塔式起重机顶升平台监控系统的设计研发

2017-08-16诚赵小兵毛居双金素杰陈平硕

中国特种设备安全 2017年7期

关键词：挂靴液压缸监控

高诚赵小兵毛居双金素杰陈平硕

(1.辽宁省安全科学研究院沈阳 110004)

(2.沈阳三洋建筑机械有限公司沈阳 110044)

塔式起重机顶升平台监控系统的设计研发

高诚1赵小兵1毛居双1金素杰1陈平硕2

(1.辽宁省安全科学研究院沈阳 110004)

(2.沈阳三洋建筑机械有限公司沈阳 110044)

本文介绍了在不改变塔式起重机的操控系统及金属结构的基础上，升级顶升平台操纵系统的设计过程；阐述了系统的构成及功能、原理；通过对传感器精度、联机模拟和装机试验，验证了系统设计原理的正确性和功能、精度的符合性；提高了作业人员对安拆作业危险因素的辨识、控制能力和设备的本质安全性。

塔式起重机监控系统设计研发传感器

塔式起重机(以下简称“塔机”)的使用量不断增多,重大事故频频发生,其中安拆作业过程中的事故发生率占比较大［1-3］。Terry McGettigan分析了2009年塔式起重机事故的统计数据［4］,总计176起,共造成75人死亡,其中53起事故和52人死亡是在安拆作业过程中发生的,占比分别为30%和69%,事故发生率和死亡率均远远高于其他作业环节。

人的不安全行为是导致安拆作业事故的主因,例如挂靴操作不规范、配重不平衡、套架冒顶、起重臂转臂及顶风作业等情况时有发生。但现有的塔机安全监控系统仅能监控载荷运输环节,缺乏对安拆作业过程的安全监控,而顶升平台监控系统旨在使塔式起重机在安拆作业过程中对人的不安全行为具备一定辨识和控制能力,进而有效遏制安拆作业事故的发生,保障作业人员和使用设备的安全。

本文从监控系统总体结构、硬件设计、软件设计和试验验证四个方面分别阐述塔机顶升平台监控系统的设计过程。

1 监控系统总体结构及其工作原理

塔机顶升平台监控系统由PLC控制系统、人机交互系统、传感器监测装置和报警装置等部分组成,系统结构如图1所示。人机交互系统采用触摸显示屏实现其功能,传感器监测装置包括套架导轮轮压监测装置、套架倾斜度监测装置、液压缸顶升力监测装置、作业风速监测装置、液压缸行程监测装置、冒顶位置监测装置、挂靴就位监测装置以及起重臂臂架就位监测装置,报警装置包括报警灯和19路MP3大功率语音播放板。

图1 塔机顶升平台监控系统结构图

监控系统的工作原理为:PLC作为系统的控制核心,操作人员通过人机交互系统即触摸显示屏与PLC控制系统实现指令和信息的互传,传感器监测装置将采集的模拟量或数字量信息通过模拟量或数字量输入模块输入PLC控制系统,经数据运算分析实时监测塔式起重机各重要部件的位置参数和状态信息,同时输出指令控制液压泵站和报警装置,从而帮助操作人员实时控制塔式起重机安拆作业的全过程。

2 硬件设计

2.1 PLC控制系统

PLC是专门为工业生产环境而设计的控制装置,厂家在硬件和软件上都采用了大量的抗干扰措施,一般不需要采取特别的抗干扰措施就可以直接在工业环境中使用,PLC在强电磁场、强腐蚀、高粉尘、高低温剧烈变化等恶劣环境下具备广泛的应用性［5］,且其价格低廉、功能满足系统设计要求。

PLC的核心控制部件主要进行模拟信号的A/D转换、开关量的接收以及报警系统和液压泵站的控制。

2.2 人机交互系统

人机交互系统是操作人员与监控系统实现信息互通的媒介。触摸显示屏具有结实耐用、操作方便等特点,且能通过文字、图像、动画等多种形式直观形象地传递信息,因而成为本系统的首选。

触摸显示屏通过组态软件构建操作页面,建立信息通讯,通过与PLC控制系统的信息互通,及时准确的传递操作人员的指令并实时显示塔机各重要部件的位置参数和状态信息,辅助操作人员实时控制塔机安拆作业的全过程。

2.3 传感器监测装置

塔机顶升平台监控系统通过传感器监测装置实时采集塔机各重要部件的位置参数和状态信息,并传递至PLC控制系统。采集位置涉及套架导轮、套架主肢、上下挂靴、液压缸和回转平台等,采集信号包括模拟信号和数字信号,模拟信号的采集装置包括套架导轮轮压监测装置、套架倾斜度监测装置、液压缸顶升力监测装置、作业风速监测装置和液压缸行程监测装置,数字信号的采集装置包括冒顶位置监测装置、挂靴就位监测装置和起重臂臂架就位监测装置。

●2.3.1 套架导轮轮压监测装置

套架上部载荷不平衡、风载过大或套架制造或安装误差等影响因素都可能导致套架和塔身遭受附加力矩作用,套架导轮轮压监测旨在监测起升平面内的八个导轮轮压不超过允许值,从而有效避免了套架和标准节的局部失效。

套架导轮轮压监测装置采用销轴式压力传感器,该传感器替代套架导轮的轮轴,将采集的导轮向心压力信号传输给PLC。

●2.3.2 套架倾斜度监测装置

套架倾斜可能导致套架和塔身遭受附加载荷作用,套架倾斜度监测功能旨在监测套架在水平面两个维度内的倾斜度不超过允许值,保证套架和塔身处于适当的垂直度。

套架倾斜度监测装置采用双轴倾角传感器,该传感器安装在与套架主肢垂直的安装架上,将采集的套架在水平面两个维度的倾斜角度信号传输给PLC。

●2.3.3 液压缸顶升力监测装置

液压缸顶升力监测功能旨在监测液压缸顶升和下降时传递的载荷是否正常,若在上升时压力超过允许值则可能出现卡死现象,而在下降时压力低于下限值则可能出现套架非正常下降或顶升横梁提起等现象。

液压缸顶升力监测装置采用液压压力传感器,该传感器安装在液压泵站进出油管处,将采集的液压缸进出油压力信号传输给PLC,依据液压缸的直径和回油腔的面积分别计算进油腔和回油腔的压力,两者之差即为液压缸顶升力。

●2.3.4 作业风速监测装置

作业风速监测功能旨在监测安拆作业前和安拆作业中的实时风速,防止顶风作业的情况出现。

作业风速监测装置采用风速传感器,该传感器安装在与套架主肢垂直的安装架上,实时采集安拆作业中的风速信号并传输给PLC。

●2.3.5 冒顶位置监测装置

冒顶位置监测功能旨在防止套架导轮超过上部标准节顶部,避免安拆作业过程中出现冒顶现象。

冒顶位置监测装置采用镜面反射光电传感器,共有两组,镜面反射光电传感器和反射器分别安装在套架的四个主肢上,平行于顶升横梁的镜面反射光电传感器和反射器为一组配合工作,安装高度应一致且保证:安拆作业中,套架相对最上层标准节处于最高位置,套架下行时传感器接收不到反射光线,套架上行时传感器可接收到反射光线。

●2.3.6 挂靴就位监测装置

挂靴就位监测功能旨在监测上下挂靴是否正确钩挂到顶升踏步上,阻止了挂靴未就位即开始作业的误操作或作业过程中挂靴意外脱开的误动作。

挂靴就位监测装置采用接近开关,包括上挂靴就位监测装置和下挂靴就位监测装置两组接近开关,每组接近开关由左右两个接近开关组成,接近开关安装于挂靴上,且保证:挂靴与踏步连接时接近开关动作,挂靴与踏步接触连接后接近开关自动复位。

●2.3.7 起重臂臂架就位监测装置

起重臂臂架就位监测功能旨在监测起重臂臂架是否到达作业指定位置,阻止了起重臂臂架未就位即开始作业的误操作或作业过程中起重臂臂架回转的误动作。

起重臂臂架就位监测装置采用镜面反射型光电传感器,镜面反射光电传感器和反射器分别安装于上下回转平台相对表面上,且保证:起重臂位置相对于作业位置偏转±5°范围内传感器可接收到反射光线,否则接收不到反射光线。

●2.3.8 液压缸行程监测装置

液压缸行程监测功能旨在监测液压缸顶升或下降行程,为安拆作业提供套架的实时位置,在液压缸伸缩达到预定位置后提醒作业人员结束该次作业循环。

液压缸行程监测装置采用激光测距传感器,安装于液压缸上支撑横梁的下表面,且保证:安装后,激光束应能平行于油缸轴线射出且落于顶升横梁上表面。

2.4 报警装置

报警装置包括报警灯和19路MP3大功率语音播放板,接受PLC信息并采取声光两种形式警示或指导作业人员。

3 软件设计

监控系统的PLC控制程序由主程序和3个子程序组成。主程序为接收监测装置信号,调用相应子程序,并设置报警条件。3个子程序分别服务于信息采集与处理系统,报警系统和人机交互系统。监控系统的主程序流程如图2所示。

系统开始运行后,先将各部分初始化,传感器监测装置采集塔机各重要部件的位置参数和状态信息,模拟量传感信号进行模数转换,处理后的模数信息经输入模块上传系统控制核心,根据作业指令信号判断液压缸伸缩作业要求,调用报警信息处理与输出子程序判断预设的报警条件是否满足,若符合报警条件,则报警器播报相应语音提示并伴以灯光报警信号,触摸屏中显示报警信息,液压泵站停止供电,若所有的报警条件均未达到,则PLC控制液压泵执行系统作业指令,液压缸伸缩到预定位置后,由作业人员确认后可结束该次作业循环。

人机交互系统的核心是触摸屏界面组态设计,共有7个过程画面:初始化界面、总监控界面、套架导轮压力界面、套架倾斜度界面、液压缸状态界面、风速就位界面和参数设置界面。总监控界面如图3所示,显示内容包括套架导轮压力、套架倾斜度、液压缸顶升力、液压缸行程、风速等参数和冒顶、起重臂就位、挂靴就位等状态。参数设置界面如图4所示,需要设置的参数包括液压缸原始长度、液压缸截面面积、液压缸行程上限、液压缸行程下限、液压缸顶升力限值、导轮压力限值、套架倾斜度限值和风速限制,另外还设有语音报警开关。其余参数和状态显示界面以图或表等形式详细显示相应信息,在此不一一赘述。

图2 监控系统主程序流程图

图3 监控系统总监控界面

图4 监控系统参数设置界面

4 试验验证

塔机顶升平台监控系统试制完成后,按设计要求进行了传感器试验、联机模拟试验和装机试验。

传感器装置在实验室内按照制造单位和产品标准提供的试验方法和试验条件,分别进行了绝缘试验、温度适应性试验、防水试验、防尘试验、误差试验和可靠性试验,经试验验证所选用的传感器及其附件的性能和精度均能满足设计要求。

联机模拟试验在试验车间内完成,控制系统与传感器监测装置、试验液压系统等按设计要求完成连接,按模拟工况完成系统参数设置,模拟试验时依次模拟塔机各重要部件的位置参数和状态信息超过限值要求或人为动作,经试验验证程序设计合理可行,系统工作原理能满足设计要求和作业需求。

装机试验是在塔机试验场内完成。各传感器监测装置安装在设计指定位置,控制系统与传感器监测装置、塔机液压系统等按设计要求完成连接,按试验工况完成系统参数设置。按照塔机顶升和拆卸全过程进行超限作业试验,一个作业试验循环中,应创造试验条件保证各传感器监测参数或状态超限一次,共进行作业试验循环十次。按照塔机顶升和拆卸全过程进行正常作业试验,试验中记录各传感器监测参数或状态,共进行作业试验循环五十次。经试验验证监控系统达到预期设计要求,其功能特性和技术指标能满足塔机安拆作业的作业需求。

监控系统经各项试验验证,具备以下特点:

1)安装方便。监控系统的安装不需要改变套架原有结构,控制柜体积小,方便安装在顶升平台上,除导轮轮轴需替换外,其余传感器监测装置仅需固定安装。

2)操作简单。触摸屏界面显示直观,便于操作者直观地了解塔机的作业位置和状态,不改变原有作业流程,方便作业人员操控使用。

3)安全性高。监控系统监控的参数和状态在塔机安拆作业中起着极其关键的作用,当作业过程偏离安全范围时报警系统将启动,切断供电,播报语音提示,从而提高了设备的本质安全性。

5 工程应用

塔机顶升平台监控系统实时监控塔机安拆作业过程,有效地遏制了因人的不安全行为和设备的安全隐患而发生的安全事故,通过监控套架导轮轮压和倾斜度,保证了上部载荷的配平,通过监控液压缸顶升力,及时发现作业过程中的卡阻现象,通过冒顶位置和挂靴就位监测,防止冒顶或挂靴就位异常等工况的出现,通过风速和臂架位置监测,为安拆作业提供了合格的作业环境,从根本上保障了作业过程的安全,满足作业安全性和实用性的要求。

为开展塔机顶升平台监控系统的推广应用,通过选取40台在用塔机作为工程试验应用对象,工程应用试验塔机均为两工地在用建设塔机,按服役时间、使用轻重频繁程度、使用频次和设备型号4个参数平均取样。服役时间分别为1年、4年、7年和10年,使用轻重频繁程度分别为常轻载使用、常中载使用、常重载使用和常满载使用,使用频次分别为100次/天及以下、100～300次/天、300～500次/天和500次/天及以上,设备型号分别为QTZ40、QTZ63、QTZ80和 QTZ125。

经过6个月的工程应用试验验证,塔机顶升平台监控系统共完成417次作业任务,报警系统共启动212次,其中,套架导轮轮压超限113次,套架倾斜度超限93次,挂靴就位异常3次,臂架位置异常2次,液压缸顶升力超限1次。工程应用过程中,传感器装置正常且监控功能运行良好,控制系统未出现控制错误,工作指令和报警信号的发出准确无误,且监控系统的安装方便,使用便捷,得到了作业人员的一致好评。

6 结束语与展望

本文介绍的塔机顶升平台监控系统填补了国内塔式起重机安拆作业中监控技术的空白,在不改变原有塔式起重机操控系统及金属结构的基础上,方便快捷地升级了现有顶升平台的操纵系统,解决了物的不安全状态,提高了设备的本质安全性,使塔式起重机在安拆作业过程中对人的不安全行为具备一定辨识和控制能力。该系统完成了40台塔机的工程应用试验,在工程应用试验中实时监控了作业人员的操作和设备的运行状态,其中套架导轮轮压和倾斜度超限情况突出,有效地遏制了这一危险源可能导致的安全事故,同时也降低了其他事故发生的概率,成功地验证了该监控系统的监控功能和效果。因此,该系统的应用推广能有效地避免塔机安拆作业事故的发生,可以提高塔机安拆作业的安全可靠性和智能化水平,具有实际应用价值,对完善塔机的设计制造具有较大的借鉴和指导意义。

［1］王健，刘兵．QTZ80 塔机顶升过程倒塌事故分析［J］．中国特种设备安全，2015，31(7)：57-60．

［2］董大伟，王金龙，周立新．塔吊的安全使用和拆卸的事故分析［J］．建设机械技术与管理，2015（7）：106-107．

［3］杨小平，付勇．塔机事故频发的几个重要因素及预防措施［J］．建筑机械化，2012（8）：83-85．

［4］ Terry McGettigan．2009 年塔机事故分析［J］．建筑机械，2 010(3)：52-53．

［5］刘善增．PLC控制系统的可靠性设计［J］．工业控制计算机，2004，17(7)：37-47．

Design and Development of the Monitoring and Controlling System on the Climbing Frame of the Tower Crane

Gao Cheng1Zhao Xiaobing1Mao Jushuang1Jin Sujie1Chen Pingshuo2
(1. Liaoning Academy of Safety Science Shenyang 110004)
(2. Sanyang Building Machinery Co., Ltd. of Shenyang Shenyang 110044)

This paper introduces the design of the monitoring and controlling system on the climbing frame of the tower crane, unchanging the original control system and metal structure of the tower crane. The composition,function and principle of the system are explained. The design principle, function and accuracy of the system are veri fi ed by the sensor test, simulation test and fi eld test. The system could help operators to recognize and handle with the danger while climbing operation, and increase the intrinsic safety of the tower crane.

Tower crane Monitoring and controlling system Design and development Sensor