高處作業吊籃用提升機性能檢測系統設計

于昂,李薇，苗盈

(無錫職業技術學院機械技術學院，江蘇無錫 214121)

0 前言

近幾十年，高處作業吊籃(以下簡稱吊籃)廣泛應用在建筑、化工、風電等行業，如可用于高層建筑的外墻維修、幕墻安裝和清洗等作業。吊籃由平臺、起升機構、懸掛裝置、電氣系統和控制系統組成，具有拆裝方便、使用靈活等優點。吊籃作為非常設高空作業平臺，其安全事故時有發生，充分保障吊籃的施工安全尤為重要[1]。高處作業吊籃用提升機(以下簡稱提升機)是吊籃動力起升機構的重要組成部分，負責驅動平臺升降，同時搭載限位、超載等報警功能，其質量可靠性在極大程度上影響著吊籃的安全性能[2]。從2018年8月1日起，我國施行GB/T 19155—2017[3]作為提升機安全性能的評估標準。根據標準中規定的檢驗要求，提升機的安全性能需由第三方認證機構進行檢驗。同時，在提升機出廠前，制造商必須對其部分性能進行檢驗，比如：絕緣電阻檢驗、額載檢驗等。因此，每一個提升機制造商應該有自己的一套檢測系統，不僅可以作為邀請第三方認證機構檢驗之前的預評估系統，也可以作為提升機出廠前的性能檢測系統。第三方認證機構也同樣需要一款高效、可靠的提升機性能檢測系統。

任子暉和陳軍[4]設計了一款礦井用提升機性能測試儀，但其檢測的性能參數與吊籃用提升機不同。目前，關于實現吊籃用提升機性能自動化檢測的研究鮮有報道。雖然GB/T 19155—2017標準提供了提升機的性能指標和檢驗方法，但目前還沒有滿足該標準的提升機性能檢測設備，檢驗員往往需要通過手工測量得到檢測數據并撰寫報告，這極大地降低了檢測效率和數據可靠性。

針對以上問題，本文作者研究設計一套高處作業吊籃用提升機性能檢測系統。利用PLC進行設計，將系統構建為一個有機的整體。采用Visual Basic(VB)語言編寫上位機主控制程序，提出一種上位機軟件與PLC的協同控制方法，實現提升機性能的多指標自動化檢測。該系統不僅具備高精度、高智能化的提升機性能檢測功能，同時能夠將檢測數據儲存至MySQL數據庫并自動生成檢測報告。

1 系統架構

該系統需要實現提升機的絕緣電阻檢驗、靜載檢驗、動載檢驗、額載檢驗和滑降速度檢驗共5個檢驗項目。絕緣電阻檢驗測量提升機的電氣線路絕緣電阻；靜載檢驗測量在1.5倍額定載質量工況下，提升機主制動器的滑移距離；滑降速度檢驗測量在200 kg載質量工況下，打開提升機主制動器后，平臺的滑降速度；動載檢驗測量在1.25倍額定載質量工況下，提升機主制動器的制動距離；額載檢驗測量在額定載質量工況下，提升機的檢驗電壓、升降電流和平臺的升降速度。以上提升機性能參數在GB/T 19155—2017標準中的指標如下：

(1)絕緣電阻值大于等于2 MΩ；

(2)主制動器無明顯滑移；

(3)主制動器制動距離小于等于100 mm；

(4)升降電流應測量并記錄；

(5)檢驗電壓與提升機額定電壓的偏差不大于額定電壓的±5%；

(6)平臺升降速度小于等于18 m/min，其誤差不大于設計值的±5%；

(7)平臺滑降速度小于等于25 m/min。

系統的總體架構如圖1所示，分為機械結構單元、下位控制單元、傳感器與采集單元、上位機單元4個部分。機械結構單元包括指示燈、蜂鳴器和提升機，指示燈用于顯示檢測系統的運行狀態，蜂鳴器用于合格與報警提示音的輸出，提升機負責牽引平臺的升降。下位控制單元是系統的子控制部分，包括按鈕開關、限位開關、接近開關和PLC。傳感器及數據采集單元包括拉繩傳感器、絕緣電阻測試儀、三相電力儀表和PLC的A/D模塊。上位機單元由工控機和利用VB6.0編寫的軟件組成。該系統可以自動測量絕緣電阻、滑移距離、制動距離、檢驗電壓、上升電流、下降電流、上升速度、下降速度和滑降速度這9個性能參數。

圖1 提升機性能檢測系統的總體架構

2 硬件設計

2.1 檢測條件的實現

為模擬提升機的實際工作狀態，本文作者設計一款新型機架和電控柜，將系統的4個單元有機結合。機架尺寸為1 630 mm×770 mm×3 600 mm，電控柜尺寸為1 075 mm×800 mm×1 400 mm。系統的硬件結構如圖2所示。

圖2 系統的硬件結構

機架右側設有提升機固定架，檢測前將提升機固定在此處。平臺上端設有2個導向輪，分別與機架兩側的支撐柱嚙合，使平臺在升降過程中保持穩定。平臺頂部一側設有接觸塊，在平臺升降過程中觸動限位和接近開關。平臺的底部設有配重連接架，同時機架底部放置一定數量的鑄鐵配重，每塊質量為25 kg。銷軸可以插入配重連接架不同位置的銷孔，以改變平臺載質量。鋼絲繩通過機架頂部的滑輪將提升機與平臺連接起來。機架頂端設有拉繩傳感器，拉繩縛在平臺頂部。

電氣控制柜內裝有工控機、PLC和其他控制元件，柜面上裝有三相電力儀表、絕緣電阻測試儀、按鈕開關、指示燈、蜂鳴器和液晶顯示屏。電控柜側面配備手握開關接插件，同時根據提升機不同型號，分別配備10芯和12芯的電源接插件，引腳配置如圖3所示。

圖3 提升機電源接插件引腳配置

2.2 下位控制單元

圖4所示為下位控制單元，負責系統的機械作用，其工作過程由PLC控制[5-6]。該系統使用歐姆龍PLC作為核心控制器，這種類型的PLC有24個輸入端口、16個輸出端口和4路模擬信號輸入的A/D模塊，儀器的供電電源為100～240 VAC，輸入端口和輸出端口的額定電壓為24 VDC。

圖4 下位控制單元

PLC的各端口定義如表1所示。表中輸入端口分別連接限位開關、極限開關、提升機限位器和限載器的常閉點。輸出端口101.00～101.04分別連接中間繼電器線圈，再由中間繼電器控制主線路中交流接觸器線圈的電源通斷。同時，PLC通過RS232通信模塊與工控機的串口相連，實現與上位機軟件的通信。

表1 PLC端口配置

PLC的一個通道內可儲存16位二進制數，一位二進制數可控制一個端口(觸點)通斷。文中所述的通道值表示該通道內16位二進制數轉化為十六進制數后的值，根據通道值可判斷各端口狀態，其中“0”表示斷開、“1”表示導通。上位機軟件采集PLC各通道值的頻率設為20 Hz。

2.3 絕緣電阻檢測模塊

絕緣電阻值由絕緣電阻測試儀測得。儀器設為500 VDC輸出、上限電阻值設為1 000 MΩ、精度為±2%FS，符合檢測要求。絕緣電阻測試儀為直流輸出，在接線時必須將直流輸出與提升機的交流電源分支布線，接線方式如圖5所示，圖中的中間繼電器線圈電源由PLC的101.04端口控制。上位機軟件通過儀器的RS232通信接口，使用SCPI命令控制儀器的啟動、停止以及讀取測得的絕緣電阻值。

圖5 絕緣電阻測試儀輸出接線

2.4 位移檢測模塊

為測量提升機主制動器的滑移距離和制動距離，將它轉化為平臺在設定時間內的位移差。位移由拉繩傳感器測得，其測量范圍為0～3 000 mm、測量精度為0.15%FS、分辨率為0.5 mm。

拉繩傳感器為三線制，輸出0～20 mA電流，信號由PLC的A/D模塊采集并儲存在寄存器通道中[7]。拉繩傳感器與A/D模塊的連接方式如圖6所示，拉繩傳感器所測量的位移與其輸出電流的關系如式(1)所示：

圖6 拉繩傳感器與A/D模塊的接線

Y=150X

(1)

式中：Y為平臺位移(mm)；X為拉繩傳感器輸出電流(mA)。

輸出電流X與PLC寄存器內數據的關系[8]如式(2)所示：

Z=300X

(2)

式中：Z為PLC寄存器內數據(mm)。

結合公式(1)和(2)，平臺位移Y與PLC寄存器內數據Z之間的關系如式(3)所示：

Y=1/2Z

(3)

上位機軟件以20 Hz的頻率采集PLC各通道值，獲取A/D模塊寄存器通道內存儲的數據，并通過公式(3)計算得到平臺的實時位移，最后采用平均化處理減小測量誤差。經過現場測試，平臺位移的測量誤差為±2.5 mm，因此當測得滑移距離小于5 mm時，即判定平臺無明顯滑移。

2.5 電壓和電流檢測模塊

額載檢驗中的檢驗電壓和升降電流由三相電力儀表測得，測試區間為機架的上、下2個接近開關之間的區域。接近開關為常開型，感應距離為8 mm。三相電力儀表能夠將電流、電壓值儲存在寄存器中，并配備了RS485通信接口，通過RS485轉到RS232轉換器與工控機串口相連。

三相電力儀表直接測量的最大電流為5 A，而部分提升機額定電流大于5 A，因此必須采用電流互感器。以檢測A相電流為例，接線方式如圖7所示。儀表電流寄存器值In(A)與真實電流值Ir(A)的關系如式(4)所示，電壓寄存器值Un(V)與真實電壓值Ur(V)的關系如式(5)所示：

圖7 電流互感器與電力儀表的連接

Ir=In×0.001×CT

(4)

Ur=Un×0.1×pT

(5)

式中：CT表示電流互感器變比，該系統中變比為25∶5；pT表示電壓互感器變比，系統未采用電壓互感器，故取1。

上位機軟件通過Modbus-RTU協議讀取三相電力儀表寄存器內數據，并依據公式(4)和(5)計算得到真實電壓、電流值。

2.6 速度檢測模塊

速度檢測包括平臺的升降速度檢測和滑降速度檢測，測試區間同為機架上、下2個接近開關之間的區域。當平臺進出測試區間時，接近開關動作并傳輸信號至PLC輸入端口，上位機軟件采集到該信號，并記錄平臺在測試區間內的運動時間。一次上升或下降速度的定義如式(6)所示：

(6)

式中：v為一次測量的速度(m/min);Lv為上、下接近開關距離(mm);t為運動時間(s)。

3 軟件設計

軟件設計分為PLC程序設計和上位機軟件設計2個部分。傳統的PLC控制系統中，PLC內部程序的邏輯固定，通過輸入端口的狀態變化控制輸出[9-10]。但在提升機性能檢測過程中，檢測項目多達5個，每個項目的控制邏輯和檢測要求都不相同，如果只依靠PLC程序難以實現這樣的控制。因此，提出一種上位機軟件和PLC的協同控制方法。

3.1 PLC程序設計

該系統中提升機電源、絕緣電阻測試儀輸出線路的通斷、蜂鳴器、按鈕開關、限位開關等皆由PLC控制。PLC程序如圖8所示，上、下限位開關定時器設定為3 s。可知：在PLC程序中加入了內部輔助繼電器通道，地址為1 300～1 304 CH。上位機軟件通過改寫PLC的內部輔助繼電器通道值來靈活控制輸出，從而實現多種控制過程。

圖8 PLC控制程序

由圖8還可知:當手/自動開關撥動到手動模式時，由定時器控制的自動運行線路斷開，檢驗員可以直接操作電控柜面板上的上、下行按鈕，控制電機正反轉，便于提升機安裝時的進繩和退繩操作，以及應對其他意外情況。在系統設計中，不僅在硬件層上使中間繼電器互鎖，在PLC程序設計中，也應使各輸出端口互鎖。

3.2 上位機軟件設計

上位機軟件負責監控PLC各端口狀態并協同控制提升機運行，控制絕緣電阻測試儀測量絕緣電阻，讀取三相電力儀表的電流、電壓值等多項任務，在整個系統起著至關重要的作用。VB語言可以構建良好的圖形界面[11]，上位機軟件采用VB6.0集成環境開發，檢測界面如圖9所示。利用MSComm控件，構建上位機軟件與各儀器之間的串口通信。利用ADO組件和MySQL數據源(Open Database Connectivity，ODBC)，實現軟件對MySQL數據庫的讀寫操作[12]。最后，通過Microsoft Word Object Library組件生成檢測報告。

圖9 上位機軟件界面

3.2.1 檢測流程

圖10—圖14分別為各項目的檢測流程。檢測前應先啟動PLC、絕緣電阻測試儀和三相電力儀表。提升機型號數據表已錄入MySQL數據庫中，檢驗員要根據實際檢測的提升機型號在軟件中進行選型，軟件根據型號自動改寫PLC的1303通道值以接通10芯或12芯接插件電源。然后，檢驗員在手動模式下正確安裝提升機，并將平臺置于下限位開關以下的初始位置，轉換至自動模式后即可開始檢測。

圖10 絕緣電阻檢測流程

圖11 靜載檢測流程

圖12 滑降速度檢測流程

圖13 動載檢測流程

圖14 額載檢測流程

3.2.2 子流程描述

檢驗電壓判斷子流程：上位機軟件讀取三相電力儀表當前測得的電壓值，并與提升機額定電壓進行對比，若偏差不大于額定電壓的±5%，則記錄檢驗電壓，并進入下一步驟，否則系統報警并退出檢測過程。

額載數據采集子流程：上位機軟件通過PLC的電機正、反轉輸出端口101.00和101.01的狀態判斷平臺的升降，并通過上、下接近開關輸入端口0.02和0.03的狀態判斷平臺是否進入測試區間。當平臺進入測試區間后，軟件以2 s的采集間隔采集三相電力儀表的電流值，并記錄平臺在區間內的升降時間。最后，通過式(6)計算得到升降速度，并將采集到的上升和下降電流分別取平均得到平均升降電流。

一個項目檢測合格后，進入合格子流程。首先，軟件將該項目的檢測結果存儲至MySQL數據庫中，然后，令PLC的1301和1304通道值置1，其余內部輔助繼電器通道值置0，此時，合格蜂鳴器鳴響，提升機電機反轉，平臺下降。等待2 s后，令1304通道值置0，合格蜂鳴器停止發聲。在平臺下降過程中，軟件實時讀取拉繩傳感器測量值Yc，當Yc≥ 2 450 mm時，令1301通道值置0，電機制動，平臺停止，此時平臺已返回至初始位置。

不合格子流程與合格子流程的區別在于:不合格子流程PLC的1304通道值先置2，后置0，控制報警蜂鳴器鳴響。PLC的報警程序帶自鎖功能，需按下電控柜面板上的“報警消除”按鈕消除。

3.2.3 報告生成

5個項目均檢測合格后，才可生成檢測報告。檢測報告生成有兩種模式:第一種為單次報告生成，檢驗員點擊檢測界面上“檢測合格”按鈕，軟件將根據當前檢測數據生成檢測報告；第二種為批量報告生成，進入提升機性能檢測結果列表，選擇要打印的檢測記錄，軟件將請求MySQL數據庫中數據生成多份檢測報告。

4 測試結果

對該系統進行了現場測試。檢測對象為某公司生產的提升機，其額定載質量為800 kg、額定電壓為380 V、所用鋼絲繩直徑為9.1 mm、設計升降速度為9 m/min，并配置12芯電源接插件。

對該型號提升機進行3次全參數檢測以衡量系統的可靠性，并設定動載和額載檢測的升降次數均為3次。表2所示為提升機各性能參數的檢測結果，表中數據顯示該提升機的各項性能均符合GB/T 19155—2017標準要求，且3次檢測結果數據波動小，系統的穩定性高。

表2 提升機檢測結果

5 結論

本文作者設計了一套滿足GB/T 19155—2017標準要求的高處作業吊籃用提升機性能檢測系統，并提出了一種上位機軟件與PLC的協同控制方法。上位機軟件由VB語言開發，通過RS232通信接口與PLC、絕緣電阻測試儀和三相電力儀表建立通信，實時采集與處理PLC的多通道信號，監控各端口狀態和獲取拉繩傳感器所測位移；控制絕緣電阻測試儀測得絕緣電阻；采集三相電力儀表的電流、電壓值。同時，該軟件通過改寫PLC內部輔助繼電器通道值的方式控制PLC輸出端口的通斷，使系統能夠根據檢驗員設定的檢測項目和參數，執行不同的檢測流程，不僅實現了提升機性能的多指標自動化檢測，且滿足了客戶不同的檢測要求。該系統中結合了Microsoft Word以及MySQL數據庫技術與VB，實現了數據存儲和報告生成的功能。結果表明：該系統自動化程度高，運行穩定且檢測結果可靠。