电动葫芦能效智能化测试系统

2023-08-09王松雷

中国特种设备安全 2023年7期

关键词：电动葫芦试验台能效

王松雷刘方

（1.江苏省特种设备安全监督检验研究院无锡分院无锡 214174）

（2.国家桥门式起重机械产品质量检验检测中心无锡 214174）

（3.江苏省起重运输安全与节能重点实验室无锡 214174）

（4.浙江双鸟起重设备有限公司绍兴 312455）

电动葫芦因其结构紧凑、制造方便、安装简易、维修简单、价格低廉以及操作灵活等特点，已经成为一种拥有量最大、增长速度最快的轨道运行式起重机。据统计，截止到2021 年底，我国在用起重机械273.02 万台[1]，根据无锡特种设备检验系统的统计，电动葫芦起重机占起重机总数的83.6%，依此推断全国在用电动葫芦大约228.25 万台，且以配有锥形转子电机的钢丝绳电动葫芦为主，该类型电动葫芦能效低，一般小于50%，一般只能达到3 级能效[2-3]。2014 年国家取消了电动葫芦的制造许可，电动葫芦制造企业数量迅速增多，涌现了一批创新型电动葫芦。

2013 年11 月27 日，原国家质检总局联合国家标准化管理委员会共同发布了质检部门主导的首个起重机械能效测试标准GB/T 30028—2013《电动葫芦能效测试方法》，并于2014 年3 月1 日实施。2016 年9月1 日，JB/T 12745—2016《电动葫芦能效限额》发布实施，对各种电动葫芦的能效等级做了详细规定。

目前，国内电动葫芦厂家众多，能效高低不齐，没有符合要求的电动葫芦能效试验台。因此，研发一款便携式电动葫芦能效智能化测试仪，对节能电动葫芦产品开发、能效测试、能效监督都具有重要意义。

1 电动葫芦能效专用试验台

1.1 电动葫芦能效专用试验台组成

传统的电动葫芦能效专用试验台一般由试验台架和控制系统组成。试验台架一般由试验轨道、地基、底坑、立柱、横梁、走台等部分组成[4]；控制系统一般由供电模块、监控模块、测试模块、数据处理模块等组成。电动葫芦试验台架见图1。

图1 电动葫芦试验台架

1.2 传统电动葫芦能效专用试验台的不足

1）开发成本大、周期长。试验台架由钢结构制作，地基和底坑由钢筋混凝土浇筑，需要占用固定的试验场地，控制系统需要专用的变压器和控制室。开发成本约400 万元，建造周期一般要半年左右。

2）试验场所固定。试验台一旦建成，所有的测试装置均固定，试验样品均需运抵试验室，并安装到试验台架上才能试验，不能到使用现场进行测试。

3）测试效率低，劳动强度大。样品需要安装到试验台架上，接上测试仪表、控制线以及电源线，测试结束后还需要拆卸。整个测试过程中80%以上的时间都浪费在了试验样品的拆卸和接线上。

4）试验能力有限。试验台一旦建成，适合安装的电动葫芦尺寸、吨位已经固定，能够测试的电参数也已经固定，超出试验台能力的测试则无法进行。例如，对近年来出现的低净空葫芦、欧式葫芦、大吨位葫芦、偏挂葫芦以及特殊机型，现有的试验台要么不能安装、要么测试功率不够。

5）后期维护成本高。试验台结构部分分为机械、结构、液压部分，电气部分分为控制、采集、显示、监控等部分，有高压、低压、强电、弱电，结构和系统复杂，后期机、电、液维护频繁，维护成本高。

6）测试技能要求高。试验台涉及机、电、液、控制、测试、数据处理等部分，需要各相关专业技术人员。

2 便携式电动葫芦能效测试仪

2.1 便携式电动葫芦能效测试仪组成

王松雷等人研发的基于虚拟仪器的便携式电动葫芦能效测试仪[5-6]，解决了普通试验台架不具有能效测试功能、不可以带到现场测试、不能适应特殊电动葫芦测试以及试验台开发成本大、测试效率低、劳动强度大的问题，仪器实物见图2。

图2 便携式测试仪实物图

2.2 便携式电动葫芦能效测试仪存在的不足

1）不具有自动控制的功能。该测试仪器可以被带到有试验台架的企业，配合电动葫芦试验台架的控制功能，测试出电动葫芦的供给能，计算出能效。或者被直接带到电动葫芦使用现场，配合电动葫芦自动控制箱或者手动控制电动葫芦。但是该设备不能控制电动葫芦的运行。

2）需要配备笔记本电脑。所有的操作均通过笔记本电脑操作。

3）需要外接电源。测试仪和测试终端需要220 V电源。

3 电动葫芦能效智能化测试系统

3.1 系统组成

如图3 所示，本测试系统主要由微控制器主控制模块、数据接口转换模块、电能采集模块、载荷测量模块、ZigBee 无线协调模块、ZigBee 无线通信模块、负载高度测量模块、移动电源模块、SD 卡存储模块、GSM 无线通信模块、人机交互模块、IO 驱动控制模块和能效云平台组成[7-8]。仪器实物见图4。

图4 智能化测试系统实物图

3.2 主要组成部分介绍

1）微控制器。采用STM32F407VET6 型微控制器，控制测试流程的运行，控制器主频为168 MHz，满足运算要求，同时具有CAN、SPI、UART5 等16 路串口外设，满足本测试仪多路通信接口的需求，并具有SDIO 接口，可扩展SD 卡存储。

2）高度测量及数据传输。ZigBee 通信距离能达到500 m，为低速率应用设计，功耗低，且成本低。本文中载荷高度的采集时间间隔为1 s，ZigBee 能满足要求，且测量时采用电池供电，所以选用ZigBee技术。

3）电能采集模块。采用DSSX/DTSX838 型三相智能电表，可同时测量电能、电压、电流、功率等数据，准确度为0.5 级。电表可保存最近2 个月或更多的历史电量数据，所有电量数据可通过RS485 通信接口读取。具有一路调制型红外通信接口和一路完全隔离的RS485 通信接口，方便现场维护和远程数据采集。

4）载荷测量及传输。采用电流互感器检测出电动葫芦起升电机的空载起升电流[9]、负载起升电流，利用电能表采集空载起升电能、负载起升电能，利用激光测距仪检测空载起升行程，根据电机参数查出起升电机定子电阻值或者采用万能表测量，由微控制器通过上述参数并根据内置时钟数据自动计算出载荷的重量。载荷数据通过ZigBee 无线传输给主控模块。

5）远程数据传输。如图5 所示，在有移动通信网络覆盖的情况下，电动葫芦能效测试装置直接通过移动通信网络将数据发送至远程服务器，无移动通信覆盖的情况下，移动设备（手机或平板）通过蓝牙方式读取装置内数据，存储到终端本地，测试人员离开工业现场后，借助移动通信网络或WiFi 将数据发送至远程服务器。

图5 数据传输方案

6）能效云平台。能效云平台布置在远程服务器中，以Saas（软件即服务）的形式构建在现有云计算体系之上，利用现有的Iaas（基础设施即服务）和Pass（平台即服务）提供的IT 基础设施服务和平台软件服务，建立在线监测及分析需要的软件中间件，实现运行数据的接收及处理、存储及管理、分析以及展示等功能。云平台可以同时接收处理100 台以上的测试数据，与测试系统通过GSM 无线通信，实现能效采集的自动化和智能化[7]。

3.3 系统工作原理

测试系统分为能效采集终端和能效云平台，能效云平台布置在远程服务器中，能效采集终端布置在司机室或电控箱内。能效采集过程中，电动葫芦的运行分为自动控制运行和人工操作运行，自动控制运行是微控制按照预先设定的程序，通过微控制器的驱动控制模块控制电动葫芦的上升、下降接触器，实现电动葫芦的自动运行；人工操作运行是电动葫芦正常工作时，不受自动控制模块的控制。采集系统工作过程为电能表采集电能、互感器采集起升电机电流、激光测距仪检测起升行程，微控制器结合起升电流、电能、起升行程、时钟时间和输入的起升电机电阻值，计算出能效值，并将数据存储在SD 卡中，同时通过GSM发送给能效云平台，云平台自动接收、处理、管理、展示能效信息。

3.4 能效计算数学模型

1）电能计算，见式（1）：

式中：

Ei——第i 个运转周期的供给能，J；

Di——第i 个周期电动葫芦在上升阶段从电能表上读出的数据，kW.h。

2）起升行程计算，见式（2）：

式中：

li1——第i 个周期起升前激光测距仪读数；

li2——第i 个周期起升后载荷完全静止时激光测距仪读数。

3）起升速度计算，见式（3）：

式中：

Hi——第i 个运行周期中起升高度，m；

Ti——第i 个运行周期中起升运行时间，s。

4）载荷重量测量。通过电流互感器、电能采集仪、高度测量模块、人机交互模块输入的数据等计算得出，计算式见式（4）：

式中：

G——载荷重量，N；

E负——负载时系统输入的电能，J；

E空——空载时输入的电能，J；

i负——负载时的定子电流，A；

i空——空载时的定子电流，A；

R——起升电机的定子电阻值，Ω；

V0——空载时起升速度，m/s。

5）有效能计算，见式（5）：

式中：

Qi——第i 个工作周期内的有效能，J；

Hi——电动葫芦在第i 个工作周期起升的距离，m。

6）能效计算。能效分为瞬时能效和标准能效，瞬时能效计算式见式（6），标准能效计算式见式（7）：

式中：

δi——第i 个工作循环的能效值。

3.5 功能特点

1）方便携带。集成度高，体积小，重量轻，整个测试箱的体积大约为350 mm×240 mm×100 mm，相当于1 个笔记本电脑大小，可以随身携带。

2）自动化测试。通过触摸屏选定被测电动葫芦的工作级别，选定工作循环次数，可以自动测试。

3）自动检测重量。通过一次空载上升运行，系统可以自动检测出载荷重量。

4）起升行程自动检测。通过激光测距仪自动检测起升行程。

5）布线方便。只需将互感器穿入动力线即可。仪器由锂电池供电，不需要外接电源。激光测距仪通过ZigBee 与主机无线通信，不需要线缆。

6）远程传输。测试结果通过GSM无线传输到云端。

7）数据处理自动化。云平台可以同时接收100 台以上的测试数据，并自动分析、管理和展示。

8）可以手动控制电动葫芦。可以通过触摸屏手动控制电动葫芦的起升和运行，作为电动葫芦的控制装置。

9）后期维护少。所有测试仪器和测试系统集成，几乎没有后期维护。

10）电气隔离。测试系统全为弱电，不涉及强电，测试系统本身及测试人员都十分安全。

11）方便功能扩展。主控芯片留有多个通信端口，方便功能扩展。

12）系统升级方便。测试程序固化在主控芯片ARM 中，可以联机更新或者远程更新。

4 使用方法

测试流程如图6 所示。

图6 测试流程

1）测试开始前。将智能电表接入电动葫芦控制箱的输入端，互感器穿过电动葫芦起升电机的相线，激光测距仪通过磁力座吸附于吊钩滑轮组的侧面罩壳上或者砝码下面或侧面。接通移动电源，接入工频交流电源给移动电源充电。

2）系统自检。用户点击开始后，装置自检任务开始运行，逐一检查电能读取、高度读取、蓝牙模块检测、GPRS 模块检测，并将各部分的检查结果显示在界面上。

3）输入设置。用户可设置当前待测试的电动葫芦相关参数，点击工作级别显示框弹出M1～M8 选择框，点击单双速显示框弹出单速和双速选择框，点击负载显示框弹出数值键盘，用户可以键入当前负载重量，单位为kg，点击确定按钮后，参数设置生效，点击下一步进入能效测试界面。

4）载荷自检测。起升重量是有效能计算的必要参数，做一次空载起升和一次负载起升，系统会自动计算载荷大小。

5）自动运行。通过人机交互模块的触摸屏输入必要参数，触击“自动运行”触摸键，系统会按照设定工况自动控制电动葫芦升降运行。

能效测试界面如图7 所示，当能效测试开始后，该界面可以实时查看电动葫芦当前状态，包括载荷高度、有效能、供给能、当前测试剩余时间，并实时计算当前能效值，在该界面用户可以中断能效测试，点击结束测试按钮即可。

图7 能效测试界面

6）人工操作。人工操作就是电动葫芦的正常使用操作，通过运行模式触摸键关闭自动运行功能。

7）运行、计算。主控模块计算能效，并存储在外部存储器中，同时通过GSM 发送给服务器能效云平台。

8）数据存储。主控模块实时将计算数据存储到外部存储模块，并可以离线导入电脑，同时数据通过GSM 发送给服务器能效云平台。

9）云计算。能效云平台通过GSM 可以同时远程接收至少100 台测试系统传来的数据，并对数据自动进行分析、管理和展示。

10）起吊载荷变化后。首先需要进行1 次空载起升运行，以便载荷测量模块检测出载荷重量。

5 试验案例

5.1 能效测试实例

测试对象为1 台额定起重量为5 t、起升速度为8 m/min、起升高度为9 m、M3 工作制、起升电机为7.5 kW 的CD1 钢丝绳电动葫芦。测试方法和测试工况按GB/T 30028—2013 进行。

按照GB/T 30028—2013 中表A.1 的单速M3 运行方式，测试1 个周期96 s，上升12 s，暂停36 s，下降12 s，暂停36 s。重复测试10 个周期，求平均值。测试结果见表1。

表1 CD1 5-9 型电动葫芦能效测试结果

PGnv=额定起重量×起升速度=5×8 t.m/min=40 t.m/min

根据PGnv=40 t.m/min，对照JB/T 12745—2016中表3 的能效分级可知，未采用变极电机的钢丝绳电动葫芦1 级能效要达到75%，2 级能效要达到62%，3级能效要达到57%。因此，该电动葫芦能效符合2 级能效。

5.2 Android 客户端通讯

Android 客户端通讯可分为2 部分，第1 部分是与能效测试装置交互相关功能，第2 部分是与服务器端交互相关功能。下面分别对其进行测试，运行Android客户端软件的是华为荣耀8 型号手机，Android 系统版本为7.0。

1）与能效测试装置交互功能测试。Android 客户端与能效测试装置交互时，主要功能是与装置建立蓝牙连接，读取装置内能效文件。用户点击蓝牙设备列表里面的HC-02，Android 客户端开始与装置建立蓝牙连接，连接建立后，显示连接成功，并刷新界面状态。然后，用户进入装置文件读取页面，先点击读取文件，获取装置内未上传的文件名信息。然后用户复选该文件，点击保存文件，Android 客户端即开始读取该文件，读取完成后存储到Android 设备的文件系统。

2）与服务器端交互功能测试。Android 客户端与服务器端交互时，主要功能是用户登录和上传能效文件。本次测试的前提是已读取能效文件到Android 设备中。用户在登录界面输入正确的用户名、密码后，显示登录成功。然后进入文件上传页面，文件列表页显示1 个待上传能效文件，点击该文件的复选框，点击上传，文件开始上传到服务器端。