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(jī)型式試驗規(guī)則》規(guī)定了起重機(jī)檢驗的方法，其中明確了在型式試驗過程中要對起重機(jī)運(yùn)行過程中的各項電參數(shù)，起升機(jī)構(gòu)的起升、下降速度，大小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度以及主梁的撓度等參數(shù)進(jìn)行測量，且需要按照工作制進(jìn)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(jī)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(jī)進(jìn)行測量。在進(jìn)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(jī)運(yùn)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(jī)控制電路連接來實現(xiàn)對起重機(jī)進(jìn)行自動化控制，且在其運(yùn)行過程中對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測量的檢測裝置，將大大提高起重機(jī)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(yùn)行距離的長度，然后利用秒表記錄某一運(yùn)行機(jī)構(gòu)通過這段距離所用的時間，從而計算該運(yùn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度。這種方式有明顯的缺點：1）起重機(jī)相應(yīng)運(yùn)行機(jī)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(jī)通過規(guī)定運(yùn)行區(qū)域的平均速度，無法有效采集起重機(jī)運(yùn)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(yùn)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(jī)起升速度為0 ～10 m/min，啟動時間一般不超過3 s。運(yùn)行速度為10 ～20 m/min，啟動時間不超過2 s。以起重機(jī)常見的運(yùn)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(jī)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(jī)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(jī)各機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度的測量方案。系統(tǒng)采用激光測距儀對起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)或是載荷的位置變化進(jìn)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(jī)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(jìn)行手動測量。在起重機(jī)運(yùn)行過程中檢驗員手持儀表對電路進(jìn)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(jī)運(yùn)行過程中的各項電參數(shù)有效記錄下來，后續(xù)對其進(jìn)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(jī)的各機(jī)構(gòu)在運(yùn)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(jī)各機(jī)構(gòu)啟動特性。為了較好地捕捉各機(jī)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(jī)界面，通過激光測距和電參數(shù)表完成對起重機(jī)的測量，通過I/O 模塊以及外圍電路實現(xiàn)對起重機(jī)起升、運(yùn)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(fù)責(zé)接受觸摸屏發(fā)出的指令，控制被測起重機(jī)完成相應(yīng)的試驗流程。其中，CPU 模塊主要負(fù)責(zé)邏輯程序的儲存與運(yùn)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(fù)責(zé)與觸摸屏進(jìn)行實時通訊。I/O 模塊負(fù)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(jī)進(jìn)行相應(yīng)的動作。

觸摸屏作為人機(jī)界面，負(fù)責(zé)指令的發(fā)出，數(shù)據(jù)的采集、運(yùn)算、處理、儲存和查詢。并對起重機(jī)的實時運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)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(jìn)行編制，軟件畫面結(jié)構(gòu)如圖2 所示。用戶啟動軟件后進(jìn)入開始畫面，點擊任意鍵進(jìn)入樣機(jī)參數(shù)設(shè)置，在這里可填寫包括樣機(jī)規(guī)格型號、樣機(jī)編號、起升速度、運(yùn)行速度、跨度、工作制，試驗人員、試驗日期等信息。樣機(jī)參數(shù)設(shè)置好后，用戶可根據(jù)需求進(jìn)入相應(yīng)的檢驗項目。其中速度測量包括起升速度、大車運(yùn)行速度、小車運(yùn)行速度等3 種測量模式。用戶還可進(jìn)入能效測試頁面或是動載試驗頁面進(jìn)行相應(yīng)試驗，系統(tǒng)會根據(jù)用戶填寫的樣機(jī)相關(guān)信息自動控制起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)按照相應(yīng)工作制進(jìn)行起升和下降，并在這個過程中記錄起重機(jī)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(jìn)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(jìn)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(jī)對信號進(jìn)行運(yùn)算，得到功率與電能。為了準(zhǔn)確測量各機(jī)構(gòu)整個運(yùn)行過程中（啟動-運(yùn)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(jìn)行積分計算。

電參數(shù)表與計算機(jī)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(jī)的要求，故電參數(shù)表與計算機(jī)的通訊采用服務(wù)式通訊。即計算機(jī)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(jī)。

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(jī)的檢驗，被試對象的主要參數(shù)為：額定起重量0 ～100 t、電機(jī)功率0.55 ～30 kW、起升速度2 ～20 m/min、運(yùn)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(yùn)行速度測量 測量行程不小于2 m，當(dāng)運(yùn)行超過0.5 m，啟動測量。

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

以上測量時間可人為根據(jù)運(yùn)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(jī)起升機(jī)構(gòu)按照相應(yīng)的循環(huán)周期（M1 ～M8）進(jìn)行連續(xù)運(yùn)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(jī)按照相應(yīng)的循環(huán)周期（M1 ～M8）進(jìn)行連續(xù)運(yùn)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(jìn)入樣機(jī)參數(shù)界面，將樣機(jī)參數(shù)輸入完整后，進(jìn)入相應(yīng)的試驗界面，在試驗界面上會顯示樣機(jī)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(jī)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(jī)進(jìn)行相應(yīng)動作來調(diào)整各機(jī)構(gòu)的位置。所有機(jī)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(jī)按照流程進(jìn)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(jìn)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(jī)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(yùn)行速度測量3 個子界面。在3 個子界面下對各個機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度進(jìn)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(jìn)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(jī)進(jìn)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(yùn)行速度分別采用2 種方法進(jìn)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(yuǎn)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(yùn)行速度較快的機(jī)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(jī)構(gòu)位置變化的特點，所以系統(tǒng)測量的是各運(yùn)行機(jī)構(gòu)的瞬時運(yùn)行速度，故還可利用速度數(shù)據(jù)繪制各機(jī)構(gòu)的運(yùn)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(yùn)行機(jī)構(gòu)在啟動過程中的各項電參數(shù)變化，也能監(jiān)測各運(yùn)行機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過程中的異常波動，從而為分析起重機(jī)的運(yùn)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(jī)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(jī)起升機(jī)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?jǐn)?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(jìn)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(jī)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(jī)起升過程中的電參數(shù)變化沒有被系統(tǒng)詳細(xì)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(jī)構(gòu)正常運(yùn)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(jī)檢驗裝置操作簡單，系統(tǒng)主要按照規(guī)定運(yùn)轉(zhuǎn)方式，可自動控制起重機(jī)起升、下降與大小車運(yùn)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(jī)的控制電路。

基于激光測距儀的起重機(jī)檢驗裝置對起重機(jī)各項參數(shù)的測量方法完全符合TSG Q7002—2019《起重機(jī)械型式試驗規(guī)則》、GB/T 30222—2013《起重機(jī)械用電力驅(qū)動起升機(jī)構(gòu)能效測試方法》等國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。為起重機(jī)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(jī)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(jī)各運(yùn)行機(jī)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(jī)各機(jī)構(gòu)在啟動、運(yùn)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(jìn)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(jī)檢驗裝置填補(bǔ)了國內(nèi)起重機(jī)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。