門式起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

鄭明亮

摘要：中儲(chǔ)碼頭物料堆場(chǎng)吊裝用起重機(jī)為通用門式起重機(jī)，與門座式起重機(jī)、集裝箱岸橋等碼頭起重設(shè)備不同的是，通用門式起重機(jī)一般結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、跨度較小、起重量較小，現(xiàn)場(chǎng)管理人員、操作人員往往會(huì)忽視其安全性帶來的風(fēng)險(xiǎn)。門式起重機(jī)安全監(jiān)控可以將起重量傳感器信號(hào)、大小車運(yùn)行行程開關(guān)、艙門限位、起升極限限位、過載保護(hù)信號(hào)，防碰撞保護(hù)信號(hào)等集中采集監(jiān)視，便于司機(jī)及維護(hù)人員觀察。使用該系統(tǒng)可以快速有效的掌握起重機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、故障狀況等，對(duì)提高門式起重機(jī)的生產(chǎn)安全，具有重要意義。

關(guān)鍵詞：件雜貨碼頭;門式起重機(jī);安全監(jiān)控;西門子s7-200

引言：

中儲(chǔ)碼頭為件雜貨碼頭，主要以螺紋鋼、鋼板、鋼卷、鋼管、H型鋼等黑色金屬為主，碼頭物料堆場(chǎng)起重機(jī)為20T通用門式起重機(jī)，由于起重機(jī)已使用多年存在設(shè)備較為落后、故障率高、超載超限的等問題，影響起重設(shè)備本體安全以及生產(chǎn)作業(yè)安全。

一、起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)的必要性

根據(jù)國(guó)家質(zhì)檢總局通告[1]2020年全國(guó)共發(fā)生特種設(shè)備事故和相關(guān)事故107起，其中起重機(jī)械事故27起，占比達(dá)25.3%，起重機(jī)械事故率占比仍然較高。中儲(chǔ)碼頭屬勞動(dòng)密集型企業(yè)，裝卸作業(yè)主要以起重機(jī)為主，風(fēng)險(xiǎn)性較高，加之作業(yè)人員文化程度普遍較低，安全意識(shí)薄弱，通過安全監(jiān)控系統(tǒng)等技術(shù)手段加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控十分必要。

二、起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

安全監(jiān)控系統(tǒng)重點(diǎn)針對(duì)電氣系統(tǒng)進(jìn)行改造升級(jí)，主要分為稱重超載系統(tǒng)改造、操作及故障顯示、遠(yuǎn)程監(jiān)視等三個(gè)部分。三個(gè)部分的核心關(guān)鍵為稱重超載系統(tǒng)的改造，主要講重量傳感器信號(hào)采集后由重量傳感器變送器將信號(hào)傳送給PLC，為保證信號(hào)穩(wěn)定，中間部分增加信號(hào)隔離器，再對(duì)PLC程序進(jìn)行修改。運(yùn)行監(jiān)視及故障顯示主要將PLC信號(hào)通過通訊端口輸出至觸摸屏，在觸摸屏HMI控制軟件上進(jìn)行工程編譯，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行監(jiān)視功能。遠(yuǎn)程監(jiān)視是將觸摸屏通過以太網(wǎng)設(shè)置連接到外網(wǎng)，通過手機(jī)端APP軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看。

2.2基本要求與功能

2.2.1信息顯示：顯示各機(jī)構(gòu)運(yùn)行準(zhǔn)備條件;各機(jī)構(gòu)操作狀態(tài);各機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài);吊鉤的實(shí)時(shí)重量;各行程限位開關(guān)狀態(tài)和超載狀態(tài);PLC系統(tǒng)輸入輸出信號(hào)、報(bào)警及記錄等。

2.2.2記錄與查詢：對(duì)上述顯示功能中的各信息進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄并可查詢和導(dǎo)出;

2.2.3自檢與停止：系統(tǒng)自身發(fā)生故障時(shí)能報(bào)警提醒，檢出起重機(jī)發(fā)生故障或報(bào)警時(shí)具備停止功能;

2.2.4信息統(tǒng)計(jì)：統(tǒng)計(jì)起重機(jī)的作業(yè)時(shí)間、累計(jì)工作時(shí)間、工作循環(huán)、超載次數(shù)等;

2.2.5遠(yuǎn)程監(jiān)控：可通過手機(jī)APP進(jìn)行遠(yuǎn)程查看各信息顯示。

2.3系統(tǒng)主要硬件組成

2.3.1觸摸屏

配有5組獨(dú)立的串口和一路CAN總線接口，以及一路以太網(wǎng)接口。串口可以連接PLC，經(jīng) PLC 處理過的狀態(tài)信息和報(bào)警信號(hào)顯示在觸摸屏上。網(wǎng)口可以支持以太網(wǎng)協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS TCP協(xié)議以及網(wǎng)口自定義協(xié)議，并可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

2.3.2 可編程控制器

PLC型號(hào)為西門子S7-200可編程控制器，負(fù)責(zé)監(jiān)控系統(tǒng)主要的信息采集、處理和輸出，PLC與觸摸屏通過Modbus-TCP協(xié)議交換數(shù)據(jù)。此外S7-200通過從電氣控制系統(tǒng)各操作和限位對(duì)應(yīng)的接觸器和中繼的輔助觸點(diǎn)取信號(hào)，采集操作指令、門限位、機(jī)構(gòu)聯(lián)鎖、超載信號(hào)、行程限位等信號(hào)。

2.3.3 重量傳感器變送器

重量傳感器變送器為JY-S85型用于采集吊鉤起重量，輸出信號(hào)為4-20mA到PLC，PLC采集信號(hào)后進(jìn)行計(jì)算處理，計(jì)算后的數(shù)據(jù)顯示在觸摸屏上。

三、起重機(jī)安全監(jiān)控PLC程序及HMI遠(yuǎn)控程序

3.1 稱重程序塊

新增起升超載信號(hào)地址M20.0，起升重量傳感器故障地址V200.2，超載報(bào)警輸出地址Q2.7。在主起升空載的情況采集重量傳感器信號(hào)值記錄，該信號(hào)值為零位信號(hào);將主起升滿載的情況下采集重量傳感器信號(hào)值并記錄。根據(jù)空載、滿載兩個(gè)不同的信號(hào)值大小和實(shí)際起重量分析兩者線性關(guān)系，兩者相除計(jì)算出標(biāo)定系數(shù)。程序塊中將采集到的信號(hào)值用轉(zhuǎn)換指令轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)值，該實(shí)數(shù)值通過DIV_R與標(biāo)定系數(shù)計(jì)算得出實(shí)際重量值。程序中對(duì)實(shí)際重量值進(jìn)行判斷處理，重量值小于O或大于額定起重量后報(bào)起升重量傳感器故障，實(shí)際重量值在合理區(qū)間內(nèi)輸出實(shí)際值。考慮到實(shí)際吊裝過程中，因起重量大、速度快，容易由外部機(jī)械振動(dòng)原因造成重量傳感器變送器信號(hào)波動(dòng)，故在程序中增加延時(shí)功能，當(dāng)起重量大于額定起重量80%的時(shí)候進(jìn)行1.5s的延時(shí)判斷，延時(shí)后的起重量實(shí)際值超過額定起重量判定為超載，超載信號(hào)輸出報(bào)警，主起升程序停止運(yùn)行。

3.2 報(bào)警及信號(hào)輸出程序塊。

將原有程序中總接觸器吸合、小車前進(jìn)后退減速和停止限位、大車停止限位、大車錨定限位、大車防撞限位、大車熱繼電器、變頻器故障等信號(hào)輸出至觸摸屏顯示故障報(bào)警。另新增起重量超載，主起升過流繼電器、主起升重量傳感器等信號(hào)輸出至觸摸屏顯示故障報(bào)警。

3.3 HMI遠(yuǎn)控程序

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要，在HMI程序中添加主畫面、起升機(jī)構(gòu)、大車行走、小車行走、PLC系統(tǒng)、故障報(bào)警等六個(gè)監(jiān)視模塊。主畫面中有重量顯示、總電源接觸器吸合、起升超載報(bào)警信號(hào)、起升機(jī)構(gòu)零位條件、小車行走零位條件、大車行走零位條件、上升下降檔位、前進(jìn)后退檔位、左右行走檔位等，可以直觀反映起重機(jī)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。在每個(gè)分項(xiàng)監(jiān)視模塊中接入有主令手柄、接觸器輸出狀態(tài)、限位信號(hào)、保護(hù)限位、PLC輸入輸出等信號(hào)。故障報(bào)警模塊則可以采集出PLC程序中所有的故障輸出信號(hào)。整個(gè)HMI遠(yuǎn)控程序通過RS485通訊端口與西門子s7-200 PLC連接。進(jìn)入程序中HMI以太網(wǎng)設(shè)置進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，設(shè)定訪問ip地址并選定遠(yuǎn)程訪問服務(wù)器地址。

四、起重機(jī)安全監(jiān)控的安裝與調(diào)試

4.1 機(jī)械及電氣安裝

將重量傳感器變送器、觸摸屏、電源模塊、信號(hào)隔離器等硬件設(shè)備安裝到位，所有硬件安裝加固牢靠。根據(jù)新增重量傳感器變松器、PLC輸入輸出點(diǎn)、觸摸屏、電源模塊、信號(hào)隔離器等按圖紙說明要求進(jìn)行接線，無線槽的地方套金屬軟管。通信電纜采用屏蔽雙絞線，以增強(qiáng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電磁波抗干擾作用，必要時(shí)可套金屬管并確保金屬管可靠接地。

4.2 系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試

4.2.1系統(tǒng)調(diào)試及參數(shù)值校正

經(jīng)檢查確認(rèn)設(shè)備及接線無誤后進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試及參數(shù)值校正。接好傳感器和供電電源后，通過調(diào)節(jié)傳感器變送器RV5從而調(diào)節(jié)變送器給傳感器提供的激勵(lì)電壓。激勵(lì)調(diào)整好后進(jìn)行零點(diǎn)標(biāo)定，將傳感器處于空載狀態(tài)，調(diào)節(jié)電壓零點(diǎn)電位器RV1，用萬用表測(cè)量電壓值，盡可能接近零點(diǎn)示值;繼續(xù)調(diào)節(jié)電流零點(diǎn)電位器RV3，用萬用表測(cè)量輸出電流，盡可能接近4mA，零點(diǎn)標(biāo)定完成后查看PLC中的數(shù)據(jù)采集值并記錄。

將傳感器進(jìn)行滿載至20T，根據(jù)輸出電壓值調(diào)整滿載電壓點(diǎn)位器RV2，再根據(jù)輸出電流值調(diào)整滿載電流電位器RV4至20mA。進(jìn)入PLC根據(jù)滿載時(shí)的數(shù)據(jù)采集值和零點(diǎn)標(biāo)定時(shí)的采集值進(jìn)行比較，計(jì)算出標(biāo)定系數(shù)，重新將標(biāo)定后的系數(shù)寫入PLC程序，即完成起重量參數(shù)的校正。 ? 4.2.2系統(tǒng)試運(yùn)行

無打開HMI手機(jī)APP程序，對(duì)照觸摸屏顯示進(jìn)行系統(tǒng)試運(yùn)行。負(fù)載空鉤起升時(shí)，起重量顯示0，滿載起吊時(shí)，穩(wěn)定鉤頭10s，顯示起重量為20t。為驗(yàn)證超載報(bào)警輸出功能是否正常，模擬超重狀態(tài)下起吊，重物起升但未離開地面，此時(shí)顯示起重量為21.2t主起升超載報(bào)警，主起升程序停止，其他監(jiān)視功能均可正常。

五、結(jié)語(yǔ)

起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)在門式起重機(jī)上的應(yīng)用實(shí)踐表明，其的確可以在提高作業(yè)效率、減少超載超限吊裝、縮短故障排查時(shí)間、確保作業(yè)安全等方面發(fā)揮重要作用。如何將起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)與大數(shù)據(jù)、人工智能、自動(dòng)化裝卸相結(jié)合將是未來發(fā)展的重要議題，一方面可以通過學(xué)習(xí)國(guó)內(nèi)同行業(yè)先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步探索不同貨物的智能裝卸方法;另一方面也可以積極引入科技公司先進(jìn)技術(shù)，提供更優(yōu)的智能化解決方案。