高处作业吊篮用提升机性能检测系统设计

于昂,李薇，苗盈

(无锡职业技术学院机械技术学院，江苏无锡 214121)

0 前言

近几十年，高处作业吊篮(以下简称吊篮)广泛应用在建筑、化工、风电等行业，如可用于高层建筑的外墙维修、幕墙安装和清洗等作业。吊篮由平台、起升机构、悬挂装置、电气系统和控制系统组成，具有拆装方便、使用灵活等优点。吊篮作为非常设高空作业平台，其安全事故时有发生，充分保障吊篮的施工安全尤为重要[1]。高处作业吊篮用提升机(以下简称提升机)是吊篮动力起升机构的重要组成部分，负责驱动平台升降，同时搭载限位、超载等报警功能，其质量可靠性在极大程度上影响着吊篮的安全性能[2]。从2018年8月1日起，我国施行GB/T 19155—2017[3]作为提升机安全性能的评估标准。根据标准中规定的检验要求，提升机的安全性能需由第三方认证机构进行检验。同时，在提升机出厂前，制造商必须对其部分性能进行检验，比如：绝缘电阻检验、额载检验等。因此，每一个提升机制造商应该有自己的一套检测系统，不仅可以作为邀请第三方认证机构检验之前的预评估系统，也可以作为提升机出厂前的性能检测系统。第三方认证机构也同样需要一款高效、可靠的提升机性能检测系统。

任子晖和陈军[4]设计了一款矿井用提升机性能测试仪，但其检测的性能参数与吊篮用提升机不同。目前，关于实现吊篮用提升机性能自动化检测的研究鲜有报道。虽然GB/T 19155—2017标准提供了提升机的性能指标和检验方法，但目前还没有满足该标准的提升机性能检测设备，检验员往往需要通过手工测量得到检测数据并撰写报告，这极大地降低了检测效率和数据可靠性。

针对以上问题，本文作者研究设计一套高处作业吊篮用提升机性能检测系统。利用PLC进行设计，将系统构建为一个有机的整体。采用Visual Basic(VB)语言编写上位机主控制程序，提出一种上位机软件与PLC的协同控制方法，实现提升机性能的多指标自动化检测。该系统不仅具备高精度、高智能化的提升机性能检测功能，同时能够将检测数据储存至MySQL数据库并自动生成检测报告。

1 系统架构

该系统需要实现提升机的绝缘电阻检验、静载检验、动载检验、额载检验和滑降速度检验共5个检验项目。绝缘电阻检验测量提升机的电气线路绝缘电阻；静载检验测量在1.5倍额定载质量工况下，提升机主制动器的滑移距离；滑降速度检验测量在200 kg载质量工况下，打开提升机主制动器后，平台的滑降速度；动载检验测量在1.25倍额定载质量工况下，提升机主制动器的制动距离；额载检验测量在额定载质量工况下，提升机的检验电压、升降电流和平台的升降速度。以上提升机性能参数在GB/T 19155—2017标准中的指标如下：

(1)绝缘电阻值大于等于2 MΩ；

(2)主制动器无明显滑移；

(3)主制动器制动距离小于等于100 mm；

(4)升降电流应测量并记录；

(5)检验电压与提升机额定电压的偏差不大于额定电压的±5%；

(6)平台升降速度小于等于18 m/min，其误差不大于设计值的±5%；

(7)平台滑降速度小于等于25 m/min。

系统的总体架构如图1所示，分为机械结构单元、下位控制单元、传感器与采集单元、上位机单元4个部分。机械结构单元包括指示灯、蜂鸣器和提升机，指示灯用于显示检测系统的运行状态，蜂鸣器用于合格与报警提示音的输出，提升机负责牵引平台的升降。下位控制单元是系统的子控制部分，包括按钮开关、限位开关、接近开关和PLC。传感器及数据采集单元包括拉绳传感器、绝缘电阻测试仪、三相电力仪表和PLC的A/D模块。上位机单元由工控机和利用VB6.0编写的软件组成。该系统可以自动测量绝缘电阻、滑移距离、制动距离、检验电压、上升电流、下降电流、上升速度、下降速度和滑降速度这9个性能参数。

图1 提升机性能检测系统的总体架构

2 硬件设计

2.1 检测条件的实现

为模拟提升机的实际工作状态，本文作者设计一款新型机架和电控柜，将系统的4个单元有机结合。机架尺寸为1 630 mm×770 mm×3 600 mm，电控柜尺寸为1 075 mm×800 mm×1 400 mm。系统的硬件结构如图2所示。

图2 系统的硬件结构

机架右侧设有提升机固定架，检测前将提升机固定在此处。平台上端设有2个导向轮，分别与机架两侧的支撑柱啮合，使平台在升降过程中保持稳定。平台顶部一侧设有接触块，在平台升降过程中触动限位和接近开关。平台的底部设有配重连接架，同时机架底部放置一定数量的铸铁配重，每块质量为25 kg。销轴可以插入配重连接架不同位置的销孔，以改变平台载质量。钢丝绳通过机架顶部的滑轮将提升机与平台连接起来。机架顶端设有拉绳传感器，拉绳缚在平台顶部。

电气控制柜内装有工控机、PLC和其他控制元件，柜面上装有三相电力仪表、绝缘电阻测试仪、按钮开关、指示灯、蜂鸣器和液晶显示屏。电控柜侧面配备手握开关接插件，同时根据提升机不同型号，分别配备10芯和12芯的电源接插件，引脚配置如图3所示。

图3 提升机电源接插件引脚配置

2.2 下位控制单元

图4所示为下位控制单元，负责系统的机械作用，其工作过程由PLC控制[5-6]。该系统使用欧姆龙PLC作为核心控制器，这种类型的PLC有24个输入端口、16个输出端口和4路模拟信号输入的A/D模块，仪器的供电电源为100～240 VAC，输入端口和输出端口的额定电压为24 VDC。

图4 下位控制单元

PLC的各端口定义如表1所示。表中输入端口分别连接限位开关、极限开关、提升机限位器和限载器的常闭点。输出端口101.00～101.04分别连接中间继电器线圈，再由中间继电器控制主线路中交流接触器线圈的电源通断。同时，PLC通过RS232通信模块与工控机的串口相连，实现与上位机软件的通信。

表1 PLC端口配置

PLC的一个通道内可储存16位二进制数，一位二进制数可控制一个端口(触点)通断。文中所述的通道值表示该通道内16位二进制数转化为十六进制数后的值，根据通道值可判断各端口状态，其中“0”表示断开、“1”表示导通。上位机软件采集PLC各通道值的频率设为20 Hz。

2.3 绝缘电阻检测模块

绝缘电阻值由绝缘电阻测试仪测得。仪器设为500 VDC输出、上限电阻值设为1 000 MΩ、精度为±2%FS，符合检测要求。绝缘电阻测试仪为直流输出，在接线时必须将直流输出与提升机的交流电源分支布线，接线方式如图5所示，图中的中间继电器线圈电源由PLC的101.04端口控制。上位机软件通过仪器的RS232通信接口，使用SCPI命令控制仪器的启动、停止以及读取测得的绝缘电阻值。

图5 绝缘电阻测试仪输出接线

2.4 位移检测模块

为测量提升机主制动器的滑移距离和制动距离，将它转化为平台在设定时间内的位移差。位移由拉绳传感器测得，其测量范围为0～3 000 mm、测量精度为0.15%FS、分辨率为0.5 mm。

拉绳传感器为三线制，输出0～20 mA电流，信号由PLC的A/D模块采集并储存在寄存器通道中[7]。拉绳传感器与A/D模块的连接方式如图6所示，拉绳传感器所测量的位移与其输出电流的关系如式(1)所示：

图6 拉绳传感器与A/D模块的接线

Y=150X

(1)

式中：Y为平台位移(mm)；X为拉绳传感器输出电流(mA)。

输出电流X与PLC寄存器内数据的关系[8]如式(2)所示：

Z=300X

(2)

式中：Z为PLC寄存器内数据(mm)。

结合公式(1)和(2)，平台位移Y与PLC寄存器内数据Z之间的关系如式(3)所示：

Y=1/2Z

(3)

上位机软件以20 Hz的频率采集PLC各通道值，获取A/D模块寄存器通道内存储的数据，并通过公式(3)计算得到平台的实时位移，最后采用平均化处理减小测量误差。经过现场测试，平台位移的测量误差为±2.5 mm，因此当测得滑移距离小于5 mm时，即判定平台无明显滑移。

2.5 电压和电流检测模块

额载检验中的检验电压和升降电流由三相电力仪表测得，测试区间为机架的上、下2个接近开关之间的区域。接近开关为常开型，感应距离为8 mm。三相电力仪表能够将电流、电压值储存在寄存器中，并配备了RS485通信接口，通过RS485转到RS232转换器与工控机串口相连。

三相电力仪表直接测量的最大电流为5 A，而部分提升机额定电流大于5 A，因此必须采用电流互感器。以检测A相电流为例，接线方式如图7所示。仪表电流寄存器值In(A)与真实电流值Ir(A)的关系如式(4)所示，电压寄存器值Un(V)与真实电压值Ur(V)的关系如式(5)所示：

图7 电流互感器与电力仪表的连接

Ir=In×0.001×CT

(4)

Ur=Un×0.1×pT

(5)

式中：CT表示电流互感器变比，该系统中变比为25∶5；pT表示电压互感器变比，系统未采用电压互感器，故取1。

上位机软件通过Modbus-RTU协议读取三相电力仪表寄存器内数据，并依据公式(4)和(5)计算得到真实电压、电流值。

2.6 速度检测模块

速度检测包括平台的升降速度检测和滑降速度检测，测试区间同为机架上、下2个接近开关之间的区域。当平台进出测试区间时，接近开关动作并传输信号至PLC输入端口，上位机软件采集到该信号，并记录平台在测试区间内的运动时间。一次上升或下降速度的定义如式(6)所示：

(6)

式中：v为一次测量的速度(m/min);Lv为上、下接近开关距离(mm);t为运动时间(s)。

3 软件设计

软件设计分为PLC程序设计和上位机软件设计2个部分。传统的PLC控制系统中，PLC内部程序的逻辑固定，通过输入端口的状态变化控制输出[9-10]。但在提升机性能检测过程中，检测项目多达5个，每个项目的控制逻辑和检测要求都不相同，如果只依靠PLC程序难以实现这样的控制。因此，提出一种上位机软件和PLC的协同控制方法。

3.1 PLC程序设计

该系统中提升机电源、绝缘电阻测试仪输出线路的通断、蜂鸣器、按钮开关、限位开关等皆由PLC控制。PLC程序如图8所示，上、下限位开关定时器设定为3 s。可知：在PLC程序中加入了内部辅助继电器通道，地址为1 300～1 304 CH。上位机软件通过改写PLC的内部辅助继电器通道值来灵活控制输出，从而实现多种控制过程。

图8 PLC控制程序

由图8还可知:当手/自动开关拨动到手动模式时，由定时器控制的自动运行线路断开，检验员可以直接操作电控柜面板上的上、下行按钮，控制电机正反转，便于提升机安装时的进绳和退绳操作，以及应对其他意外情况。在系统设计中，不仅在硬件层上使中间继电器互锁，在PLC程序设计中，也应使各输出端口互锁。

3.2 上位机软件设计

上位机软件负责监控PLC各端口状态并协同控制提升机运行，控制绝缘电阻测试仪测量绝缘电阻，读取三相电力仪表的电流、电压值等多项任务，在整个系统起着至关重要的作用。VB语言可以构建良好的图形界面[11]，上位机软件采用VB6.0集成环境开发，检测界面如图9所示。利用MSComm控件，构建上位机软件与各仪器之间的串口通信。利用ADO组件和MySQL数据源(Open Database Connectivity，ODBC)，实现软件对MySQL数据库的读写操作[12]。最后，通过Microsoft Word Object Library组件生成检测报告。

图9 上位机软件界面

3.2.1 检测流程

图10—图14分别为各项目的检测流程。检测前应先启动PLC、绝缘电阻测试仪和三相电力仪表。提升机型号数据表已录入MySQL数据库中，检验员要根据实际检测的提升机型号在软件中进行选型，软件根据型号自动改写PLC的1303通道值以接通10芯或12芯接插件电源。然后，检验员在手动模式下正确安装提升机，并将平台置于下限位开关以下的初始位置，转换至自动模式后即可开始检测。

图10 绝缘电阻检测流程

图11 静载检测流程

图12 滑降速度检测流程

图13 动载检测流程

图14 额载检测流程

3.2.2 子流程描述

检验电压判断子流程：上位机软件读取三相电力仪表当前测得的电压值，并与提升机额定电压进行对比，若偏差不大于额定电压的±5%，则记录检验电压，并进入下一步骤，否则系统报警并退出检测过程。

额载数据采集子流程：上位机软件通过PLC的电机正、反转输出端口101.00和101.01的状态判断平台的升降，并通过上、下接近开关输入端口0.02和0.03的状态判断平台是否进入测试区间。当平台进入测试区间后，软件以2 s的采集间隔采集三相电力仪表的电流值，并记录平台在区间内的升降时间。最后，通过式(6)计算得到升降速度，并将采集到的上升和下降电流分别取平均得到平均升降电流。

一个项目检测合格后，进入合格子流程。首先，软件将该项目的检测结果存储至MySQL数据库中，然后，令PLC的1301和1304通道值置1，其余内部辅助继电器通道值置0，此时，合格蜂鸣器鸣响，提升机电机反转，平台下降。等待2 s后，令1304通道值置0，合格蜂鸣器停止发声。在平台下降过程中，软件实时读取拉绳传感器测量值Yc，当Yc≥ 2 450 mm时，令1301通道值置0，电机制动，平台停止，此时平台已返回至初始位置。

不合格子流程与合格子流程的区别在于:不合格子流程PLC的1304通道值先置2，后置0，控制报警蜂鸣器鸣响。PLC的报警程序带自锁功能，需按下电控柜面板上的“报警消除”按钮消除。

3.2.3 报告生成

5个项目均检测合格后，才可生成检测报告。检测报告生成有两种模式:第一种为单次报告生成，检验员点击检测界面上“检测合格”按钮，软件将根据当前检测数据生成检测报告；第二种为批量报告生成，进入提升机性能检测结果列表，选择要打印的检测记录，软件将请求MySQL数据库中数据生成多份检测报告。

4 测试结果

对该系统进行了现场测试。检测对象为某公司生产的提升机，其额定载质量为800 kg、额定电压为380 V、所用钢丝绳直径为9.1 mm、设计升降速度为9 m/min，并配置12芯电源接插件。

对该型号提升机进行3次全参数检测以衡量系统的可靠性，并设定动载和额载检测的升降次数均为3次。表2所示为提升机各性能参数的检测结果，表中数据显示该提升机的各项性能均符合GB/T 19155—2017标准要求，且3次检测结果数据波动小，系统的稳定性高。

表2 提升机检测结果

5 结论

本文作者设计了一套满足GB/T 19155—2017标准要求的高处作业吊篮用提升机性能检测系统，并提出了一种上位机软件与PLC的协同控制方法。上位机软件由VB语言开发，通过RS232通信接口与PLC、绝缘电阻测试仪和三相电力仪表建立通信，实时采集与处理PLC的多通道信号，监控各端口状态和获取拉绳传感器所测位移；控制绝缘电阻测试仪测得绝缘电阻；采集三相电力仪表的电流、电压值。同时，该软件通过改写PLC内部辅助继电器通道值的方式控制PLC输出端口的通断，使系统能够根据检验员设定的检测项目和参数，执行不同的检测流程，不仅实现了提升机性能的多指标自动化检测，且满足了客户不同的检测要求。该系统中结合了Microsoft Word以及MySQL数据库技术与VB，实现了数据存储和报告生成的功能。结果表明：该系统自动化程度高，运行稳定且检测结果可靠。