門式起重機安全監控系統設計及應用

鄭明亮

摘要：中儲碼頭物料堆場吊裝用起重機為通用門式起重機，與門座式起重機、集裝箱岸橋等碼頭起重設備不同的是，通用門式起重機一般結構簡單、跨度較小、起重量較小，現場管理人員、操作人員往往會忽視其安全性帶來的風險。門式起重機安全監控可以將起重量傳感器信號、大小車運行行程開關、艙門限位、起升極限限位、過載保護信號，防碰撞保護信號等集中采集監視，便于司機及維護人員觀察。使用該系統可以快速有效的掌握起重機的運行狀態、故障狀況等，對提高門式起重機的生產安全，具有重要意義。

關鍵詞：件雜貨碼頭;門式起重機;安全監控;西門子s7-200

引言：

中儲碼頭為件雜貨碼頭，主要以螺紋鋼、鋼板、鋼卷、鋼管、H型鋼等黑色金屬為主，碼頭物料堆場起重機為20T通用門式起重機，由于起重機已使用多年存在設備較為落后、故障率高、超載超限的等問題，影響起重設備本體安全以及生產作業安全。

一、起重機安全監控系統的必要性

根據國家質檢總局通告[1]2020年全國共發生特種設備事故和相關事故107起，其中起重機械事故27起，占比達25.3%，起重機械事故率占比仍然較高。中儲碼頭屬勞動密集型企業，裝卸作業主要以起重機為主，風險性較高，加之作業人員文化程度普遍較低，安全意識薄弱，通過安全監控系統等技術手段加強現場監控十分必要。

二、起重機安全監控系統設計

2.1 安全監控系統的設計思路

安全監控系統重點針對電氣系統進行改造升級，主要分為稱重超載系統改造、操作及故障顯示、遠程監視等三個部分。三個部分的核心關鍵為稱重超載系統的改造，主要講重量傳感器信號采集后由重量傳感器變送器將信號傳送給PLC，為保證信號穩定，中間部分增加信號隔離器，再對PLC程序進行修改。運行監視及故障顯示主要將PLC信號通過通訊端口輸出至觸摸屏，在觸摸屏HMI控制軟件上進行工程編譯，實現運行監視功能。遠程監視是將觸摸屏通過以太網設置連接到外網，通過手機端APP軟件進行遠程實時查看。

2.2基本要求與功能

2.2.1信息顯示：顯示各機構運行準備條件;各機構操作狀態;各機構運行狀態;吊鉤的實時重量;各行程限位開關狀態和超載狀態;PLC系統輸入輸出信號、報警及記錄等。

2.2.2記錄與查詢：對上述顯示功能中的各信息進行實時記錄并可查詢和導出;

2.2.3自檢與停止：系統自身發生故障時能報警提醒，檢出起重機發生故障或報警時具備停止功能;

2.2.4信息統計：統計起重機的作業時間、累計工作時間、工作循環、超載次數等;

2.2.5遠程監控：可通過手機APP進行遠程查看各信息顯示。

2.3系統主要硬件組成

2.3.1觸摸屏

配有5組獨立的串口和一路CAN總線接口，以及一路以太網接口。串口可以連接PLC，經 PLC 處理過的狀態信息和報警信號顯示在觸摸屏上。網口可以支持以太網協議和標準的MODBUS TCP協議以及網口自定義協議，并可以實現遠程監控功能。

2.3.2 可編程控制器

PLC型號為西門子S7-200可編程控制器，負責監控系統主要的信息采集、處理和輸出，PLC與觸摸屏通過Modbus-TCP協議交換數據。此外S7-200通過從電氣控制系統各操作和限位對應的接觸器和中繼的輔助觸點取信號，采集操作指令、門限位、機構聯鎖、超載信號、行程限位等信號。

2.3.3 重量傳感器變送器

重量傳感器變送器為JY-S85型用于采集吊鉤起重量，輸出信號為4-20mA到PLC，PLC采集信號后進行計算處理，計算后的數據顯示在觸摸屏上。

三、起重機安全監控PLC程序及HMI遠控程序

3.1 稱重程序塊

新增起升超載信號地址M20.0，起升重量傳感器故障地址V200.2，超載報警輸出地址Q2.7。在主起升空載的情況采集重量傳感器信號值記錄，該信號值為零位信號;將主起升滿載的情況下采集重量傳感器信號值并記錄。根據空載、滿載兩個不同的信號值大小和實際起重量分析兩者線性關系，兩者相除計算出標定系數。程序塊中將采集到的信號值用轉換指令轉換成實數值，該實數值通過DIV_R與標定系數計算得出實際重量值。程序中對實際重量值進行判斷處理，重量值小于O或大于額定起重量后報起升重量傳感器故障，實際重量值在合理區間內輸出實際值?？紤]到實際吊裝過程中，因起重量大、速度快，容易由外部機械振動原因造成重量傳感器變送器信號波動，故在程序中增加延時功能，當起重量大于額定起重量80%的時候進行1.5s的延時判斷，延時后的起重量實際值超過額定起重量判定為超載，超載信號輸出報警，主起升程序停止運行。

3.2 報警及信號輸出程序塊。

將原有程序中總接觸器吸合、小車前進后退減速和停止限位、大車停止限位、大車錨定限位、大車防撞限位、大車熱繼電器、變頻器故障等信號輸出至觸摸屏顯示故障報警。另新增起重量超載，主起升過流繼電器、主起升重量傳感器等信號輸出至觸摸屏顯示故障報警。

3.3 HMI遠控程序

根據現場實際需要，在HMI程序中添加主畫面、起升機構、大車行走、小車行走、PLC系統、故障報警等六個監視模塊。主畫面中有重量顯示、總電源接觸器吸合、起升超載報警信號、起升機構零位條件、小車行走零位條件、大車行走零位條件、上升下降檔位、前進后退檔位、左右行走檔位等，可以直觀反映起重機當前運行狀態。在每個分項監視模塊中接入有主令手柄、接觸器輸出狀態、限位信號、保護限位、PLC輸入輸出等信號。故障報警模塊則可以采集出PLC程序中所有的故障輸出信號。整個HMI遠控程序通過RS485通訊端口與西門子s7-200 PLC連接。進入程序中HMI以太網設置進行網絡設置，設定訪問ip地址并選定遠程訪問服務器地址。

四、起重機安全監控的安裝與調試

4.1 機械及電氣安裝

將重量傳感器變送器、觸摸屏、電源模塊、信號隔離器等硬件設備安裝到位，所有硬件安裝加固牢靠。根據新增重量傳感器變松器、PLC輸入輸出點、觸摸屏、電源模塊、信號隔離器等按圖紙說明要求進行接線，無線槽的地方套金屬軟管。通信電纜采用屏蔽雙絞線，以增強對現場電磁波抗干擾作用，必要時可套金屬管并確保金屬管可靠接地。

4.2 系統運行調試

4.2.1系統調試及參數值校正

經檢查確認設備及接線無誤后進行系統調試及參數值校正。接好傳感器和供電電源后，通過調節傳感器變送器RV5從而調節變送器給傳感器提供的激勵電壓。激勵調整好后進行零點標定，將傳感器處于空載狀態，調節電壓零點電位器RV1，用萬用表測量電壓值，盡可能接近零點示值;繼續調節電流零點電位器RV3，用萬用表測量輸出電流，盡可能接近4mA，零點標定完成后查看PLC中的數據采集值并記錄。

將傳感器進行滿載至20T，根據輸出電壓值調整滿載電壓點位器RV2，再根據輸出電流值調整滿載電流電位器RV4至20mA。進入PLC根據滿載時的數據采集值和零點標定時的采集值進行比較，計算出標定系數，重新將標定后的系數寫入PLC程序，即完成起重量參數的校正。 ? 4.2.2系統試運行

無打開HMI手機APP程序，對照觸摸屏顯示進行系統試運行。負載空鉤起升時，起重量顯示0，滿載起吊時，穩定鉤頭10s，顯示起重量為20t。為驗證超載報警輸出功能是否正常，模擬超重狀態下起吊，重物起升但未離開地面，此時顯示起重量為21.2t主起升超載報警，主起升程序停止，其他監視功能均可正常。

五、結語

起重機安全監控系統在門式起重機上的應用實踐表明，其的確可以在提高作業效率、減少超載超限吊裝、縮短故障排查時間、確保作業安全等方面發揮重要作用。如何將起重機安全監控系統與大數據、人工智能、自動化裝卸相結合將是未來發展的重要議題，一方面可以通過學習國內同行業先進經驗，進一步探索不同貨物的智能裝卸方法;另一方面也可以積極引入科技公司先進技術，提供更優的智能化解決方案。