電驅(qū)動(dòng)起重機(jī)故障診斷監(jiān)測方案設(shè)計(jì)分析

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摘要：針對電驅(qū)動(dòng)起重機(jī)存在故障率高，機(jī)械部件使用壽命短，運(yùn)行效率較低的突出問題，基于PLC控制技術(shù)、傳感器技術(shù)以及組態(tài)軟件技術(shù)，設(shè)計(jì)電驅(qū)動(dòng)起重機(jī)故障診斷與監(jiān)測平臺(tái)，使得起重機(jī)司機(jī)能夠及時(shí)、準(zhǔn)確掌握起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、故障信息，并指導(dǎo)起重機(jī)司機(jī)合理、正確操作起重機(jī)，提高起重機(jī)使用效率，延長機(jī)械部件使用壽命。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用證明，該方案設(shè)計(jì)合理，起重機(jī)故障發(fā)生率降低47．9％，產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟(jì)效益，有推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：PLC控制；傳感器；故障診斷；KingSCADA

引言

電驅(qū)動(dòng)起重機(jī)是一種廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、煤礦、港口貨運(yùn)等行業(yè)不可或缺的中大型搬運(yùn)設(shè)備。在生產(chǎn)實(shí)踐中，由于使用不當(dāng)、維護(hù)不及時(shí)等原因造成起重機(jī)故障頻發(fā)，甚至導(dǎo)致重大安全事故。為保證電驅(qū)動(dòng)起重機(jī)安全、高效率工作，延長使用壽命，預(yù)防重特大事故發(fā)生，對起重機(jī)故障進(jìn)行診斷和監(jiān)測具有十分重要的意義［1］。以計(jì)算機(jī)為中心的起重機(jī)故障診斷與監(jiān)測系統(tǒng)是國外發(fā)展趨勢，如德國采用模塊形式概念，將起重機(jī)分成若干個(gè)功能模塊，每個(gè)模塊配置電子監(jiān)控系統(tǒng)，利用聲吶探測儀控制系統(tǒng)重物，并將數(shù)據(jù)傳送至計(jì)算機(jī)用于顯示和故障報(bào)警。法國針對起重機(jī)開發(fā)出用于故障診斷與監(jiān)測的具有與計(jì)算機(jī)交互、人機(jī)對話以及情景模擬的平臺(tái)，極大地延長了起重機(jī)的使用壽命。丹麥利用視頻監(jiān)控功能，通過獲取關(guān)鍵部件、危險(xiǎn)部件的圖像進(jìn)行故障診斷與分析，使得操作人員更好地掌握起重機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)［2－4］。國內(nèi)如天津港務(wù)公司研發(fā)的起重機(jī)動(dòng)態(tài)監(jiān)控裝置，利用BreezeNET無線網(wǎng)橋?qū)⑵鹬貦C(jī)運(yùn)行全部參數(shù)傳送至計(jì)算機(jī)中心進(jìn)行處理和顯示，傳輸速度可達(dá)2Mb／s，傳輸頻率為10s；該監(jiān)測系統(tǒng)的主要缺陷為實(shí)時(shí)性差、抗干擾能力弱。大連理工大學(xué)自主研發(fā)了起重機(jī)網(wǎng)絡(luò)化控制及管理系統(tǒng)，利用PLC控制技術(shù)搭建起重機(jī)監(jiān)測局域網(wǎng)，利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)存儲(chǔ)所有數(shù)據(jù)并在工控機(jī)上顯示；該監(jiān)測系統(tǒng)的缺陷為無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。上海交通大學(xué)應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控診斷技術(shù)和Web技術(shù)實(shí)現(xiàn)了起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)并進(jìn)行進(jìn)一步的研究［5－6］。本文在分析和借鑒已有起重機(jī)故障診斷和監(jiān)控系統(tǒng)方案的基礎(chǔ)上，基于PLC控制技術(shù)、傳感器技術(shù)以及CAN通信技術(shù)，搭建基于KingSCADA軟件平臺(tái)的故障診斷與監(jiān)測方案，保證起重機(jī)安全、穩(wěn)定、高精度地運(yùn)行。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電驅(qū)動(dòng)起重機(jī)故障診斷與監(jiān)測方案設(shè)計(jì)目標(biāo)為：（1）對起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、故障信息進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄、聲光報(bào)警并且可歷史追溯；（2）具有故障預(yù)測、故障自診斷以及及時(shí)停機(jī)功能；（3）信息實(shí)時(shí)顯示功能，包括起重機(jī)各機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)定參數(shù)、操作指令等；（4）對所有數(shù)據(jù)具備記錄、查詢功能，實(shí)現(xiàn)一鍵導(dǎo)出；（5）對起重機(jī)的工作區(qū)域以及危險(xiǎn)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控，并將視頻信息存入硬盤；（6）對起重機(jī)的開停機(jī)時(shí)間、運(yùn)行時(shí)間、累計(jì)運(yùn)行時(shí)間、工作循環(huán)次數(shù)、故障發(fā)生次數(shù)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析并形成趨勢曲線圖［7］。針對上述設(shè)計(jì)目標(biāo)，設(shè)計(jì)電驅(qū)動(dòng)起重機(jī)故障診斷與監(jiān)測方案系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如圖1所示。故障診斷與監(jiān)測平臺(tái)由工控機(jī)、硬盤錄像機(jī)、數(shù)據(jù)服務(wù)器以及無線傳輸系統(tǒng)組成，其中工控機(jī)是故障診斷與監(jiān)測的數(shù)據(jù)、信息顯示載體，在該工控機(jī)上運(yùn)行KingSCADA軟件即可按照設(shè)計(jì)的故障診斷與監(jiān)測主界面、各個(gè)子界面進(jìn)行一一展示；硬盤錄像機(jī)用于存儲(chǔ)監(jiān)測起重機(jī)的視頻數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)服務(wù)器用于存儲(chǔ)起重機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)以及故障信息數(shù)據(jù)等；無線傳輸系統(tǒng)用于連接起重機(jī)與遠(yuǎn)程集中監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)通路，通過無線傳輸通信模式將該起重機(jī)所有數(shù)據(jù)傳送至起重機(jī)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控中心［8－9］。電驅(qū)動(dòng)起重機(jī)故障診斷與監(jiān)測平臺(tái)以TCP／IP通信模式獲取電驅(qū)起重機(jī)智能控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)，如大車編碼器位置、激光防撞開關(guān)信號(hào)、主鉤高度編碼器等。

2硬件設(shè)計(jì)

用于精確測量起重機(jī)起升高度、下降深度的傳感器選用絕對值編碼器，該編碼器穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性高、具有停電記憶功能，具有抗電磁干擾和抗震動(dòng)功能，無累計(jì)誤差，使用壽命長，免維護(hù)，具備多種數(shù)字信號(hào)輸出功能。絕對值編碼器安裝與起重機(jī)起升滾筒端，通過記錄起升滾筒的轉(zhuǎn)數(shù)，可測量鋼絲繩放出或者縮回的長度；依據(jù)滑輪組倍率、臂桿長度、角度傳感器數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，可得出鉤頭距離地面的高度。為保證起升高度、下降深度值計(jì)算的精確性，在實(shí)際計(jì)算時(shí)，計(jì)算值需進(jìn)行標(biāo)定。風(fēng)速測量傳感器安裝于起重機(jī)臂桿頂端，底端加裝重錘，以保證風(fēng)速傳感器與臂桿保持垂直。該風(fēng)速測量傳感器采用DC24V直流供電，測量范圍為0～60m／s，誤差為!（0．5＋0．05V）m／s，最小顯示值為0．01m／s，預(yù)警范圍為1～60m／s，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)速與風(fēng)級(jí)的自動(dòng)切換。在起重機(jī)的底盤需加裝角度傳感器和水平度傳感器。起重量傳感器采用CHZPY－05型旁壓式張力傳感器，載荷為1～50t，靈敏度為2．0mV／V，精度低于1％；該傳感器靈敏度高、誤差小、性價(jià)比高［10－12］。為防止起重機(jī)受高溫高濕環(huán)境影響而導(dǎo)致其機(jī)械性能和電氣性能下降的溫度，采用溫濕度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測起重機(jī)工作環(huán)境的溫度和濕度，其型號(hào)為TRS－01－10。該溫濕度傳感器漂移量小、響應(yīng)速度快、靈敏度高，溫度分辨率為0．1℃，濕度分辨率為!0．5℃，可穩(wěn)定運(yùn)行的工作溫度為－20～70℃，工作濕度為5％～95％，滿足該起重機(jī)溫濕度監(jiān)測需求。PLC控制系統(tǒng)采用主從控制模式，主站PLC選用西門子S7－300CPU313C－2DP，從站PLC選用西門子S7－200CPU222，搭建主從PLC控制系統(tǒng)，應(yīng)用Profibus－DP通信模式進(jìn)行數(shù)據(jù)、指令傳輸。

3軟件設(shè)計(jì)

3．1PLC軟件設(shè)計(jì)

電驅(qū)動(dòng)起重機(jī)故障診斷與監(jiān)測方案PLC軟件設(shè)計(jì)分別在主、從PLC控制器中實(shí)現(xiàn)，采用模塊化編程方法，主流程如圖2所示。起重機(jī)每次上電運(yùn)行時(shí)，自動(dòng)獲取前次工作狀態(tài)和界面，分別完成零點(diǎn)監(jiān)測、按鍵檢測功能；當(dāng)PLC控制器對檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯處理時(shí)，發(fā)現(xiàn)該數(shù)值超出設(shè)定范圍，則在平臺(tái)進(jìn)行聲光報(bào)警顯示；當(dāng)數(shù)據(jù)值達(dá)到停機(jī)值時(shí)，平臺(tái)在發(fā)出聲光報(bào)警的同時(shí)，立即停止起重機(jī)運(yùn)行；當(dāng)數(shù)值位于設(shè)定范圍之內(nèi)時(shí)，清除報(bào)警顯示并關(guān)閉蜂鳴器。

3．2KingSCADA軟件設(shè)計(jì)

電驅(qū)動(dòng)起重機(jī)故障診斷與監(jiān)測平臺(tái)通過TCP／IP通信模式獲取智能控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)映射?；贙ingSCADA軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)用于監(jiān)測起重機(jī)的主界面、系統(tǒng)設(shè)置界面、數(shù)據(jù)監(jiān)控界面、視頻監(jiān)控界面、故障信息界面等，主界面如圖3所示。通過主界面可清晰地查看起重機(jī)運(yùn)行參數(shù)、故障信息以及傳感器數(shù)據(jù)等，通過左側(cè)按鈕將在各個(gè)設(shè)計(jì)界面之間進(jìn)行切換。

4應(yīng)用分析

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的電驅(qū)動(dòng)起重機(jī)故障診斷與監(jiān)測方案已在某煤礦投入使用，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)起重機(jī)故障，如小車運(yùn)行時(shí)有輪處于懸空狀態(tài)，經(jīng)故障排查發(fā)現(xiàn)小車車輪設(shè)計(jì)時(shí)直徑偏小，更換標(biāo)準(zhǔn)小車車輪后該故障解決；小車運(yùn)行時(shí)發(fā)生打滑現(xiàn)象，分析原因發(fā)現(xiàn)為軌道上存在固體顆粒和機(jī)油，小車車輪安裝時(shí)高度不一致；起重機(jī)存在“過卷”現(xiàn)象，分析原因?yàn)槠鹬貦C(jī)的動(dòng)滑輪與定滑輪發(fā)生碰撞，抱閘器松動(dòng)，極限位置發(fā)生變化。采用該方案后，起重機(jī)年穩(wěn)定運(yùn)行率達(dá)320d，故障發(fā)生率降低47．9％，提升了該起重機(jī)的利用效率和生產(chǎn)效率。

5結(jié)語

起重機(jī)是搬運(yùn)大中型設(shè)備的重要輔助方式之一，是保證港口貨運(yùn)、交通運(yùn)輸、煤礦設(shè)備快速搬運(yùn)的重要手段。起重機(jī)司機(jī)通過故障診斷與監(jiān)測平臺(tái)能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)以及發(fā)生的故障，并根據(jù)故障采用有針對性的、正確的處理方法，防止由于故障造成起重機(jī)長時(shí)間停機(jī)，杜絕由微小故障演變出的重特大安全事故，保證起重機(jī)安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

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作者：張建強(qiáng) 單位：西山煤電集團(tuán)東曲煤礦