基于激光測距儀的起重機檢驗裝置

吳 瑜

河南省特種設(shè)備安全檢測研究院 鄭州 450000

0 引言

TSG Q7002—2019《起重機型式試驗規(guī)則》規(guī)定了起重機檢驗的方法，其中明確了在型式試驗過程中要對起重機運行過程中的各項電參數(shù)，起升機構(gòu)的起升、下降速度，大小車運行機構(gòu)的運行速度以及主梁的撓度等參數(shù)進行測量，且需要按照工作制進行動載試驗。同時，隨著節(jié)能環(huán)保、碳中和等一系列政策的提出，對起重機能效方面的考核越加重要，對此國家出臺了一系列的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)有的檢驗檢測手段大多數(shù)還停留在采用卷尺、秒表、鉗形表等工具對起重機進行測量。在進行動載試驗的過程中，基本都是依靠人為操作來控制起重機運行，很難嚴(yán)格按照工作制要求的時間流程，對于能效測試沒有有效的方式。鑒于這種現(xiàn)狀，如果能有一款便攜式的、可與起重機控制電路連接來實現(xiàn)對起重機進行自動化控制，且在其運行過程中對相關(guān)參數(shù)進行測量的檢測裝置，將大大提高起重機檢驗手段的自動化和智能化。

1 系統(tǒng)原理

1.1 速度測量方案設(shè)計

現(xiàn)有的測量方式一般是利用卷尺測量出一段運行距離的長度，然后利用秒表記錄某一運行機構(gòu)通過這段距離所用的時間，從而計算該運行機構(gòu)的運行速度。這種方式有明顯的缺點：1）起重機相應(yīng)運行機構(gòu)通過測量路段的起點和終點的判定依靠人為斷定，且手動啟動或停止秒表計時必然造成較大的測量誤差；2）只能測量起重機通過規(guī)定運行區(qū)域的平均速度，無法有效采集起重機運行過程中的瞬時速度；3）在測量起升速度時很難找到一段運行距離的有效參考物，且該參考物還要能為檢驗人員安全，便捷的觀測到。

一般的起重機起升速度為0 ～10 m/min，啟動時間一般不超過3 s。運行速度為10 ～20 m/min，啟動時間不超過2 s。以起重機常見的運行速度20 m/min 為例，啟動時間如果為2 s，則其加速度為0.17 m/s2，傳統(tǒng)的串口通訊速率一般在100 ms 以上，如果采用這種方案會使測量誤差始終為厘米級。同時，由于起重機檢驗現(xiàn)場往往條件惡劣，存在較多電磁干擾情況，嚴(yán)重影響了通訊質(zhì)量。

針對以上在起重機檢驗現(xiàn)場存在的種種問題，提出本測量系統(tǒng)中關(guān)于起重機各機構(gòu)運行速度的測量方案。系統(tǒng)采用激光測距儀對起重機運行機構(gòu)或是載荷的位置變化進行實時跟蹤測量，采用I/O-Link 通訊構(gòu)建點對點的測量系統(tǒng)，通訊協(xié)議選用過程數(shù)據(jù)(PD)模式，即服務(wù)數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)幀的形式循環(huán)傳輸，每一幀的數(shù)據(jù)長度不超過2 字節(jié)，循環(huán)時間不超過2 ms。

1.2 電參數(shù)測量方案設(shè)計

當(dāng)前起重機檢驗過程中電參數(shù)的測量一般只能依靠檢驗人員用萬用表和鉗形表等基本儀表進行手動測量。在起重機運行過程中檢驗員手持儀表對電路進行測量十分危險。且這些儀表往往不具備記錄功能，很難將起重機運行過程中的各項電參數(shù)有效記錄下來，后續(xù)對其進行有效分析。針對這些問題，本系統(tǒng)電參數(shù)的采集方案設(shè)計以特制的電參數(shù)表為測量核心，搭建測量電路。

起重機的各機構(gòu)在運行過程中電參數(shù)較為穩(wěn)定，測量難度不大。重點在如何測量起重機各機構(gòu)啟動特性。為了較好地捕捉各機構(gòu)的啟動過程，電參數(shù)表的信號采集采用快速采集卡，采集數(shù)據(jù)的速率為1 024 個/s。采集卡的信號通道分別為4 路電壓信號采集和8 路電流采集。

1.3 系統(tǒng)硬件組成

試驗裝置系統(tǒng)由PLC 為控制核心，觸摸屏為人機界面，通過激光測距和電參數(shù)表完成對起重機的測量，通過I/O 模塊以及外圍電路實現(xiàn)對起重機起升、運行動作的控制，系統(tǒng)原理如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件原理

PLC 主要負責(zé)接受觸摸屏發(fā)出的指令，控制被測起重機完成相應(yīng)的試驗流程。其中，CPU 模塊主要負責(zé)邏輯程序的儲存與運算，接收來自通訊模塊與I/O 模塊的指令信息與狀態(tài)反饋。通訊模塊主要負責(zé)與觸摸屏進行實時通訊。I/O 模塊負責(zé)接收外圍信號的變化，傳遞給CPU，并執(zhí)行CPU 的指令，輸出數(shù)字量信號，控制起重機進行相應(yīng)的動作。

觸摸屏作為人機界面，負責(zé)指令的發(fā)出，數(shù)據(jù)的采集、運算、處理、儲存和查詢。并對起重機的實時運行狀態(tài)進行監(jiān)控，系統(tǒng)故障報警。

2 軟件編制

2.1 軟件結(jié)構(gòu)

試驗裝置軟件采用fameview 進行編制，軟件畫面結(jié)構(gòu)如圖2 所示。用戶啟動軟件后進入開始畫面，點擊任意鍵進入樣機參數(shù)設(shè)置，在這里可填寫包括樣機規(guī)格型號、樣機編號、起升速度、運行速度、跨度、工作制，試驗人員、試驗日期等信息。樣機參數(shù)設(shè)置好后，用戶可根據(jù)需求進入相應(yīng)的檢驗項目。其中速度測量包括起升速度、大車運行速度、小車運行速度等3 種測量模式。用戶還可進入能效測試頁面或是動載試驗頁面進行相應(yīng)試驗，系統(tǒng)會根據(jù)用戶填寫的樣機相關(guān)信息自動控制起重機起升機構(gòu)按照相應(yīng)工作制進行起升和下降，并在這個過程中記錄起重機的各項參數(shù)。

圖2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

2.2 激光測距儀通訊規(guī)約設(shè)計

激光測距儀采用I/O-Link 通訊規(guī)約與PLC 進行點對點通訊，通訊數(shù)據(jù)位定義如圖3 所示。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，每個字節(jié)由單獨的UART 幀裝載，采用半雙工模式傳輸。激光測距儀傳遞的數(shù)據(jù)為模擬量，被以8 位的2 進制數(shù)表示。為了嚴(yán)格保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_，通訊協(xié)議規(guī)定作為系統(tǒng)主站的PLC 需重復(fù)向作為從站的激光測距儀發(fā)送2 次請求。如果檢測到第二次數(shù)據(jù)格式不合法，主站PLC 停止通訊，并向系統(tǒng)發(fā)送報告。系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)報錯報告數(shù)量評估數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。

圖3 激光測距儀通訊規(guī)約

2.3 電參數(shù)表通訊規(guī)約設(shè)計

由于系統(tǒng)對電參數(shù)測量的要求較高，電參數(shù)表在經(jīng)過快速采集卡將電壓、電流信號和相位差等信號采集后通過濾波和信號放大，由其內(nèi)部的單片機對信號進行運算，得到功率與電能。為了準(zhǔn)確測量各機構(gòu)整個運行過程中（啟動-運行-制動）的電能消耗，系統(tǒng)對電能的計算摒棄了傳統(tǒng)的功率乘以時間的計算方式，以秒為單位對每秒采集的1 024 個功率數(shù)據(jù)進行積分計算。

電參數(shù)表與計算機之間的通訊采用串口通訊，通訊協(xié)議為RS485，通訊速率為38 400 symbol/s。由于串口通訊無法滿足將測量數(shù)據(jù)實時傳輸給計算機的要求，故電參數(shù)表與計算機的通訊采用服務(wù)式通訊。即計算機通過向電參數(shù)表發(fā)送命令字，控制電參數(shù)表開始、結(jié)束記錄測量數(shù)據(jù)，將其寫入相應(yīng)地址的寄存器，并傳遞給計算機。

3 主要功能

3.1 試驗對象

試驗裝置主要用于對通用橋門式起重機的檢驗，被試對象的主要參數(shù)為：額定起重量0 ～100 t、電機功率0.55 ～30 kW、起升速度2 ～20 m/min、運行速度2 ～20 m/min、有效行程高度0 ～30 m。

3.2 試驗項目

1）起升速度測量 測量行程不小于1 m，當(dāng)起升超過0.5 m，啟動測量。

2）小車運行速度測量 測量行程不小于2 m，當(dāng)運行超過0.5 m，啟動測量。

3）大車運行速度測量 測量行程不小于2 m，當(dāng)運行超過0.5 m，啟動測量。

以上測量時間可人為根據(jù)運行行程測定，連測4 次，取平均值。

4）撓度測量 將激光測距儀放置在主梁正下方，對準(zhǔn)主梁跨中，手動測量。

5）能效測量 在額定電壓、額定頻率和試驗載荷為額定載荷條件下，控制起重機起升機構(gòu)按照相應(yīng)的循環(huán)周期（M1 ～M8）進行連續(xù)運轉(zhuǎn)，測量10 個循環(huán)周期的供給能之和與有效能之和，再計算能效。

6）動載試驗 在額定電壓、額定頻率和試驗載荷為1.1 倍額定載荷條件下，控制起重機按照相應(yīng)的循環(huán)周期（M1 ～M8）進行連續(xù)運轉(zhuǎn)，根據(jù)不同的試驗項目，選擇測量時間或試驗次數(shù)。

4 應(yīng)用實例分析

4.1 參數(shù)設(shè)置

操作界面如圖4、圖5 所示，進入樣機參數(shù)界面，將樣機參數(shù)輸入完整后，進入相應(yīng)的試驗界面，在試驗界面上會顯示樣機的相關(guān)信息。如在動載試驗頁面下，會顯示當(dāng)前工作制下，樣機起升與下降時間曲線。在屏幕下方會有相應(yīng)的操作按鍵，用戶可通過按鍵控制起重機進行相應(yīng)動作來調(diào)整各機構(gòu)的位置。所有機構(gòu)的位置調(diào)整好后，用戶點擊開始按鈕，系統(tǒng)會自動控制起重機按照流程進行動作，并在這個過程中完成對各個參數(shù)的測量。測量數(shù)據(jù)在屏幕相應(yīng)位置顯示，試驗完成后用戶可根據(jù)需要將數(shù)據(jù)儲存進數(shù)據(jù)庫，并打印成報表。試驗中如遇到突發(fā)情況，用戶可以點擊停止按鈕終止試驗。

圖4 樣機參數(shù)

圖5 能效試驗

為了滿足用戶的需求，系統(tǒng)除了設(shè)置M1 ～M8 工作制外，還設(shè)置了M9 工作制，專門針對用戶的需求自定義各個動作的時間，如圖6 所示。

圖6 動載試驗

4.2 速度測量

速度測量分為起升速度、大小車運行速度測量3 個子界面。在3 個子界面下對各個機構(gòu)的運行速度進行測量，并將數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)的采用卷尺和秒表方式測量得到的速度數(shù)據(jù)進行對比，表1 列舉了以5 t 懸掛單梁、16 t懸掛單梁和32 t 通橋為樣機進行試驗的數(shù)據(jù)對比。具體的試驗方法為：對起升速度、大小車運行速度分別采用2 種方法進行測量。為了描述方便，將本文描述的采用激光測距儀的測量方法作為試驗組，將采用卷尺、秒表的測量方法作為對照組

表1 速度測試數(shù)據(jù)對比 m·min-1

從表1 列舉的3 組對比試驗數(shù)據(jù)可以看出，試驗組數(shù)據(jù)的離散程度遠小于對照組，證明試驗組采用的測量方法具有更高的重復(fù)精度，且這種優(yōu)勢在測量運行速度較快的機構(gòu)時更為明顯。

因為摒棄了采用卷尺和秒表測量速度需有一段測量行程的限制，激光測距儀具有可實時采集被測機構(gòu)位置變化的特點，所以系統(tǒng)測量的是各運行機構(gòu)的瞬時運行速度，故還可利用速度數(shù)據(jù)繪制各機構(gòu)的運行特性曲線。圖7 為16 t 懸掛單梁起升速度數(shù)據(jù)的速度特性曲線。

圖7 速度特性曲線

4.3 電參數(shù)測量

采用高速采集卡使電參數(shù)表對電參數(shù)變化的捕捉能力比一般的儀表靈敏，使系統(tǒng)可完整地記錄各運行機構(gòu)在啟動過程中的各項電參數(shù)變化，也能監(jiān)測各運行機構(gòu)在運行過程中的異常波動，從而為分析起重機的運行狀態(tài)提供了數(shù)據(jù)支持。表2 為以5 t 懸掛單梁為樣機的對比試驗數(shù)據(jù)，將本文所述電參數(shù)表為測量方法設(shè)為試驗組，將傳統(tǒng)的功率儀為測量方法設(shè)為對照組。起重機起升機構(gòu)由靜止到起升一段距離后再停止，測量整個過程的電參數(shù)變化。

試驗組電參數(shù)表采集數(shù)據(jù)量大，表中只節(jié)選了部分數(shù)據(jù)。由于對照組采用的功率測試儀數(shù)據(jù)傳輸速度慢，所以選擇數(shù)據(jù)的方法是將對照組采集到的數(shù)據(jù)全部采用，試驗組的數(shù)據(jù)只采用與對照組數(shù)據(jù)具有相同時間戳的數(shù)據(jù)。試驗組數(shù)據(jù)中供給能為對功率進行積分求得。從表2 列舉的對比試驗數(shù)據(jù)可以看出，試驗組記錄了起升機構(gòu)啟動和停止過程中的電參數(shù)變化，由于對照組采用了傳統(tǒng)的功率測試儀，通訊速率一般在100 ms 以上，很難采集到啟動和停止過程中的電參數(shù)變化。從數(shù)據(jù)上還可以看出，試驗組測量的供給能高于對照組測量出的供給能，其原因主要有兩點：一是因為對照組的供給能是功率乘以時間求得，這使得在起重機起升過程中的電參數(shù)變化沒有被系統(tǒng)詳細記錄，能量消耗積少成多，造成了對照組供給能數(shù)據(jù)逐漸偏小。二是由于這種算法忽略了啟動和制動過程的能量耗損，而這個過程消耗的供給能要高于起升機構(gòu)正常運轉(zhuǎn)時消耗的供給能，造成了對照組供給能測試數(shù)據(jù)偏小。

表2 5 t 懸掛單梁電參數(shù)測試數(shù)據(jù)對比

5 結(jié)語

基于激光測距儀的起重機檢驗裝置操作簡單，系統(tǒng)主要按照規(guī)定運轉(zhuǎn)方式，可自動控制起重機起升、下降與大小車運行。該裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、便于攜帶、易于安裝等優(yōu)點，可非常簡單便捷地對接大部分常規(guī)起重機的控制電路。

基于激光測距儀的起重機檢驗裝置對起重機各項參數(shù)的測量方法完全符合TSG Q7002—2019《起重機械型式試驗規(guī)則》、GB/T 30222—2013《起重機械用電力驅(qū)動起升機構(gòu)能效測試方法》等國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。為起重機檢驗人員現(xiàn)場從事法定的檢驗工作提供了有力保證。

基于激光測距儀的起重機檢驗裝置采用的速度測量方式極大地提高了速度測量的自動化程度，避免了人為操作過程中引入的各種測量誤差，有效提高了測量精度，且實現(xiàn)了對起重機各運行機構(gòu)實時速度變化的監(jiān)測。系統(tǒng)實現(xiàn)了對電參數(shù)的高速采集，使檢驗人員對分析起重機各機構(gòu)在啟動、運行和制動過程中的電參數(shù)變化特性提供了數(shù)據(jù)支撐。同時，系統(tǒng)在測量供給能時，利用采集速度快的特點，將采集到的電參數(shù)數(shù)據(jù)進行了積分處理，使得供給能的測量比傳統(tǒng)功率測試儀測量的數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確。

基于激光測距儀的起重機檢驗裝置填補了國內(nèi)起重機現(xiàn)場檢驗工作缺少自動化檢驗設(shè)備的空白，利用激光測距儀可以不接觸被測物體便能測量距離、速度等參數(shù)的優(yōu)點，避免了傳統(tǒng)測量方法誤差大，操作麻煩的弊端。