電驅動起重機故障診斷監(jiān)測方案設計分析

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摘要：針對電驅動起重機存在故障率高，機械部件使用壽命短，運行效率較低的突出問題，基于PLC控制技術、傳感器技術以及組態(tài)軟件技術，設計電驅動起重機故障診斷與監(jiān)測平臺，使得起重機司機能夠及時、準確掌握起重機運行狀態(tài)、故障信息，并指導起重機司機合理、正確操作起重機，提高起重機使用效率，延長機械部件使用壽命。經實際應用證明，該方案設計合理，起重機故障發(fā)生率降低47．9％，產生了較好的經濟效益，有推廣價值。

關鍵詞：PLC控制；傳感器；故障診斷；KingSCADA

引言

電驅動起重機是一種廣泛應用于交通運輸、煤礦、港口貨運等行業(yè)不可或缺的中大型搬運設備。在生產實踐中，由于使用不當、維護不及時等原因造成起重機故障頻發(fā)，甚至導致重大安全事故。為保證電驅動起重機安全、高效率工作，延長使用壽命，預防重特大事故發(fā)生，對起重機故障進行診斷和監(jiān)測具有十分重要的意義［1］。以計算機為中心的起重機故障診斷與監(jiān)測系統(tǒng)是國外發(fā)展趨勢，如德國采用模塊形式概念，將起重機分成若干個功能模塊，每個模塊配置電子監(jiān)控系統(tǒng)，利用聲吶探測儀控制系統(tǒng)重物，并將數據傳送至計算機用于顯示和故障報警。法國針對起重機開發(fā)出用于故障診斷與監(jiān)測的具有與計算機交互、人機對話以及情景模擬的平臺，極大地延長了起重機的使用壽命。丹麥利用視頻監(jiān)控功能，通過獲取關鍵部件、危險部件的圖像進行故障診斷與分析，使得操作人員更好地掌握起重機的運行狀態(tài)［2－4］。國內如天津港務公司研發(fā)的起重機動態(tài)監(jiān)控裝置，利用BreezeNET無線網橋將起重機運行全部參數傳送至計算機中心進行處理和顯示，傳輸速度可達2Mb／s，傳輸頻率為10s；該監(jiān)測系統(tǒng)的主要缺陷為實時性差、抗干擾能力弱。大連理工大學自主研發(fā)了起重機網絡化控制及管理系統(tǒng)，利用PLC控制技術搭建起重機監(jiān)測局域網，利用數據庫技術存儲所有數據并在工控機上顯示；該監(jiān)測系統(tǒng)的缺陷為無法實現遠程監(jiān)控。上海交通大學應用互聯(lián)網監(jiān)控診斷技術和Web技術實現了起重機遠程監(jiān)控系統(tǒng)并進行進一步的研究［5－6］。本文在分析和借鑒已有起重機故障診斷和監(jiān)控系統(tǒng)方案的基礎上，基于PLC控制技術、傳感器技術以及CAN通信技術，搭建基于KingSCADA軟件平臺的故障診斷與監(jiān)測方案，保證起重機安全、穩(wěn)定、高精度地運行。

1系統(tǒng)設計

電驅動起重機故障診斷與監(jiān)測方案設計目標為：（1）對起重機運行狀態(tài)、故障信息進行實時記錄、聲光報警并且可歷史追溯；（2）具有故障預測、故障自診斷以及及時停機功能；（3）信息實時顯示功能，包括起重機各機構的運行狀態(tài)、設定參數、操作指令等；（4）對所有數據具備記錄、查詢功能，實現一鍵導出；（5）對起重機的工作區(qū)域以及危險區(qū)域實現實時視頻監(jiān)控，并將視頻信息存入硬盤；（6）對起重機的開停機時間、運行時間、累計運行時間、工作循環(huán)次數、故障發(fā)生次數等關鍵數據進行統(tǒng)計和分析并形成趨勢曲線圖［7］。針對上述設計目標，設計電驅動起重機故障診斷與監(jiān)測方案系統(tǒng)設計，如圖1所示。故障診斷與監(jiān)測平臺由工控機、硬盤錄像機、數據服務器以及無線傳輸系統(tǒng)組成，其中工控機是故障診斷與監(jiān)測的數據、信息顯示載體，在該工控機上運行KingSCADA軟件即可按照設計的故障診斷與監(jiān)測主界面、各個子界面進行一一展示；硬盤錄像機用于存儲監(jiān)測起重機的視頻數據；數據服務器用于存儲起重機的運行狀態(tài)數據、參數設置數據以及故障信息數據等；無線傳輸系統(tǒng)用于連接起重機與遠程集中監(jiān)控中心的數據通路，通過無線傳輸通信模式將該起重機所有數據傳送至起重機遠程集中監(jiān)控中心［8－9］。電驅動起重機故障診斷與監(jiān)測平臺以TCP／IP通信模式獲取電驅起重機智能控制系統(tǒng)數據，如大車編碼器位置、激光防撞開關信號、主鉤高度編碼器等。

2硬件設計

用于精確測量起重機起升高度、下降深度的傳感器選用絕對值編碼器，該編碼器穩(wěn)定性和準確性高、具有停電記憶功能，具有抗電磁干擾和抗震動功能，無累計誤差，使用壽命長，免維護，具備多種數字信號輸出功能。絕對值編碼器安裝與起重機起升滾筒端，通過記錄起升滾筒的轉數，可測量鋼絲繩放出或者縮回的長度；依據滑輪組倍率、臂桿長度、角度傳感器數值進行計算，可得出鉤頭距離地面的高度。為保證起升高度、下降深度值計算的精確性，在實際計算時，計算值需進行標定。風速測量傳感器安裝于起重機臂桿頂端，底端加裝重錘，以保證風速傳感器與臂桿保持垂直。該風速測量傳感器采用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，預警范圍為1～60m／s，可實現風速與風級的自動切換。在起重機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、性價比高［10－12］。為防止起重機受高溫高濕環(huán)境影響而導致其機械性能和電氣性能下降的溫度，采用溫濕度傳感器實時監(jiān)測起重機工作環(huán)境的溫度和濕度，其型號為TRS－01－10。該溫濕度傳感器漂移量小、響應速度快、靈敏度高，溫度分辨率為0．1℃，濕度分辨率為!0．5℃，可穩(wěn)定運行的工作溫度為－20～70℃，工作濕度為5％～95％，滿足該起重機溫濕度監(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)，應用Profibus－DP通信模式進行數據、指令傳輸。

3軟件設計

3．1PLC軟件設計

電驅動起重機故障診斷與監(jiān)測方案PLC軟件設計分別在主、從PLC控制器中實現，采用模塊化編程方法，主流程如圖2所示。起重機每次上電運行時，自動獲取前次工作狀態(tài)和界面，分別完成零點監(jiān)測、按鍵檢測功能；當PLC控制器對檢測到的數據進行邏輯處理時，發(fā)現該數值超出設定范圍，則在平臺進行聲光報警顯示；當數據值達到停機值時，平臺在發(fā)出聲光報警的同時，立即停止起重機運行；當數值位于設定范圍之內時，清除報警顯示并關閉蜂鳴器。

3．2KingSCADA軟件設計

電驅動起重機故障診斷與監(jiān)測平臺通過TCP／IP通信模式獲取智能控制系統(tǒng)數據，并完成數據映射。基于KingSCADA軟件平臺設計用于監(jiān)測起重機的主界面、系統(tǒng)設置界面、數據監(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運行參數、故障信息以及傳感器數據等，通過左側按鈕將在各個設計界面之間進行切換。

4應用分析

設計并實現的電驅動起重機故障診斷與監(jiān)測方案已在某煤礦投入使用，能夠及時發(fā)現起重機故障，如小車運行時有輪處于懸空狀態(tài)，經故障排查發(fā)現小車車輪設計時直徑偏小，更換標準小車車輪后該故障解決；小車運行時發(fā)生打滑現象，分析原因發(fā)現為軌道上存在固體顆粒和機油，小車車輪安裝時高度不一致；起重機存在“過卷”現象，分析原因為起重機的動滑輪與定滑輪發(fā)生碰撞，抱閘器松動，極限位置發(fā)生變化。采用該方案后，起重機年穩(wěn)定運行率達320d，故障發(fā)生率降低47．9％，提升了該起重機的利用效率和生產效率。

5結語

起重機是搬運大中型設備的重要輔助方式之一，是保證港口貨運、交通運輸、煤礦設備快速搬運的重要手段。起重機司機通過故障診斷與監(jiān)測平臺能夠及時、準確地掌握起重機運行狀態(tài)以及發(fā)生的故障，并根據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長時間停機，杜絕由微小故障演變出的重特大安全事故，保證起重機安全、穩(wěn)定、高效運行。

參考文獻

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作者：張建強 單位：西山煤電集團東曲煤礦