Y)2011012)

陸忠華(1981-)，男，江蘇海門人，工程師，博士，主要從事機(jī)械CAD、特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)、虛擬仿真等方面的研究工作。

TH813

A

1007-4414(2014)01-0198-04