摘要：工业4.0理念、数字化车间、智能制造等重大战略的实施均离不开智能搬运设备，智能起重机（智能搬运机器人）的智能吊具更是现代工业生产中不可或缺的重要特种设备。因此，无论在智能制造领域的智能搬运、智能物流领域的智能仓储还是在用设备的智能运维，智能吊具成为智能起重机的关键研究领域。对此，在接下来的文章中，将围绕智能起重机的控制系统与关键技术方面展开详细分析，希望能够给相关人士提供重要的参考价值。
关键词：智能起重机；控制系统；研究
引言
随着时代的发展，经济水平的提高，人民的物质生活水平也有了较大幅度的提升。与此同时，城市生活垃圾、危险废弃物等的产生量也不断增加。而起重机作为现代工业生产领域内不可缺少的重要部分，面对高温、高湿、强腐蚀、强干扰、高强度作业等工作环境需求，使其向数字化、智能化以及互联网方向发展是必然趋势。基于此，在接下来的文章中，将围绕智能起重机的控制系统与关键技术方面展开详细分析，希望促使起重机具备智能化水平的同时，也能为企业实现最大的经济效益。
1.智能起重机的特点与功能解析
智能起重机可根据工艺设置自动完成起重机移动、搬运等动作，具备可编程、故障诊断、人机界面、自动控制、远程管理等功能，具备感知、规划、执行、协作、学习、数据与信息管理等与人相似的智能功能，其研究范畴应包括智能控制、智能监测、智能管理以及利用大数据进行智能设计等方面，所涉及学科有机械、电气、自动控制与检测、信息与计算机、智能控制、网络通讯等。起重机最基本搬运工作由操作员根据生产要求，前往取物地点，降下吊具将物品吊取后提升，到达一定高度后按照一定的路径将物品搬运至下一流程地点，然后卸载。在整个流程中，操作人员要接收不同的生产任务指令，判断取物地点，根据情况选择可执行的指令，执行搬运工作将物品送至指定地点，直至完成整个搬运过程。在工作的过程中，操作人员要使物品在搬运过程中姿态平稳、准确到位，还需注意起重机运行中是否有报警、故障，并根据其等级做出不同的反应。起重机的维护需要根据其设计要求做维护保养，监控系统的人机界面为使用者提供直观的信息描述，其程序软件具备一定调整、升级的能力，为用户提供远程培训与在线指导，提高服务的实时性与工作效率。
智能化的起重搬运设备要独立完成以下工作，要从控制中心获得任务信息（通讯技术），移动至相应区域取物并搬运至指定位置（吊具防摇技术、吊具三维定位技术、物料识别技术、自动程序控制），实时在线监控设备运行状态并做出响应（安全监控管理技术），数据上传至数据中心以及在线维护（远程监控与服务中心）等。因此，整套设备应具有自动物料信息扫描、自动选择取料地点和目标地点、路径规划、自动搬运物料、定位装置、吊具防摇摆功能、自动记录工作量并实现报表查询、显示存储故障报警、与控制中心进行信息交换等功能。配备远程在线功能，根据数据汇总提供故障诊断结果和维护指导意见，且能实现异地在线监控和程序修改，上传的数据可供研发部门作为优化设计的参考。智能起重机的应用可代替人的体力劳动，代替或部分代替人的脑力劳动，形成人、机、物的交互与深度融合，完成感知、决策、执行的全过程，并对状态进行实时监控与过程记忆，为起重机设计提供数据支持，实现成体系的控制、管理。
2.智能起重机控制系统介绍
首先介绍一下智能起重机的控制系统，智能起重机控制系统分为三个级别，分别是设备级、工厂级和远程管理级。
2.1设备级系统
设备级平台由单机控制系统、定位与防摇装置、自动化控制与物料信息扫描系统构成，是单台智能化起重机设备运行的监控平台。对于设备级系统来说的主要任务是对下属设备全自动运行进行管理，对控制中心下发的指令进行传达执行，最终促使工厂级平台获得监控中心的全部数据。其中，单台智能起重机的控制系统由PLC、人机界面、变频器与各种检测元器件等构成。PLC通过控制程序与外界进行数据交换，驱动起重机各个机构运行，并实现全自动的运行与监控。其中，人机界面既能显示起重机的状态信息（例如：起重机的故障代码，载荷，控制模式等信息），也可用于参数的设定。而起重机的定位与防摇装置，借助控制算法将大车、小车、吊具的位置、各机构的速度等控制在误差范围内。自动监控与物料信息扫描系统主要作用是根据物料分布情况和工艺要求在车间内进行任务调度，具体负责自动识别物料分布情况，向监控系统和起重机控制系统收发信息，根据工艺要求发布自动运行指令[1] [2]。
2.2工厂级系统
对于工厂级系统来说，主要是工厂内各设备级系统与工厂级服务器组成，其中，工厂级服务器对所有设备运行状态进行实时监控，对于相关设备的运行情况进行打印、记录以及传输，根据生产要求对运行的设备进行自动运行生产调度，为日常的设备维护与技术指导提供依据。工厂级平台一般由设在厂区的主控制室内的工控机作为主设备，工控机内设置有监控软件、统计软件、数据库软件以及各种故障检测软件等，用于保证系统的安全运行。设备级平台与工厂级平台之间通过局域网进行联通，所有的采集信息经由工厂级平台实时读取并汇总管理。在工厂级的控制平台上，能够对起重机的各项动作以及各项任务的执行等进行控制，按照优先级高低依次执行，同优先级任务按时间先后依次执行[1]。
2.3远程管理级
远程管理系统通过对各工厂级所属设备的运行状态及运行数据进行保存，形成设备数据中心，不仅让管理中心可以实时掌握设备的运行状态，还可以根据设备使用情况评估主要部件的生命周期内，向用户提供使用维护建议。同时设计人员可以利用大数据分析系统进行起重机的优化设计。
3.智能吊具的关键技术
起重机智能吊具关键技术包括：吊具远程监控诊断技术、吊具智能监控技术、吊具无线通讯及遥控技术、吊具贸易计量级称重技术。
3.1远程在线监控和故障诊断技术
通过计算机网络将起重机智能监控技术获得的数据进行分析，对发生故障的现场吊具进行实时监控和远程诊断，快速判断故障位置和状态，在任何有网络的地方配合业主方便的进行现场维护和故障处理，无需再到现场处理问题，大大缩短现场事故的处理时间，提高业主方的工作效率和生产率。同时，网络可以使用常用的ADSL、电信宽带、网通宽带等符合PPPoE协议的互联网络，业主无需增加其他软硬件。以太网远程控制系统由服务器、远程网关和远程管理软件三部分构成。服务器接入网络需要4M及以上带宽来保证系统的正常运行；将独立网站置于服务器上，使服务器具备地址解析能力，同时在服务器上设置不同的webagent来为每个项目服务；配备一台路由器来分支网络，一台工控机来进行远程管理。通过编程软件可以对远程设备进行访问，可以监控程序、修改程序、传输程序和在线升级。
3.2智能吊具无线监测技术
通过吊具上安装的多种传感器对吊具的实时状态进行监控。传感器包括液位传感器、温度传感器、滤芯传感器、称量传感器、压力变送传感器和倾角传感器。液位传感器和温度传感器上都带有相应的报警器，两者分别设置在电动液压吊具的油箱上，用于采集电动液压吊具油箱的液位及温度信息，并在油箱的液位过低或过高以及温度过高时发出警报，实现对电动液压抓具油箱的液位及温度的实时监测。滤芯传感器设置在电动液压抓具的过滤器上，实时采集过滤器堵塞信号发生器的信号，实现对过滤器的监控。称重传感器设置在吊具的吊点上，进行载荷称量和超载情况的实时监测。压力变送传感器实时采集抓斗的打开及闭合实时压力。倾角传感器实时采集抓斗的倾斜角度用于监控抓具倾斜侧翻情况。抓具自动将监测数据及故障情况通过无线通讯系统实时传递到起重机的控制室[3]。
3.3吊具无线通讯及遥控技术
无线通讯及遥控系统由无线通讯系统（包含：两台集成发射和接收功能的收发一体机装置，一台是位于起重机控制室内的中控机，另一台位于吊具内的终端机）、起重机操作联动台、控制系统PLC及显示设备等部分组成。抓具上终端机及控制线路无需单独配线，由抓具接线盒内的AC380V/DC24V工业电源供电。传感器的模拟量信号和控制抓具开闭的数字量信号接入抓具终端机控制回路，并通过无线传输到控制室内中控机。起重机控制室内中控机信号需连接至起重机本身的控制系统中。收发一体机装置可以传输多路数字量、模拟量信号。数字量信号用以控制电磁阀通断来控制抓具的开闭，实现对吊具动作的无线遥控。抓具内终端机通过前述“无线检测技术”将信号无线传输至司机室内中控机，从而使起重机PLC得到这些信号。无线通讯装置包括多条信道，并具有抗干扰能力强、抗腐蚀能力强、短时浸水作业及高强度作业等特点[1]。
无线通讯及遥控技术示意图
3.4吊具贸易计量级称重系统
目前起重机传统的轴承座式、套装式和双小车架称量等方案，其传感器均安装在小车上，前两种安装在卷筒轴承座上，后者安装在两层小车架之间，但传感器与抓具之间隔着一个柔性系统（钢丝绳系统），惯性摇摆使得各传感器受力不均，从而使得传感器输出的称重信号不能准确的反应其重量，故而存在称重精度不理想的现象。特别是前两种方案的钢丝绳斜拉力使称量数据随着起升高度而变化。轨道衡称量方案虽然可获得较高的称量精度，但其只能在局部固定的位置进行称量，不能对起重机全部作业区域进行计量、统计，也不能进行超载报警，对需要断续投料或连续多个投放位置的状况无法自动计量。力臂式起升机构称量方案只有3%的称量精度，无法达到行业标准规定1%精度要求，且只能用于进口设备常用的单卷筒起升机构。
高精度吊具称量系统通过安装在钢丝绳与抓斗连接处的称重传感器进行载荷称量，避免了传统的在起重机小车上安装称重传感器型式的弊端—吊具上钢丝绳的自重、钢丝绳斜拉和摇摆对传感器的影响。这种称量系统包括：连接盖板、起吊平衡组件、称重销轴以及称重传感器四个部件。其中，连接盖板用于与吊具连接；起吊平衡组件固设在连接盖板上；称重销轴可活动的穿设在起吊平衡组件中；称重传感器设置在起吊平衡组件上，并通过圆弧形的接触面与称重销轴配合，且两者在起吊平衡组件的驱动下，称重传感器的受力始终与抓斗重力方向处于同一直线上，从而有效保证称量数据的精准性和稳定性，现已应用于数十个项目且部分项目参与贸易计量与结算[4]。
结论
起重机的技术在不断发展，起重机智能化成为了一种新趋势。通过采用网络技术，对起重机的电控系统进行信息采集，从而能实时全面监控起重机的工作状态；利用远程服务以及远程监控，能进行快速服务响应，协助操作人员进行起重机故障排除，大大降低了解决故障的时间，提高设备利用率和保证工作进度。
参考文献：
[1]岳文翀，常中龙.一种用于起重机械安全监控管理系统的设计和实现[C].首届物流工程国际会议论文集（一），2018：83-86.
[2]梁春燕，谢剑英.桥式起重机抓斗防摆控制方法研究[J].测控技术，2018，19（6）：24-26.
[3]恩倍力（昆山）机械有限公司.自带无线监测的电动液压抓斗：中国，CN204473904U.2015-07-15.
[4]北京起重运输机械设计研究院.电动液压抓具起重机称重系统：中国，CN204400465U.2015-06-17.
论文作者:赵文迪
论文发表刊物:《基层建设》2018年第36期
论文发表时间:2019/1/25
标签：起重机论文; 智能论文; 吊具论文; 传感器论文; 称重论文; 设备论文; 系统论文; 《基层建设》2018年第36期论文;