姜鈞，郭亞蘭

(1.華電鄭州機(jī)械設(shè)計研究院有限公司，鄭州　450015； 2.國電滎陽煤電一體化有限公司，河南 滎陽　450100)

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門式起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的改造設(shè)計

姜鈞1，郭亞蘭2

(1.華電鄭州機(jī)械設(shè)計研究院有限公司，鄭州450015； 2.國電滎陽煤電一體化有限公司，河南 滎陽450100)

摘要：為達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，對已經(jīng)投入使用的門式起重機(jī)進(jìn)行改造，分析了系統(tǒng)構(gòu)架，并介紹了各種數(shù)據(jù)的采集方式，以原有可編程邏輯控制器系統(tǒng)框架為基礎(chǔ)，適當(dāng)擴(kuò)展硬件，在保證不影響原系統(tǒng)正常運行的基礎(chǔ)上，使整個設(shè)備的監(jiān)控參數(shù)更加完善。對實際改造工程實施驗證，證明該改造設(shè)計性能穩(wěn)定，實現(xiàn)便捷，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

關(guān)鍵詞：起重機(jī)；安全監(jiān)控；可編程邏輯控制器；改造；門式起重機(jī)

0引言

隨著國家對安全生產(chǎn)的重視，大型起重機(jī)械設(shè)備的安全操作也受到越來越多的重視[1-3]。國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局和國家安全生產(chǎn)監(jiān)管總局在全國多地開展了大型起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)前期示范試點工作，并組織國內(nèi)相關(guān)專家起草了《起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》國家標(biāo)準(zhǔn)。隨著國家對起重機(jī)安全生產(chǎn)監(jiān)管力度的加大，全國各地特種設(shè)備檢測研究院開始嚴(yán)格執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)，從2013年開始，已經(jīng)陸續(xù)在各地大型起重機(jī)械上安裝安全監(jiān)控管理系統(tǒng)。大型門式起重機(jī)(以下簡稱門機(jī))作為眾多形式起重機(jī)中的一種，一旦發(fā)生安全事故，可能會造成巨大的人身傷亡事故和公共財產(chǎn)損失，因而必須對已投入使用的老式門機(jī)嚴(yán)格按照國標(biāo)要求進(jìn)行改造，杜絕安全隱患。

1系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計

門機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)可分為2部分，一部分是對設(shè)備狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)控，另一部分是對重點區(qū)域視頻畫面的監(jiān)控[4-6]。

參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)通過可編程邏輯控制器(PLC)進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)參數(shù)的采集與計算，并將結(jié)果通過以太網(wǎng)傳給上位機(jī)，上位機(jī)通過多個界面顯示設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)。PLC獲取狀態(tài)參數(shù)有3種途徑：第1種是通過開關(guān)量輸入模塊直接采集參數(shù)，第2種是通過PROFIBUS DP現(xiàn)場總線從設(shè)備采集參數(shù)，第3種是通過PROFIBUS DP總線通信從現(xiàn)有的電氣控制系統(tǒng)獲取參數(shù)。參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

圖1　狀態(tài)參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架

視頻監(jiān)控系統(tǒng)需要在重要位置布置6個攝像頭，2個攝像頭用來監(jiān)視大車行程，2個攝像頭分別用來監(jiān)視主起升區(qū)域和回轉(zhuǎn)吊機(jī)的吊點區(qū)域，2個攝像頭分別用來監(jiān)視主機(jī)房和回轉(zhuǎn)吊機(jī)機(jī)房內(nèi)的情況。視頻數(shù)據(jù)通過網(wǎng)線經(jīng)交換機(jī)后存儲在硬盤錄像機(jī)上，硬盤錄像機(jī)里面的圖像數(shù)據(jù)通過放置在司機(jī)室的顯示器顯示。

2系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)的獲取

2.1起重量的獲取

改造前已安裝荷重檢測裝置并正常使用的系統(tǒng)，改造時只需從原有電氣控制系統(tǒng)的PLC中通過通信手段讀出起重量即可；改造前無荷重檢測裝置或已損壞的系統(tǒng)，需在主起升和回轉(zhuǎn)吊機(jī)安裝2套荷重檢測裝置，然后將測量值輸入S7-1200 PLC的模擬量輸入模塊。

2.2起升高度/下降深度的獲取

獲取該參數(shù)的比較通用和簡便的方式是在主起升卷筒和副起升卷筒端部設(shè)置絕對值編碼器，通過編碼器計數(shù)的卷筒圈數(shù)、卷筒直徑及其他參數(shù)計算出起升高度和下降深度。如改造前原系統(tǒng)已經(jīng)獲取了起升高度和下降深度，則不用添加新設(shè)備，直接從改造前系統(tǒng)的PLC中讀取參數(shù)。

2.3運行行程的獲取

改造前的系統(tǒng)如果沒有設(shè)置監(jiān)測運行行程參數(shù)的措施，則需要增添設(shè)備。有2種比較簡便的方法來實現(xiàn)：一種是在設(shè)備大車、小車的輪子部位或驅(qū)動電機(jī)軸上裝設(shè)絕對值編碼器，通過編碼器計數(shù)的輪子圈數(shù)和其他機(jī)械參數(shù)計算出相應(yīng)的運行行程，另一種是在大車和小車端部裝設(shè)激光測距儀，向大車和小車軌道的止擋器發(fā)射激光，通過激光測距儀的實時測量獲取運行行程。

2.4軌道運行機(jī)構(gòu)安全距離的獲取

同一或不同一軌道運行機(jī)構(gòu)安全距離的獲取采用短量程的激光測距儀來實現(xiàn)，將激光測距儀安裝在需改造的設(shè)備上，將反射板安裝在可能與之發(fā)生碰撞的設(shè)備上，然后將測量值以電流信號的形式傳給S7-1200 PLC的模擬量輸入模塊。

2.5操作指令的獲取

設(shè)備操作指令需要獲取每個機(jī)構(gòu)每個擋位的信息，一種方法是從主令控制器的觸點上重新再引硬接線到S7-1200 PLC，另一種方法是利用原PLC已采集的主令控制器的信息，所以比較簡便的方法是采取通信的方式從原有PLC中獲取得到。

2.6風(fēng)速的獲取

如果原有系統(tǒng)沒有風(fēng)速儀表頭或風(fēng)速儀表頭沒有模擬量輸出端子，則需要加1個風(fēng)速儀表頭，將模擬量端子信號引入S7-1200 PLC，然后在上位機(jī)界面上顯示。如果電氣控制系統(tǒng)PLC接入了風(fēng)速傳感器的模擬量信號，也可通過通信獲取風(fēng)速的數(shù)值，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后在上位機(jī)界面上顯示。

2.7制動器狀態(tài)的獲取

該參數(shù)的獲取需要在制動器合適位置設(shè)置限位開關(guān)，使制動器抱閘動作時能碰到限位開關(guān)，并將開關(guān)量信號接入S7-1200 PLC的開關(guān)量輸入模塊。

2.8聯(lián)鎖保護(hù)的獲取

聯(lián)鎖保護(hù)包括門限位和機(jī)構(gòu)之間的運行聯(lián)鎖。門限位的獲取需要在適當(dāng)?shù)奈恢醚b設(shè)安全門和限位開關(guān)，并將限位開關(guān)的信號引入PLC。機(jī)構(gòu)之間的聯(lián)鎖信號需要將原電氣系統(tǒng)中設(shè)備各機(jī)構(gòu)的運行狀態(tài)信息傳送到新系統(tǒng)的PLC。

2.9抗風(fēng)防滑裝置狀態(tài)的獲取

門機(jī)設(shè)置有夾軌器或夾輪器等抗風(fēng)防滑裝置，該裝置在工作和非工作狀態(tài)時會觸碰到相應(yīng)的限位開關(guān)。改造需要將限位開關(guān)的信號引入到PLC的開關(guān)量輸入模塊。

2.10供電電纜卷筒安全限位狀態(tài)的獲取

如果門機(jī)電纜卷筒設(shè)置有安全限位，則該限位信號需要接入PLC，可以從限位開關(guān)上硬接線引入，也可從原電氣控制系統(tǒng)中以通信的方式獲取。

2.11超速保護(hù)裝置狀態(tài)的獲取

門機(jī)的起升機(jī)構(gòu)都需要配置超速保護(hù)開關(guān)，該信號需要以硬接線的方式接入系統(tǒng)PLC的開關(guān)量輸入模塊。

2.12偏斜限位器狀態(tài)的獲取

對于跨度超過30 m的門機(jī)來說，需要加裝偏斜限位器，并取硬接線信號送入S7-1200 PLC。

2.13工作循環(huán)次數(shù)的獲取

工作循環(huán)是指起重機(jī)從起吊一個物品起，到能開始起吊下一個物品止，包括起重機(jī)運行及正常停歇在內(nèi)的一個完整過程。該參數(shù)需要人工選擇需要監(jiān)控的百分比起重量，最后由PLC計算在選定起重量下完成工作循環(huán)的次數(shù)，然后在上位機(jī)界面上顯示。

2.14工作時間的獲取

每個工作狀態(tài)所對應(yīng)的具體時間，即為記錄1個工作狀態(tài)的時鐘時間(年/月/日/時/分/秒)。每個工作狀態(tài)的改變會產(chǎn)生1個消息觸發(fā)，消息記錄狀態(tài)改變發(fā)生的時刻和工作狀態(tài)的各種參數(shù)。該操作由上位機(jī)軟件實現(xiàn)。

2.15累計工作時間的獲取

累計工作時間是已完成的工作循環(huán)的時間總和。該變量由PLC將選定起重量的工作循環(huán)時間進(jìn)行累加，然后將結(jié)果傳送到上位機(jī)界面進(jìn)行顯示。

3工程的改造實施

3.1軟、硬件選型及安裝

某電廠上位機(jī)組態(tài)軟件選用國產(chǎn)軟件易控，該軟件功能強(qiáng)大，畫面友好，組態(tài)便捷，成本也較低。

PLC選擇西門子S7-1200系列，其使用靈活，功能強(qiáng)大，設(shè)計緊湊，組態(tài)靈活且具有功能強(qiáng)大的指令集。中央處理器(CPU)提供1個PROFINET 端口用于通過PROFINET 網(wǎng)絡(luò)通信，還可使用附加模塊通過PROFIBUS，GPRS，RS485 或RS232 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。

上位機(jī)選擇國內(nèi)知名品牌的工業(yè)一體機(jī)，屏幕帶觸摸功能，滿足現(xiàn)場司機(jī)操作的便捷性。

由于門機(jī)軌道存在其他設(shè)備，故需要測量同一軌道運行機(jī)構(gòu)安全距離，設(shè)有防碰撞報警。激光測距儀安裝如圖2所示。

攝像頭選用浙江大華技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的200萬像素球機(jī)，采用專用立桿和壁裝支架安裝于需監(jiān)視部位，如圖3所示。

3.2PLC程序的插入

該電廠門機(jī)的原PLC程序已是一套完整的程序，PLC選用S7-300系列。新加入的PLC和程序不能破壞原系統(tǒng)的已有功能，同時還要保持新加入部分正常工作。主要步驟如下。

(1)用編程電纜連接原系統(tǒng)的CPU，將站點上傳到本地電腦，對原系統(tǒng)PLC程序做好備份。

(2)從原PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的某一節(jié)點處斷開，通過CM1242-5將S7-1200 PLC作為原PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)中的從站，將新加部分通過西門子專用總線電纜接入斷開部分，并設(shè)置好終端電阻狀態(tài)。

圖2　激光測距儀安裝現(xiàn)場

圖3　小車端部攝像頭安裝現(xiàn)場

(3)用編程電纜連接編程電腦和原PLC的CPU，在Step 7中打開原程序的硬件組態(tài)，添加S7-1200 PLC從站電子設(shè)備數(shù)據(jù)庫文件(GSD)，并添加新的功能模塊，并在功能模塊中添加程序，將有用的部分狀態(tài)信息送到從站輸出端口，再下載修改后的S7-300 PLC中的程序。

(4)用網(wǎng)線連接編程電腦和S7-1200 PLC，在博途軟件中通過智能傳輸區(qū)獲取S7-300 PLC送過來的數(shù)據(jù)，并把所有要用的狀態(tài)位送入地址連續(xù)的數(shù)據(jù)塊中，方便組態(tài)軟件中變量地址的對應(yīng)。

(5)在上位機(jī)中安裝組態(tài)軟件易控，在易控中組態(tài)界面上設(shè)置變量連接，并設(shè)置與S7-1200 PLC的通信方式。

(6)整機(jī)上電調(diào)試，先調(diào)S7-1200 PLC的程序，再調(diào)易控組態(tài)界面。

4驗收試驗

改造結(jié)果由門機(jī)使用單位、當(dāng)?shù)靥胤N設(shè)備檢測研究院的相關(guān)人員一起進(jìn)行驗收，通過比較門機(jī)各機(jī)構(gòu)的實際運行狀況和測量結(jié)果可知，各條監(jiān)控數(shù)據(jù)都滿足國標(biāo)的要求。

5結(jié)束語

針對國家新標(biāo)準(zhǔn)提出的針對起重機(jī)安全生產(chǎn)監(jiān)控的要求，研究了對已有門機(jī)的改造方案，并通過實際工程驗證了方案的可行性。

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(本文責(zé)編：弋洋)

收稿日期:2016-04-12；修回日期:2016-05-08

中圖分類號：TP 23

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1674-1951(2016)05-0038-03

作者簡介：

姜鈞(1985—)，男，湖北隨州人，工程師，工學(xué)碩士，從事電氣二次設(shè)計方面的工作(E-mail:jiangjun@hdmdi.com)。

郭亞蘭(1984—)，女，河北保定人，工程師，從事火電廠熱工方面的工作(E-mail:287442924@qq.com)。