起重機雙限位檢測方法研究

楊 敏 王新輝 尚 鵬 馮凌云 蘆永軍

（1.咸陽市特種設備檢驗所 咸陽 712000）

（2.大連光程光電科技有限公司 大連 116000）

橋式、門式起重機是主要的貨物搬運機械，廣泛應用于冶金、機械、化工、交通運輸、能源、輕工、環保、水利及核工業等行業，對于整個社會經濟發展起著不可忽視的作用。通過對橋式、門式起重機實際使用過程中發生的事故數量和原因進行分析發現，高度限位裝置選配失當、缺位、破損和失靈等因素導致的事故占比很高。同時，由于工作人員在實際操作過程中，沒有時刻關注吊鉤的具體位置，導致起升機構過卷揚沖頂，造成起升鋼絲繩切割斷裂，從而引發吊鉤及重物墜落的事故時有發生[1]。

針對安裝重錘式和斷火式雙高度限位器的起重機，當重錘式高度限位器動作后，起升機構會停止運行。若想繼續驗證斷火式高度限位器是否有效，傳統方式是人為短接重錘式高度限位器使起升機構繼續往上運行，短接過程中會涉及操作人員的安全性及實際操作的復雜性問題。而且驗證結束后，需要將重錘式高度限位器的短接線拆除，如果忘記拆除，會導致重錘式高度限位器失效，從而無法實現雙限位的目的[2]。鄒石橋等人針對傳統方式進行了改進，其方法是通過在起重機控制手柄內增加2根線作為重錘式高度限位器電氣觸點的短接線。該方法無須人為對重錘式高度限位器進行現場短接操作便能完成雙限位裝置的檢驗，既能保障檢驗員的人身安全，又可實現快捷高效的檢驗[3]。該方法雖然解決了傳統方式中人為進行短接線時可能出現的問題，但需要對原有起重機控制手柄進行修改，破壞了原有電氣結構。

針對安裝雙高度限位裝置的起重機，本文以輕小型電動葫蘆起重機為例，提出了一種起重機雙限位的檢測方法。該方法可實現無須人為短接重錘式高度限位器、在不改變原有起重機電氣結構的情況下，能夠對重錘式和斷火式雙高度限位器進行遠程控制和通斷檢測。進而實現對雙高度限位裝置的有效性驗證，能夠更好地適應排查治理檢驗要求，以達到對雙限位快速檢驗的目的。

1 起重機雙高度限位裝置的相關規定

為消除事故隱患，筑牢安全防線，國家市場監督管理總局辦公廳于2021年3月10日發布了《關于開展起重機械隱患排查治理工作的通知》[4]。根據通知要求，各門式、橋式起重機械應安裝（加裝）高度限位裝置，文件中“雙限位”裝置相關要求如下：

“1）新出廠橋式、門式起重機。自2021年5月1日起，起重機械生產單位對新出廠的橋式、門式起重機，應當同時安裝2種不同形式的高度限位裝置（以下簡稱“雙限位”裝置），如重錘式、斷火式、壓板式高度限位器等任意2種。

2）在用橋式、門式起重機。2022年3月31日前，起重機械使用單位應當對在用橋式、門式起重機加裝一套不同于原配置形式的高度限位裝置，確保該設備滿足“雙限位”裝置的要求。

3）例外情況。對于已經安裝了傳動式高度限位裝置（如齒輪、蝸輪蝸桿傳動式高度限位器等）的新出廠或在用橋式、門式起重機，不再要求設置“雙限位”裝置?！?/p>

2 起重機起升高度限位器的工作原理及電氣控制方式

目前，廣泛使用的起升高度限位器有斷火式高度限位器、重錘式高度限位器、壓板式高度限位器等。不論是重錘式、斷火式、壓板式高度限位器，只是觸發裝置不同，功能部分均可看作限位開關。當起升到預設極限時，觸發限位開關動作使回路通斷（可能是控制回路，也可能是動力回路），以此起到保護作用。

2.1 重錘式高度限位器的工作原理

重錘式高度限位器，又稱防過卷開關，主要由重錘、限位開關及拉繩等組成，重錘穿過拉繩，通過拉繩與限位開關上的偏心重錘臂的拉桿連接。正常狀態下，重錘因為重力向下拉動拉桿，開關處于常閉狀態，起重機構正常工作。當起升機構超出規定范圍繼續向上運行時，滑輪組就會抬起碰桿，重錘的懸吊拉繩松弛，拉桿收回，限位開關斷開，切斷起升控制回路電源，保護起升機構防止沖頂[5]。重錘式高度限位器的位置指示如圖1所示。

圖1 重錘式高度限位器的位置指示圖

2.2 斷火式高度限位器的工作原理

斷火式高度限位器安裝在電動葫蘆上，跟支座、定位塊、限位桿等配合在一起組成電動葫蘆的限位裝置。正常運行時限位桿靜止不動，當起升機構上升（下降）到一定極限位置時，卷筒上鋼絲繩帶動排繩裝置左（右）移動觸碰限位桿上的定位塊，使限位桿左（右）移，從而使斷火開關切斷電源，起到限位作用[6]。斷火式高度限位器的位置指示如圖2所示。

圖2 斷火式高度限位器的位置指示圖

2.3 起重機雙高度限位裝置的電氣控制原理

以輕小型電動葫蘆起重機為例，分析起重機械雙限位的電氣控制原理。起重機雙限位的電氣控制原理如圖3所示。

圖3 起重機雙限位的電氣控制原理圖

圖中的關鍵電器元件：KM0為總接觸器，Q1為斷路器，FU1、FU2為熔斷器，HLR、HLG為電源指示燈，T為控制變壓器，KM5、KM6分別為上升、下降接觸器，KA5、KA6為升、降開關，SQ為重錘式限位器常閉開關（第一限位），XK為相序保護繼電器，XWK為斷火限位器（第二限位），KM01、KM02為中間繼電器，JA為緊急停止按鈕，TA為停止按鈕，QA為啟動按鈕。

起重機雙限位的工作方式：點動操控臺上的上升按鈕KA5，KM5上升接觸器吸合，起升機構開始向上運動。當上升到設定高度時，滑輪組把重錘頂起，SQ斷開，KM5上升接觸器斷開，起升機構的控制回路斷電，停止向上運行。當SQ失效或者出現粘連問題時，起升機構會繼續向上運行，直到碰觸到XWK斷火式限位器，使起升機構的三相動力回路斷電，最終停止向上運行，從而實現通過電氣保護和機械保護達到設置雙限位的目的。

3 技術設計方案

通過對起重機雙高度限位裝置的電氣控制原理進行分析，當重錘式高度限位器動作后，起升機構停止運行后，針對如何繼續驗證斷火式高度限位器有效性問題，本文以重錘式限位器作為第一級限位、斷火式限位器作為第二級限位的電動葫蘆為例，提出了一種起重機械雙限位的檢測方法。該方法通過并聯接入方式保證信號采集的穩定性和安全性，并且不影響起重機原有電氣線路結構，通過寬電壓采集技術對起重機重錘式及斷火式限位器兩端電壓信號進行采集，通過無線LoRa傳輸技術對重錘式及斷火式限位器進行遠程通斷監測和控制，并通過檢測控制裝置對相應的限位器進行短接處理，從而實現在安全范圍內不改變起重機原有電氣結構的基礎上對雙高度限位裝置的有效性驗證。

本文提出的檢測方法不僅能夠嚴格按照法規檢驗、規避不依法規檢驗帶來的法律風險，而且還能在不改變原有電氣結構的同時避免檢驗人員在現場進行短接操作時的安全風險，能夠提高檢驗效率，節省人力資源成本。

3.1 設計方案的原理

將檢測控制裝置并聯接入起重機重錘式及斷火式限位器的電氣觸點兩端，通過寬電壓采集技術對其電壓信號進行采集，并通過無線通信方式實現手持控制終端與檢測控制裝置的信號通信，以此來實現對高度限位器的遠程通斷監測和控制。檢測方法主要涉及3個部分，即起重機控制箱、檢測控制裝置以及手持控制終端。檢測方法的工作邏輯關系如圖4所示。

圖4 檢測方法的工作邏輯關系

微控制器根據手持控制終端發來的操作指令進行分析判斷，然后將處理后的結果以指令方式發送給電壓檢測電路。電壓檢測電路根據收到的指令進行相應的檢測，并將檢測結果反饋給微控制器，微控制器將檢測結果進行分析后再發送給手持控制終端。手持控制終端根據接收的分析結果給檢測控制裝置的微控制器返回相應的操作指令，然后微控制器根據操作指令來控制電壓檢測電路內相關的開關驅動器，實現對限位開關的短接或斷開操作，從而進一步檢測雙高度限位裝置的有效性。當起重機起升機構超出設定范圍繼續向上運行時，若電壓檢測電路檢測到斷開，說明重錘式限位器有效。這時通過手持控制終端給檢測控制裝置的微控制器發送對重錘式限位器進行短接的操作指令，然后使起重機起升機構繼續向上運行，進一步對斷火式限位開關的有效性進行檢測。

3.2 關鍵技術的實現方式

●3.2.1 無線傳輸技術

隨著物聯網技術的不斷發展，無線通信技術日益成熟，目前應用較多的有WLAN、WIFI、2G/3G/4G/5G、ZigBee、LoRa等。其中，LoRa是Semtech公司于2013年提出的一種面向遠距離、低功耗、低速率應用而開發的物理層無線調制技術，屬于線性調制擴頻技術（Chirp Spread Spectrum，CSS）的一種，LoRa在保證低功耗的同時極大地增加了通信范圍，具有傳輸距離遠、抗干擾性強等特點[7]。目前常用的主要無線通信技術指標對比結果見表1。

表1 常用的主要無線通信技術指標對比

通過以上對比結果可知，無線LoRa傳輸技術具有靈敏性高、鏈路魯棒性好、通信距離遠、低功耗等優點。相比其他無線通信技術，無線LoRa傳輸技術通過適當降低數據的傳輸速率來保證數據的通信質量及更遠的通信距離。因起重機的工作環境較復雜，外部環境不固定，對數據的傳輸速率也沒有太高要求，因此抗干擾能力較強、通信質量較好以及傳輸速率均滿足要求的無線LoRa傳輸技術是當前最佳選擇。

硬件方面，無線模塊選用ZLG致遠電子的LM400TU型號，該模塊使用飛思卡爾的 KL26系列MCU來搭載SX1278收發器，SX1278采用源自軍用戰術通信系統的LoRa調制技術設計，完美解決了小數據量在低功耗復雜環境中的超遠距離通信問題。另外，芯片集成了+20 dBm的可調功率放大器，可獲得-148 dBm的接收靈敏度，鏈路預算達到了行業領先水平，適用于遠距離傳輸且對可靠性要求極高的場合。

●3.2.2 寬電壓檢測技術

正常情況下，起重機重錘式限位器的工作電壓為直流36 Ⅴ，斷火式限位器的工作電壓為交流380 Ⅴ。在設計電壓檢測電路時，需要既能檢測直流也能檢測交流。本文通過研究分析選取電能計量芯片HLW8110，該芯片既能測量單相交流信號，也能測量直流信號，而且外圍電路簡單，外圍器件非常少，并且測量到的信號可通過UART或接口將數據傳輸至MCU。HLW8110的電路原理圖如圖5所示。

圖5 HLW8110電路原理圖

HLW8110默認情況下是測量單相交流信號，通過進行相應的模式修改可測量直流信號。如圖6所示，測量直流信號時，需要先將DC_MODE的工作模式設置為1，再將自乘、LPF及開放運算關閉，使直流信號通過DC_MODE直接進入芯片的內部采樣模塊進行采樣。

圖6 測量直流信號設置

本文電壓檢測電路中的采樣電阻參數適用于交流或直流的380 Ⅴ、220 Ⅴ、110 Ⅴ、36 Ⅴ等多種類型安全回路起重機。若想檢測更高工作電壓的起重機，可根據被測電壓信號的量程來修改HLW8110前端的采樣電阻值。

4 現場實際測試驗證與分析

根據本文提出的起重機雙限位檢測方法，設計了一套起重機雙限位檢測裝置，包括手持控制裝置和檢測控制裝置。該裝置采用主從模式，檢測人員在地面安全區域通過手持控制裝置與檢測控制裝置進行通信，進而實現對現場實測起重機的重錘式限位器及斷火式限位器進行通訊與控制檢測。通過測試證明，該檢測方法能夠很好地驗證重錘式高度限位器和斷火式高度限位器的有效性。現場實測起重機相關參數，見表2。

表2 起重機相關參數

4.1 通信距離測試驗證及結果分析

根據現場實測環境，通過調整手持控制裝置與檢測控制裝置的距離來測驗本文選取的LM400TU型號的可靠性。實際測試時的通信性能狀況見表3，實際測試時的固定數據包的傳輸狀況見表4。

表3 通信性能狀況

表4 固定數據包的傳輸狀況

通過現場實際測試，距離在200 m以內，通信狀況良好，丟包率為0。在300 m范圍內，通信狀況良好，丟包率為2%。根據實際起重機的工作現場情況分析，通常工作距離不會超過300 m，因此選用LM400TU型號的無線模塊，能夠滿足起重機雙限位檢測工作的需求。

4.2 寬電壓檢測驗證及結果分析

根據實際檢測的起重機重錘式限位器及斷火式限位器的工作電壓值，通過交直流電壓采樣公式，選取合適的分壓電阻值，計算得到實際的輸入檢測電壓值。實際測量的起重機重錘式限位器的工作電壓為直流36 Ⅴ，斷火式限位器的工作電壓為交流380 Ⅴ。電壓測量電路的原理圖如圖7所示，將電壓采樣的5個分壓電阻Rm選為200 kΩ，另一分壓電阻Rt選為1 kΩ。

圖7 電壓測量電路的原理圖

交直流電壓采樣遵循的條件見式（1）：

式中：

PGA——電壓通道模擬增益；

Vi——被測電壓。

由于采樣電阻值的精度能夠影響實際的測量電壓范圍，因此電阻應選擇相對精度較高、性能較好的型號。本文中PGA=1，Rt=1 kΩ，Rm=200 kΩ，分壓電阻的精度均為±1%。實際計算得到的輸入電壓Vi為0 Ⅴ＜Vi＜570 Ⅴ，因此電壓測量電路的測量電壓范圍為0～570 Ⅴ。由于實際被測量電壓正常會有小范圍的波動，因此在實際接入測量電壓時，要保證被測電壓的峰值電壓不能超過570 Ⅴ。若想測量更高的電壓值，則需要重新修改采樣電路中的分壓電阻值。

5 結束語

針對安裝雙高度限位器的起重機，當重錘式高度限位器動作使起升機構停止運行后，如何繼續檢驗斷火式高度限位器有效性的問題，本文以輕小型電動葫蘆起重機為例，提出了一種起重機械雙限位的檢測方法，并根據該方法設計了一套起重機雙限位檢測裝置。根據現場的實際測試驗證，通過電壓檢測電路可實現對0～570 Ⅴ電壓范圍的交直流電進行電壓采集，通過無線LoRa傳輸技術可實現手持控制終端與檢測控制裝置在300 m范圍內進行良好的數據傳輸及通信。該檢測方法不但能夠提高檢驗的工作效率，而且能夠有效避免在檢驗過程中可能造成的人身傷害以及起升機構沖頂事故的發生，提高了檢驗的安全性和有效性。