孫 子 阿 伍， 郎 偉 濤

(中電建成都建筑工業(yè)化有限責(zé)任公司，四川 成都 610400)

1 概 述

橋式起重機多用于對工礦、鋼鐵、化工企業(yè)以及鐵路交通、港口碼頭等，為負荷以高重量為主的物料在特定空間范圍內(nèi)的物料周轉(zhuǎn)。橋式起重機是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和起重運輸中實現(xiàn)生產(chǎn)過程機械化、自動化的重要工具和設(shè)備。“橋式起重機的橋架沿鋪設(shè)在兩側(cè)高架上的軌道縱向運行，起重小車沿鋪設(shè)在橋架上的軌道橫向運行，構(gòu)成一矩形的工作范圍?！盵1]

筆者以用于中電建成都建筑工業(yè)化產(chǎn)業(yè)基地PC車間內(nèi)物流周轉(zhuǎn)的橋式起重機為例進行了分析與介紹，該基地占地面積28 000 m2，共計投入13臺橋式起重機，分為5跨，每跨寬20 m，長200 m。每臺橋機的載重為10 t，該車間橋式起重機的使用主要靠人工控制，待其行進到指定地點、隨后進行物料的移位操作。由于橋式起重機的使用需要較大的空間范圍，故其位置較高，設(shè)備巡視時不免存在高空作業(yè)；同時，在一個車間內(nèi)存在多達十?dāng)?shù)臺橋機，操作人員很難判定每臺設(shè)備當(dāng)前的運行狀態(tài)，包括設(shè)備位置與維護時間，而且當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時無法將信息第一時間報告給設(shè)備維修人員，存在較大的安全隱患。

為改善橋式起重機在參與生產(chǎn)過程中的不可視性，提高生產(chǎn)過程的資源信息整合，提升設(shè)備運行和管理的安全性，急需使用橋式起重機的遠程監(jiān)視系統(tǒng)對其進行整體改進。

2 監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計原理

筆者依托中電建成都建筑工業(yè)化有限責(zé)任公司PC構(gòu)件廠進行介紹。該廠以生產(chǎn)預(yù)制構(gòu)件為主，包括疊合板、墻體、樓梯等，每日生產(chǎn)量為400 m2，物料的輸入與產(chǎn)品的運出主要依靠橋式起重機進行處理。

如圖1所示，起重機運動主要依靠大車移行裝置、小車移行裝置、吊鉤控制。“大車移行機構(gòu)由大車電動機、傳動軸、減速器、車輪及制動器等部件構(gòu)成，控制橋式起重機在滑觸線范圍內(nèi)縱向移動。小車移行機構(gòu)由小車電動機、制動器、聯(lián)軸節(jié)、減速器及車輪等部件構(gòu)成。小車電動機經(jīng)減速器驅(qū)動小車主動輪，拖動小車沿車間橫向?qū)挾确较蛞苿?。提升機構(gòu)由提升電動機、減速器、卷筒、制動器等部件組成。提升電動機經(jīng)聯(lián)軸器、制動輪與減速器連接，減速器的輸出軸與纏繞鋼絲繩的卷筒相連接，鋼絲繩的另一端裝吊鉤，當(dāng)卷筒轉(zhuǎn)動時，吊鉤即隨鋼絲繩在卷筒上的纏繞或放開而上升或下降?！盵2]根據(jù)橋式起重機生產(chǎn)廠家提供的使用說明書得知：大車運行速度分為兩種，低速運行時為1 m/s，高速運行時為2 m/s，小車運行速度恒定為0.6 m/s，吊鉤運行長度不在該系統(tǒng)監(jiān)視范圍內(nèi)，故僅記錄吊鉤運行的開斷狀態(tài)。其運行軌跡的計算公式為：當(dāng)前位置X0+低速運行速度V0×低速接通時間t0+高速運行速度V1×高速接通時間t1。其中，判定t0<2 s時為加速過程，其余均為低速運行狀態(tài)。不同的設(shè)備應(yīng)考慮不同的速度模型。

圖1 橋式起重機外形圖

整個控制系統(tǒng)由PLC系統(tǒng)、組態(tài)王系統(tǒng)、遠程通訊模塊、傳感器協(xié)同控制，將整個生產(chǎn)車間內(nèi)部的橋式起重機運行軌跡集中顯示于上位機上，上位機可通過ERP系統(tǒng)投影至遠程移動設(shè)備，其結(jié)構(gòu)見圖2。

3 控制系統(tǒng)的硬件組成

橋式起重機均勻分布于車間內(nèi)的各個部位。為實現(xiàn)以集成化圖像顯示橋機運行軌跡的效果，需要集中對每個橋式起重機移行機構(gòu)的運行狀態(tài)進行收集并遠程傳輸。因此，在各個移行機構(gòu)的制動器上加裝了電流互感器，當(dāng)電動機接通時，電流互感器即有電流信號，表示移行電機正在動作。

使用遠程通訊模塊采集移行機構(gòu)運行狀態(tài)的開斷。遠程通訊模塊為IO開關(guān)量信號采集傳輸模塊，分為信號發(fā)送模塊和信號接收模塊，依靠無線遠距離無線電進行通訊，將遠程信號發(fā)送模塊與制動器的電流互感器相連接。當(dāng)橋式起重機進入運行狀態(tài)、遠程信號發(fā)送模塊感受到電信號并將該電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號通過無線電傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送給遠程信號接收模塊。同時，遠程信號接收模塊集中安裝于PLC輸入模塊上，遠程信號接收模塊轉(zhuǎn)化接收到的數(shù)字信號并以低壓電信號開斷的形式傳輸給PLC輸入模塊。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

同時，為避免長時間橋機瞬時啟動或多次點動產(chǎn)生的位移誤差積累，每臺橋式起重機上均安裝有接近傳感器，在每條軌道的1/3和2/3處布置有接近傳感器的觸發(fā)點，當(dāng)橋式起重機運行至觸發(fā)點位置時，接近傳感器觸發(fā)并向PLC傳遞數(shù)字信號，觸發(fā)系統(tǒng)的置位程序，使橋機在圖像上置位到軌道的傳感器觸發(fā)點處。

對于橋式起重機運行狀態(tài)與遠程操作端的數(shù)據(jù)交互，遠程通訊模塊除了采用LORA(即無線電)通訊模塊以外，還可以使用無線wifi，4G網(wǎng)絡(luò)通訊、PLC多中心通訊等。從通訊模式的比較得知使用PLC多中心通訊可極大地提高數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度，但做不到無線通訊并將極大幅度地提高設(shè)計的經(jīng)濟成本；無線wifi通訊模塊的每一對模塊都需要建立不同的wifi網(wǎng)段，防止地址沖突，在數(shù)量大的場地建設(shè)繁瑣。4G網(wǎng)絡(luò)通訊均以sim卡為基礎(chǔ)，建設(shè)成本高。綜上所述，考慮到經(jīng)濟性、安全性、便捷性，此處的設(shè)計采用LORA通訊模塊，以無線電傳輸作為遠程信號傳輸?shù)幕A(chǔ)。

4 控制系統(tǒng)的軟件組成

4.1 上位機設(shè)計

上位機采用國產(chǎn)組態(tài)王6.55組態(tài)軟件為操作軟件，“組態(tài)軟件，又稱組態(tài)監(jiān)控軟件，SCADA(supeivisory Control and Data Acquisition，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制)軟件，它是數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件?！盵3]組態(tài)王6.55軟件使用C語言編輯實現(xiàn)運行時間保存、檢修報警、時間置位等功能。通過PROFINET通訊協(xié)議和以太網(wǎng)工業(yè)交換機與下位機西門子SIEMENS S7-300 PLC連接進行數(shù)據(jù)通信。通過人際交互方式實現(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控、生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、故障診斷的報警和報表統(tǒng)計的打印等功能。

上位機共設(shè)計了三個界面，分別為主界面、總運行畫面和歷史數(shù)據(jù)報表。各界面均具有日期、界面切換的基本功能，

(1)主界面為進入系統(tǒng)的初始界面，除了退出按鈕以外，切換進其他界面按鈕均會先進行操作人員登錄。系統(tǒng)分為工程師和管理員兩種權(quán)限。工程師可以對整個組態(tài)王系統(tǒng)的源程序進行修改，包括圖像組態(tài)、功能設(shè)計，主要用于程序升級時使用，而管理員僅可以對報警處理、歷史數(shù)據(jù)查詢等部分應(yīng)用進行操作。

(2)總運行畫面為該系統(tǒng)的主要觀察界面(圖3)。

圖3 總運行畫面

13臺橋式起重機均勻分布于整個界面上， 13臺橋式起重機根據(jù)軌道共分為五跨。每臺橋式起重機均有對應(yīng)的編號，編號下側(cè)的橫縱坐標(biāo)表示當(dāng)前大車、小車距所處軌道的距離，單位為m。

由于不記錄吊鉤的運行位置，故只顯示吊鉤的運行狀態(tài)。當(dāng)圖像上的小車移行機構(gòu)變?yōu)榫G色時表示吊鉤正在運行，紅色時表示吊鉤未運行。

同時，該界面還具有記錄橋式起重機運行時間的功能。所設(shè)計的表格記錄的是每臺橋式起重機各個移行機構(gòu)的運行時間，通過PLC記錄的各機構(gòu)的電流互感器開斷時間進行計算。右邊三個按鈕分別為大車檢查、小車檢查、吊鉤檢查，上位機軟件設(shè)定：當(dāng)任何一臺橋式起重機中的移行機構(gòu)的運行時間超過100 h(如任意一臺橋式起重機的大車移行機構(gòu)超過100 h)，則大車檢查按鈕變?yōu)榧t色，用以提示操作員對對應(yīng)設(shè)備進行檢修。檢修完畢，操作員按下大車檢查的復(fù)位按鈕，表格中超過100 h的橋式起重機所對應(yīng)的大車移行時間會置0，同時，大車檢查按鈕會恢復(fù)綠色。

(3)歷史數(shù)據(jù)報表為所有橋式起重機從設(shè)備記錄開始一直運行的時間，如圖4所示，均以h為單位，數(shù)據(jù)使用PLC進行存儲。

圖4 歷史數(shù)據(jù)報表

除兩個切換按鈕之外，還有一個保存按鈕，可以將總運行時間以xls表格的形式存儲于指定文件夾內(nèi)，用于比較不同時間段的橋機使用頻率。

同時，由于組態(tài)王6.55的運行環(huán)境為Windows 7 Ultimate SP1 X64，且支持多種控件及組件：如ActiveX控件、Windows控件、內(nèi)部組件等。以任意PC設(shè)備為主機，可以通過互聯(lián)網(wǎng)交換機進行畫面的遠程端投視，以方便操作人員實時了解當(dāng)前的運作動態(tài)。

4.2 下位機設(shè)計

下位機使用西門子STEP7 V5.5 SP4編程軟件對PLC進行編程。“西門子STEP7是用于SIMATIC S7-300/400站創(chuàng)建可編程邏輯控制程序的標(biāo)準(zhǔn)軟件，可使用梯形圖邏輯、功能塊圖和語句表進行編程操作。”[4]

下位機的PLC主要由主機架UR(0)和遠程通訊模塊組成，主機架安裝的模塊有PS 307 2A(電源模塊)、CPU 314(CPU模塊)、CP343-1(通訊模塊，實現(xiàn)PLC與上位機的通訊連接)、DI32×DC24V(數(shù)字量輸入模塊5個)、ZKD-1212SO(遠程通訊模塊，為無線電遠程I/O通信模塊，發(fā)送端安裝在橋機上遠程輸出信號，接收端連接數(shù)字量輸入模塊上使PLC遠程接受信號)。

采用PLC采集從各個橋機移行機構(gòu)電流互感器得到的開斷信號，內(nèi)部程序編輯以大車、小車運行時間與速度相乘，將計算結(jié)果儲存于指定的數(shù)據(jù)塊，上位機組態(tài)王通過讀取該數(shù)據(jù)塊的信息顯示畫面中橋機各個機構(gòu)的位置，每秒更新畫面。

對于橋式起重機，當(dāng)前的使用模式多為低速運行在小范圍內(nèi)移動，當(dāng)大車低速運行時間超過2 s時判定為高速移動，在實際應(yīng)用中，考慮到加速度的偏差以4 s運行路程作為參考，最終運行距離為6.3 m，偏差為5%，故在每條運行軌道上安裝兩個接近傳感器用作定位點，當(dāng)橋機運行到該位置時進行置位操作，將位置定位到傳感器的位置，可根據(jù)偏差度和關(guān)鍵位置使用選擇投入定位數(shù)量。

5 安全監(jiān)視系統(tǒng)取得的應(yīng)用效果

長久以來，生產(chǎn)過程中事故的發(fā)生多由工作人員違規(guī)操作和設(shè)備帶病運轉(zhuǎn)引起，若要減少意外事故的發(fā)生，需要建立更加安全的設(shè)備操作環(huán)境，提高工廠智能化程度，以機器取代人工從事環(huán)境惡劣的生產(chǎn)工作，方可達到保障安全生產(chǎn)的目的。

通過該橋式起重機安全監(jiān)視系統(tǒng)的投入使用，可以使操作人員實時掌握每臺橋機的運行狀態(tài)，減少人員巡查的強度，彌補了橋式起重機在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)故障時無法及時報警、只能在操作過程中發(fā)現(xiàn)故障的問題，保障了橋式起重機的安全運行；同時，該監(jiān)視系統(tǒng)集中記錄了每臺橋機的運行時間，可以針對每臺橋機的實際使用時間進行維護保養(yǎng)，而非在長時間使用后集中維護，進而保障了設(shè)備的維護保養(yǎng)率，減少了設(shè)備維護所需投入的人力資源。比如：將按照每月對所有橋機進行維護改成對達到保養(yǎng)需求的橋機進行維護，減少了工作量；該系統(tǒng)集成了廠區(qū)內(nèi)橋式起重機的運行過程并將其顯示于遠程端，可以通過ERP將整個運行界面遠程映射至設(shè)備管理層，進而實現(xiàn)了生產(chǎn)流程可視化，提高了生產(chǎn)安全性。

處于一般場合的起重運輸環(huán)境并未實現(xiàn)完全的自動化操作，對設(shè)備和工作環(huán)境的安全都存在一定的隱患。為此，通過使用組態(tài)和PLC控制系統(tǒng)的連接，將其運行狀態(tài)直觀表示，可以提高生產(chǎn)環(huán)境的數(shù)據(jù)性與可視性。同時，可以以該系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過對人為給予的信息實現(xiàn)自主收集、分析、判斷，通過可視化技術(shù)進行推理和預(yù)測，使系統(tǒng)的每個部分都可以自行調(diào)節(jié)為最佳結(jié)構(gòu)，亦可進一步進行設(shè)備的智能化設(shè)計。

6 結(jié) 語

“工業(yè)自動化、數(shù)據(jù)化、一體化是將來所有以生產(chǎn)制造為主的企業(yè)要面臨的進步趨勢?！盵5]筆者通過對橋式起重機的監(jiān)視方法作出一種參考，使其集成顯示，在此功能上仍有許多的進步空間。該系統(tǒng)不僅可以用于橋式起重機，而且對任意在特定范圍內(nèi)進行移動操作的設(shè)備均可實現(xiàn)，可為未來的智能化工廠的信息集成效果提供借鑒。