起重機雙機抬吊監控系統的研究

王子慶，李 鵬，夏文艷，齊曉燕

（山東豐匯設備技術有限公司，山東 濟南 250200）

在我國現代大型建筑施工過程中，通常都會采用小構件單機吊裝，重、大構件采用雙機抬吊的方案。這種方案配置有效降低了作業空間的限制和施工成本，提高了施工機械的使用效率，改善了施工方案的整體經濟效益。

雙機抬吊法要求在2 臺起重設備上根據構件的重量和尺寸特點，合理分配吊點位置，確保在整個吊裝作業過程中，2 臺起重設備承受的載荷重量始終保持在各自允許的額定載荷范圍之內。

通常，在進行雙機抬吊吊裝之初，吊裝操作需滿足的幾項吊裝關鍵措施，如制定詳細的吊裝方案，合理分配負荷的吊點位置，保證平衡梁基本水平，保持2 臺起重機的吊鉤處于鉛錘狀態等，在近地面處可以通過簡單的人工觀察并調整的方式滿足。但隨著吊裝高度的增加，人工觀察的難度也隨之增加，觀測精度也越來越差。此時，因2 臺起重機起升、變幅及回轉速度不一致就會造成平衡梁及吊鉤在抬吊過程中產生傾斜，導致吊裝載荷分配發生變化，失去平衡。如果調整不及時，就可能造成嚴重的起重事故。因此采取技術手段代替過去依靠指揮人員肉眼觀察平衡度的落后方式，成為當前雙機抬吊施工作業中十分迫切的需求。

1 雙機抬吊產生傾斜時的模型及分析

在雙機抬吊過程中發生的傾斜主要包括兩種：一是由于2 臺起重機起升速度不一致造成的平衡梁傾斜，平衡梁的傾斜角度設為γ；二是在回轉或變幅過程中造成的吊鉤滑輪組偏斜，2 臺起重機的傾斜角度分別設為α和β，如圖1 所示。

圖1 起重機抬吊重物時的受力簡圖

由圖1 列寫平衡方程組

將上述方程組變形可得

其中F為平衡梁的自重與吊載構件重量的疊加，K為吊裝之前就已經計算好的數值，在進行分析和系統設計時均可以作為定值。

由式(1)可以很直觀地看出，如果吊鉤能始終保持鉛錘狀態，即α=β=0，即使平衡梁在吊裝過程中發生了一些偏斜，也不會影響到吊點負荷轉矩的分配及吊鉤的承重；如果平衡梁能夠在吊裝過程中始終保持水平狀態，即γ=0，則僅會影響到2 個吊鉤的承重，而不會影響吊點的分配造成失去平衡。當3 個角度值α、β、γ均不為零時，即會影響吊鉤的承重，也會對吊點分配造成影響，導致吊載失去平衡。因此，在抬吊過程中，應盡量減小3 個傾角α、β、γ的數值；如果平衡梁偏斜，宜傾斜向安全余量較大的一側。

2 抬吊監控系統的方案設計

由上述分析可知，在雙機抬吊過程中，吊鉤及平衡梁的傾斜角度參數α、β、γ，對吊鉤受力及負荷分配的影響是最大的，因此在進行偏斜檢測時，指揮人員應重點監控這3 個參數，并據此調整兩臺起重機的動作，從而保證整個吊裝過程的安全。

2.1 傾角傳感器的選擇

由于本系統檢測的吊物所處環境為非固定場合，并且所測物件是處于移動狀態，因此檢測信號采取無線數據通訊的方式最為理想。目前常用的近距離無線信號傳輸方式有藍牙通訊、Wi-Fi通訊、Zig-Bee 通訊、RFID 通訊、LoRa 通訊多種方式。考慮到本系統的使用條件及通用性，則通訊距離應該至少大于300m（可用于超高層建筑施工環境），且需要抗干擾能力強，低功耗。

對上述幾種通訊方式進行綜合比較，由于LoRa 通訊的方式具有較高的抗干擾性、低功耗、高穿透力和能夠適應超過3km 的傳輸距離，能更好地適用于電建塔機和高層、超高層建筑塔機的吊裝作業。

為此，本系統的角度測量采用了3 個基于LoRa 無線傳輸技術的ZCT600ML-215SR 型雙軸傾角測量傳感器，可以在X軸、Y軸方向分別進行傾斜角的測量，最大傾角測量范圍±15°，精度高，傳輸距離可達5 000m、功耗低，采用可充電鋰電池供電，適應工業級的環境。

3 個傳感器采用最易于拆裝的粘貼方式，分別放置于2 個吊鉤上和平衡梁的一端。在放置傳感器時，為保證測量的準確性，要保證傳感器的水平度，并且保持軸線與被測面的軸線平行。

2.2 無線接收及控制系統

由于本系統需要3 個無線LoRa 傾角傳感器組網監測3 個監測點，因此采用1 個LoRa 網關（ZCT600ML-GW）用于輪詢各傳感器傾角數據，網關與控制器之間采用Modbus 協議，控制主機發送讀取當前數據命令給網關后，傳感器接收到命令后立即開始采集數據，并將處理好的角度數據返回數據給網關，網關再將數據緩存并發送給控制主機。

通常，基于工業環境的要求，大多數控制系統會首選PLC 作為控制主機。本系統采用三菱FX3SA-10MR-CM 型PLC，配 套RS485 通訊板FX3G-485-BD，用于與無線網關之間進行Modbus 通訊，對從網關讀取的數據進行處理和計算，并判斷合理值，發出報警信號。

2.3 顯示裝置

為保證指揮人員能夠更清晰、直觀地了解整個抬吊吊裝狀態；且當關閉電源或突然斷電時，系統能保留已采集的所有信息；當吊裝結束后，系統還能在一定時間段內存儲本次吊裝的過程采集的所有數據，且能夠支持數據的導出與備份。

基于以上要求，本系統選用TPC7062TX 系列觸摸屏。該觸摸屏性價比高，支持市場上常用PLC 的硬件設備驅動，組態簡單方便；并內置128M 的存儲空間，并支持USB 接口的數據導出備份。

2.4 控制點

在進行起重機的雙機抬吊安全監控系統的綜合設計時，還需要結合工程實際，設定一個合理的偏差允許值，用以在保證抬吊過程安全的同時，盡量減少調整動作，提高工作效率。

根據GB/T 28264-2017《起重機械安全監控管理系統》的規定：在起重機械實際使用工況下，起重量的綜合誤差不應大于5%，則亦可據此設定1-(cosα-tanγsinα）＜5%的綜合誤差；且同時滿足3 個角度α、β、γ均小于10°，用于在實際抬吊過程中的監控，并據此對抬吊過程進行實時調整。

2.5 系統操作與監控數據

系統操作簡單，只需在起重機吊起重物之后，在界面內設置K、F、F1、F2和允許偏差5 個數值，即可完成初始設定，如圖2 所示。在監控過程中，一旦某數據超出范圍，則該數據的背景變為紅色，提示指揮人員需根據該數據進行調整。

圖2 起重機雙機抬吊監控系統界面

系統還能實現對監控數據的保存和對歷史數據的查詢，如圖3 所示。可以為經驗總結或事故追溯提供基礎數據和分析，事故責任歸類一目了然。

圖3 起重機雙機抬吊監控歷史數據的存儲和查看

3 應用前景

在進行雙機抬吊施工作業時，如果不配備抬吊監控系統，根據GB 6067.1-2010《起重機安全規程》的規定，除需要滿足對起重機的起重能力進行合理的負荷分配并進行統一指揮、協調作業的條件外，還需要指揮人員根據起重機的具體情況進行降額使用，降額的一般要求為吊重質量不得超過2 臺起重機所允許起重量總和的75%，每臺起重機的負荷量不宜超過其安全負荷量的80%。這就在一定程度上限制了的起重機吊裝能力，有時甚至需要選用更大一個型號的起重機，增加了施工作業的吊裝成本。

而如果配備了抬吊監控系統，則可以更有針對性的提高起重機抬吊數據的觀測精度，更好地將起重機吊裝載荷控制在規定值以內，增強了抬吊過程的安全性；而且在制定吊裝計劃時，還可以根據GB 6067.1-2010《起重機安全規程》的規定，將每臺起重機的吊裝范圍從75%擴展到額定載荷，降低了施工機械的配置費用，提高了經濟效益，推動了建筑機械施工技術的進步。