門式起重機安全監控管理系統的改造設計

姜鈞，郭亞蘭

(1.華電鄭州機械設計研究院有限公司，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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門式起重機安全監控管理系統的改造設計

姜鈞1，郭亞蘭2

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

摘要：為達到國家標準的要求，對已經投入使用的門式起重機進行改造，分析了系統構架，并介紹了各種數據的采集方式，以原有可編程邏輯控制器系統框架為基礎，適當擴展硬件，在保證不影響原系統正常運行的基礎上，使整個設備的監控參數更加完善。對實際改造工程實施驗證，證明該改造設計性能穩定，實現便捷，滿足國家標準要求。

關鍵詞：起重機；安全監控；可編程邏輯控制器；改造；門式起重機

0引言

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

1系統構架設計

門機安全監控管理系統可分為2部分，一部分是對設備狀態參數的監控，另一部分是對重點區域視頻畫面的監控[4-6]。

參數監控系統通過可編程邏輯控制器(PLC)進行設備狀態參數的采集與計算，并將結果通過以太網傳給上位機，上位機通過多個界面顯示設備當前狀態。PLC獲取狀態參數有3種途徑：第1種是通過開關量輸入模塊直接采集參數，第2種是通過PROFIBUS DP現場總線從設備采集參數，第3種是通過PROFIBUS DP總線通信從現有的電氣控制系統獲取參數。參數監控系統構架如圖1所示。

圖1　狀態參數監控系統構架

視頻監控系統需要在重要位置布置6個攝像頭，2個攝像頭用來監視大車行程，2個攝像頭分別用來監視主起升區域和回轉吊機的吊點區域，2個攝像頭分別用來監視主機房和回轉吊機機房內的情況。視頻數據通過網線經交換機后存儲在硬盤錄像機上，硬盤錄像機里面的圖像數據通過放置在司機室的顯示器顯示。

2系統狀態參數的獲取

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，改造時只需從原有電氣控制系統的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，需在主起升和回轉吊機安裝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置絕對值編碼器，通過編碼器計數的卷筒圈數、卷筒直徑及其他參數計算出起升高度和下降深度。如改造前原系統已經獲取了起升高度和下降深度，則不用添加新設備，直接從改造前系統的PLC中讀取參數。

2.3運行行程的獲取

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

2.4軌道運行機構安全距離的獲取

同一或不同一軌道運行機構安全距離的獲取采用短量程的激光測距儀來實現，將激光測距儀安裝在需改造的設備上，將反射板安裝在可能與之發生碰撞的設備上，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

設備操作指令需要獲取每個機構每個擋位的信息，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風速的獲取

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

2.7制動器狀態的獲取

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

2.8聯鎖保護的獲取

聯鎖保護包括門限位和機構之間的運行聯鎖。門限位的獲取需要在適當的位置裝設安全門和限位開關，并將限位開關的信號引入PLC。機構之間的聯鎖信號需要將原電氣系統中設備各機構的運行狀態信息傳送到新系統的PLC。

2.9抗風防滑裝置狀態的獲取

門機設置有夾軌器或夾輪器等抗風防滑裝置，該裝置在工作和非工作狀態時會觸碰到相應的限位開關。改造需要將限位開關的信號引入到PLC的開關量輸入模塊。

2.10供電電纜卷筒安全限位狀態的獲取

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

2.11超速保護裝置狀態的獲取

門機的起升機構都需要配置超速保護開關，該信號需要以硬接線的方式接入系統PLC的開關量輸入模塊。

2.12偏斜限位器狀態的獲取

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

2.13工作循環次數的獲取

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

2.14工作時間的獲取

每個工作狀態所對應的具體時間，即為記錄1個工作狀態的時鐘時間(年/月/日/時/分/秒)。每個工作狀態的改變會產生1個消息觸發，消息記錄狀態改變發生的時刻和工作狀態的各種參數。該操作由上位機軟件實現。

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的時間總和。該變量由PLC將選定起重量的工作循環時間進行累加，然后將結果傳送到上位機界面進行顯示。

3工程的改造實施

3.1軟、硬件選型及安裝

某電廠上位機組態軟件選用國產軟件易控，該軟件功能強大，畫面友好，組態便捷，成本也較低。

PLC選擇西門子S7-1200系列，其使用靈活，功能強大，設計緊湊，組態靈活且具有功能強大的指令集。中央處理器(CPU)提供1個PROFINET 端口用于通過PROFINET 網絡通信，還可使用附加模塊通過PROFIBUS，GPRS，RS485 或RS232 網絡進行通信。

上位機選擇國內知名品牌的工業一體機，屏幕帶觸摸功能，滿足現場司機操作的便捷性。

由于門機軌道存在其他設備，故需要測量同一軌道運行機構安全距離，設有防碰撞報警。激光測距儀安裝如圖2所示。

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

3.2PLC程序的插入

該電廠門機的原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的CPU，將站點上傳到本地電腦，對原系統PLC程序做好備份。

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

圖2　激光測距儀安裝現場

圖3　小車端部攝像頭安裝現場

(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，添加S7-1200 PLC從站電子設備數據庫文件(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)用網線連接編程電腦和S7-1200 PLC，在博途軟件中通過智能傳輸區獲取S7-300 PLC送過來的數據，并把所有要用的狀態位送入地址連續的數據塊中，方便組態軟件中變量地址的對應。

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

(6)整機上電調試，先調S7-1200 PLC的程序，再調易控組態界面。

4驗收試驗

改造結果由門機使用單位、當地特種設備檢測研究院的相關人員一起進行驗收，通過比較門機各機構的實際運行狀況和測量結果可知，各條監控數據都滿足國標的要求。

5結束語

針對國家新標準提出的針對起重機安全生產監控的要求，研究了對已有門機的改造方案，并通過實際工程驗證了方案的可行性。

參考文獻：

[1]張鐘周.起重機安全監控系統研究[J].軍民兩用技術與產品，2015(8)：96.

[2]陶星辰.基于組態軟件的起重機安全監控系統設計[J].中國化工貿易，2015(13)：293.

[3]齊凱，王新華，何成忠.大型起重機械安全預警機制的研究[J].中國安全科學學報，2011，21(1)：136-139.

[4]熊學成.基于PLC的門式起重機的變頻調速控制系統[J].中國水運，2008(12)：135-136.

[5]李西林.門式起重機電氣控制系統的改造[J].設備管理與維修，2006(4)：26-27.

[6]程玉凱.基于S7-300PLC的控制系統在門式起重機中的應用[J].可編程控制器與工廠自動化(PLC FA)：2011(7):60-62.

(本文責編：弋洋)

收稿日期:2016-04-12；修回日期:2016-05-08

中圖分類號：TP 23

文獻標志碼：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，工學碩士，從事電氣二次設計方面的工作(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)。