门式起重机安全监控管理系统的改造设计

姜钧，郭亚兰

(1.华电郑州机械设计研究院有限公司，郑州　450015； 2.国电荥阳煤电一体化有限公司，河南 荥阳　450100)



门式起重机安全监控管理系统的改造设计

姜钧1，郭亚兰2

(1.华电郑州机械设计研究院有限公司，郑州450015； 2.国电荥阳煤电一体化有限公司，河南 荥阳450100)

摘要：为达到国家标准的要求，对已经投入使用的门式起重机进行改造，分析了系统构架，并介绍了各种数据的采集方式，以原有可编程逻辑控制器系统框架为基础，适当扩展硬件，在保证不影响原系统正常运行的基础上，使整个设备的监控参数更加完善。对实际改造工程实施验证，证明该改造设计性能稳定，实现便捷，满足国家标准要求。

关键词：起重机；安全监控；可编程逻辑控制器；改造；门式起重机

0引言

随着国家对安全生产的重视，大型起重机械设备的安全操作也受到越来越多的重视[1-3]。国家质量监督检验检疫总局和国家安全生产监管总局在全国多地开展了大型起重机械安全监控管理系统前期示范试点工作，并组织国内相关专家起草了《起重机械安全监控管理系统》国家标准。随着国家对起重机安全生产监管力度的加大，全国各地特种设备检测研究院开始严格执行国家标准，从2013年开始，已经陆续在各地大型起重机械上安装安全监控管理系统。大型门式起重机(以下简称门机)作为众多形式起重机中的一种，一旦发生安全事故，可能会造成巨大的人身伤亡事故和公共财产损失，因而必须对已投入使用的老式门机严格按照国标要求进行改造，杜绝安全隐患。

1系统构架设计

门机安全监控管理系统可分为2部分，一部分是对设备状态参数的监控，另一部分是对重点区域视频画面的监控[4-6]。

参数监控系统通过可编程逻辑控制器(PLC)进行设备状态参数的采集与计算，并将结果通过以太网传给上位机，上位机通过多个界面显示设备当前状态。PLC获取状态参数有3种途径：第1种是通过开关量输入模块直接采集参数，第2种是通过PROFIBUS DP现场总线从设备采集参数，第3种是通过PROFIBUS DP总线通信从现有的电气控制系统获取参数。参数监控系统构架如图1所示。

图1　状态参数监控系统构架

视频监控系统需要在重要位置布置6个摄像头，2个摄像头用来监视大车行程，2个摄像头分别用来监视主起升区域和回转吊机的吊点区域，2个摄像头分别用来监视主机房和回转吊机机房内的情况。视频数据通过网线经交换机后存储在硬盘录像机上，硬盘录像机里面的图像数据通过放置在司机室的显示器显示。

2系统状态参数的获取

2.1起重量的获取

改造前已安装荷重检测装置并正常使用的系统，改造时只需从原有电气控制系统的PLC中通过通信手段读出起重量即可；改造前无荷重检测装置或已损坏的系统，需在主起升和回转吊机安装2套荷重检测装置，然后将测量值输入S7-1200 PLC的模拟量输入模块。

2.2起升高度/下降深度的获取

获取该参数的比较通用和简便的方式是在主起升卷筒和副起升卷筒端部设置绝对值编码器，通过编码器计数的卷筒圈数、卷筒直径及其他参数计算出起升高度和下降深度。如改造前原系统已经获取了起升高度和下降深度，则不用添加新设备，直接从改造前系统的PLC中读取参数。

2.3运行行程的获取

改造前的系统如果没有设置监测运行行程参数的措施，则需要增添设备。有2种比较简便的方法来实现：一种是在设备大车、小车的轮子部位或驱动电机轴上装设绝对值编码器，通过编码器计数的轮子圈数和其他机械参数计算出相应的运行行程，另一种是在大车和小车端部装设激光测距仪，向大车和小车轨道的止挡器发射激光，通过激光测距仪的实时测量获取运行行程。

2.4轨道运行机构安全距离的获取

同一或不同一轨道运行机构安全距离的获取采用短量程的激光测距仪来实现，将激光测距仪安装在需改造的设备上，将反射板安装在可能与之发生碰撞的设备上，然后将测量值以电流信号的形式传给S7-1200 PLC的模拟量输入模块。

2.5操作指令的获取

设备操作指令需要获取每个机构每个挡位的信息，一种方法是从主令控制器的触点上重新再引硬接线到S7-1200 PLC，另一种方法是利用原PLC已采集的主令控制器的信息，所以比较简便的方法是采取通信的方式从原有PLC中获取得到。

2.6风速的获取

如果原有系统没有风速仪表头或风速仪表头没有模拟量输出端子，则需要加1个风速仪表头，将模拟量端子信号引入S7-1200 PLC，然后在上位机界面上显示。如果电气控制系统PLC接入了风速传感器的模拟量信号，也可通过通信获取风速的数值，经过转换后在上位机界面上显示。

2.7制动器状态的获取

该参数的获取需要在制动器合适位置设置限位开关，使制动器抱闸动作时能碰到限位开关，并将开关量信号接入S7-1200 PLC的开关量输入模块。

2.8联锁保护的获取

联锁保护包括门限位和机构之间的运行联锁。门限位的获取需要在适当的位置装设安全门和限位开关，并将限位开关的信号引入PLC。机构之间的联锁信号需要将原电气系统中设备各机构的运行状态信息传送到新系统的PLC。

2.9抗风防滑装置状态的获取

门机设置有夹轨器或夹轮器等抗风防滑装置，该装置在工作和非工作状态时会触碰到相应的限位开关。改造需要将限位开关的信号引入到PLC的开关量输入模块。

2.10供电电缆卷筒安全限位状态的获取

如果门机电缆卷筒设置有安全限位，则该限位信号需要接入PLC，可以从限位开关上硬接线引入，也可从原电气控制系统中以通信的方式获取。

2.11超速保护装置状态的获取

门机的起升机构都需要配置超速保护开关，该信号需要以硬接线的方式接入系统PLC的开关量输入模块。

2.12偏斜限位器状态的获取

对于跨度超过30 m的门机来说，需要加装偏斜限位器，并取硬接线信号送入S7-1200 PLC。

2.13工作循环次数的获取

工作循环是指起重机从起吊一个物品起，到能开始起吊下一个物品止，包括起重机运行及正常停歇在内的一个完整过程。该参数需要人工选择需要监控的百分比起重量，最后由PLC计算在选定起重量下完成工作循环的次数，然后在上位机界面上显示。

2.14工作时间的获取

每个工作状态所对应的具体时间，即为记录1个工作状态的时钟时间(年/月/日/时/分/秒)。每个工作状态的改变会产生1个消息触发，消息记录状态改变发生的时刻和工作状态的各种参数。该操作由上位机软件实现。

2.15累计工作时间的获取

累计工作时间是已完成的工作循环的时间总和。该变量由PLC将选定起重量的工作循环时间进行累加，然后将结果传送到上位机界面进行显示。

3工程的改造实施

3.1软、硬件选型及安装

某电厂上位机组态软件选用国产软件易控，该软件功能强大，画面友好，组态便捷，成本也较低。

PLC选择西门子S7-1200系列，其使用灵活，功能强大，设计紧凑，组态灵活且具有功能强大的指令集。中央处理器(CPU)提供1个PROFINET 端口用于通过PROFINET 网络通信，还可使用附加模块通过PROFIBUS，GPRS，RS485 或RS232 网络进行通信。

上位机选择国内知名品牌的工业一体机，屏幕带触摸功能，满足现场司机操作的便捷性。

由于门机轨道存在其他设备，故需要测量同一轨道运行机构安全距离，设有防碰撞报警。激光测距仪安装如图2所示。

摄像头选用浙江大华技术股份有限公司生产的200万像素球机，采用专用立杆和壁装支架安装于需监视部位，如图3所示。

3.2PLC程序的插入

该电厂门机的原PLC程序已是一套完整的程序，PLC选用S7-300系列。新加入的PLC和程序不能破坏原系统的已有功能，同时还要保持新加入部分正常工作。主要步骤如下。

(1)用编程电缆连接原系统的CPU，将站点上传到本地电脑，对原系统PLC程序做好备份。

(2)从原PROFIBUS网络的某一节点处断开，通过CM1242-5将S7-1200 PLC作为原PROFIBUS网络中的从站，将新加部分通过西门子专用总线电缆接入断开部分，并设置好终端电阻状态。

图2　激光测距仪安装现场

图3　小车端部摄像头安装现场

(3)用编程电缆连接编程电脑和原PLC的CPU，在Step 7中打开原程序的硬件组态，添加S7-1200 PLC从站电子设备数据库文件(GSD)，并添加新的功能模块，并在功能模块中添加程序，将有用的部分状态信息送到从站输出端口，再下载修改后的S7-300 PLC中的程序。

(4)用网线连接编程电脑和S7-1200 PLC，在博途软件中通过智能传输区获取S7-300 PLC送过来的数据，并把所有要用的状态位送入地址连续的数据块中，方便组态软件中变量地址的对应。

(5)在上位机中安装组态软件易控，在易控中组态界面上设置变量连接，并设置与S7-1200 PLC的通信方式。

(6)整机上电调试，先调S7-1200 PLC的程序，再调易控组态界面。

4验收试验

改造结果由门机使用单位、当地特种设备检测研究院的相关人员一起进行验收，通过比较门机各机构的实际运行状况和测量结果可知，各条监控数据都满足国标的要求。

5结束语

针对国家新标准提出的针对起重机安全生产监控的要求，研究了对已有门机的改造方案，并通过实际工程验证了方案的可行性。

参考文献：

[1]张钟周.起重机安全监控系统研究[J].军民两用技术与产品，2015(8)：96.

[2]陶星辰.基于组态软件的起重机安全监控系统设计[J].中国化工贸易，2015(13)：293.

[3]齐凯，王新华，何成忠.大型起重机械安全预警机制的研究[J].中国安全科学学报，2011，21(1)：136-139.

[4]熊学成.基于PLC的门式起重机的变频调速控制系统[J].中国水运，2008(12)：135-136.

[5]李西林.门式起重机电气控制系统的改造[J].设备管理与维修，2006(4)：26-27.

[6]程玉凯.基于S7-300PLC的控制系统在门式起重机中的应用[J].可编程控制器与工厂自动化(PLC FA)：2011(7):60-62.

(本文责编：弋洋)

收稿日期:2016-04-12；修回日期:2016-05-08

中图分类号：TP 23

文献标志码：B

文章编号：1674-1951(2016)05-0038-03

作者简介：

姜钧(1985—)，男，湖北随州人，工程师，工学硕士，从事电气二次设计方面的工作(E-mail:jiangjun@hdmdi.com)。

郭亚兰(1984—)，女，河北保定人，工程师，从事火电厂热工方面的工作(E-mail:287442924@qq.com)。