电动葫芦试验台智能测控系统研发*

陆忠华

(1.江苏省特种设备安全监督检验研究院 无锡分院, 江苏 无锡 214174; 2.国家桥门式起重机械产品质量监督检验中心, 江苏 无锡 214174)

电动葫芦试验台智能测控系统研发*

陆忠华1，2

(1.江苏省特种设备安全监督检验研究院 无锡分院, 江苏 无锡 214174; 2.国家桥门式起重机械产品质量监督检验中心, 江苏 无锡 214174)

电动葫芦试验台是用于考核电动葫芦产品综合性能的专用大型试验设备。为得到真实、可靠、稳定的试验数据，通过结合先进的传感技术、网络技术、自动控制技术，开发了智能型电动葫芦试验台的测控系统，实现了对试验台的自动控制与智能测试。

电动葫芦；试验台；自动控制；智能测试

1 引 言

电动葫芦因其结构高度集成化、产品系列化、自重轻、尺寸小、安装更换便捷等特点，而深受物料搬运用户的青睐，已经广泛应用于车间、码头、仓库、堆场等各个场所。随着特种设备节能降耗意识的增强，电动葫芦更是体现出集成式起升机构的节能优势来，设计者和制造商们竞相加速了对新型电动葫芦的研究[1]。近年来，国内外电动葫芦的技术得到了飞速发展，随着工作级别覆盖M3～M8、起重量达100 t的电动葫芦产品的相继问世，电动葫芦起重机[2]有取代50 t乃至100 t以下中小型起重机的趋势。起重量的增加、工作级别的提高，都对电动葫芦的产品质量提出更高的要求。

电动葫芦的质量与人员生命安全和设备财产安全息息相关，电动葫芦试验的目的在于考核其起升机构以及主要零部件是否满足安全标准要求，是评价电动葫芦设计、制造等方面优劣程度最基本的方法之一。因此，相关的国家和行业标准规定电动葫芦在新产品开发、定型时都要进行型式试验。由于专门的型式试验台造价高、使用率低等原因，大多电动葫芦生产企业没有专用的型式试验台，因而影响了国内企业研发新产品的极积性。可以说，缺乏功能完备的电动葫芦试验台，尤其缺少智能化的试验台，是影响我国电动葫芦快速发展的重要原因之一。

由于电动葫芦试验台是专用的大型试验设备，没有现成的商用测控系统与之配套。针对这一现状，按照JB/T 9008. 1—2004《钢丝绳电动葫芦第1部分:型式与基本参数技术条件》[3]和JB/T9008. 2—2004《钢丝绳电动葫芦 第2部分:试验方法》[4]以及其他相关的国家和行业标准，集成先进的传感技术、网络技术、自动控制技术搭建了智能型电动葫芦试验台的测控系统。

2 自动控制系统的研制

试验台自动控制系统[5]的研制有助于减轻试验人员在试验过程中的工作强度，并在试验过程中对关键部件和关键参数进行实时监测，对一些突发情况做出提醒、报警、停机等动作，使试验过程具有安全保护功能。电动葫芦试验台自动控制系统能按期望规律和预定程序进行控制，是实现检验过程自动化的重要手段。电动葫芦试验台以工业控制计算机为核心，配合智能数字仪表以及智能模块，组成RS485总线控制系统，提供了人机交互界面，自动完成试验中各种数据的记录与测算。其测控部分实行模块化设计方案，主要由供电模块、自动控制模块、监控模块组成。

2.1 供电模块

供电模块通过自动升降压与变频处理，实现无级调压和无级变频，可满足110～660 V以及50～60 Hz的电动葫芦的电源要求，图1为动力分配柜，图2为变频器。供电模块独立向试验台5个工位供电，互不干扰。动力电源由安全开关、急停开关和限位开关等组成联锁控制，在台架区域及控制台上均布有急停开关，任一急停开关即可切断动力电源，保证操作人员的安全。为了适于各个试验项目的测试条件和环境，电源的供给方式实现了手动、自动、遥控控制之间的切换或组合。供电系统直接接入电动葫芦自身的电控系统，由电动葫芦自身的电控系统进行多种载荷情况下的起升、下降、运行等性能试验，来测试电动葫芦电控系统的优劣程度。通过三相智能电表可测量和记录在各种试验项目下启动时间，启动电流，显示三相电压和电流波形、功率、功率因数、频率等信息。

图1 动力分配柜 图2 变频器

2.2 自动控制模块

自动控制模块是试验台的核心部分，在自动控制模块中可以按照试验要求分为出厂检验、常规检验和型式试验三种，不同的试验方案对应不同的测试项目，通过流程式的检验步骤自动引导检验员完成电动葫芦试验的各项目。工业控制计算机与电动葫芦试验台之间的接口模块通过RS485总线进行信息传递。接口模块主要实现了数字量/模拟量的转换与及开关量信号的传递。从工控机得到的数字信号决定了电压等的数值信息，得到的开关控制信号通过继电器端子板直接控制接触器等执行元件，通过预定各开关信号的组合及其对应的运行、间隔时间来实现试验台架的自动控制，图3为完整的一套自动控制操作台系统。自动控制系统可按照工作级别预先设定的起升、下降的运行、间隔时间以及循环运行的总时间来自动完成疲劳寿命试验。显示屏实时显示试验台的电气参数、各项测试数据、状态以及监控画面等。

2.3 监控模块

试验台对试验过程进行全程监控，试验人员能直观地把握当前的测试状况，及时发现突发情况，提高试验过程的安全性。监控模块由试验区域监控、工况信息监控以及远程监控三部分组成。

图3 测试系统

为了实时把握试验区域的工作情况，在各工作台的关键区域布置有监控探头，如图4所示，通过现场总线把监控视频传输至控制台。控制台显示屏可以以矩阵方式同时显示4个通道的视频信息，并可放大任意一个通道的视频，如图5所示。控制台上还布有工况信息监控显示屏，显示电源的实时信息、当前测试项目的进程与及实时数据等，让操作者能直观定量地把握当前的测试信息，及时发现测试过程中的一些突发情况。远程监控通过互联网技术让客户可以随时在网络上看到电动葫芦的试验情况，保证了试验过程的客观公正性。

图4 监视探头 图5 监视系统

3 主要试验项目的测试原理

电动葫芦试验的目的是得到准确的产品性能参数，这些性能参数是评判产品质量的标准，因此需要先进、科学的测试手段来保证测量数据的可靠、稳定性。通过传感器采集的测试数据和状态经通信通道反馈给工控机，在工控机上完成包括小车运行速度、起升速度、制动下滑量、噪声等测试量的计算，并显示于显示屏上，实现了实验台的智能测试。

3.1 小车速度测试原理

小车测速原理如图6所示，在小车运行方向上设两组激光对射装置，每组对射装置均由激光发射器和激光接收器组成。当激光发射器发出的一束激光被不透明物遮挡后，接收器就会产生一个电信号。设两条光束的距离为d，不透明物依次遮断的时间间隔为t，则不透明物的移动速度v=d/t。

根据测量不确定度传播律，其方差表达式为：

(1)

因为距离d和时间间隔t相互独立，则灵敏度系数为1，即cd=1，ct= -1。

由数学模型可看出，小车速度测量结果与光速距离和间隔时间有关，因此，小车速度测量结果不确定度的主要来源包括以下方面。

(1) 由于测量尺子估读误差引入的相对不确定度分量ud1。

(2) 由于光束光斑的直径引入的相对确定度ud2。

(3) 由于测量时间间隔引入的相对不确定度ut。

(2)

光束之间距离设定为2 m，则相对不确定度为：

(3)

(4)

光束之间距离设定为2 m，则相对不确定度为：

(5)

由于ud1和ud2相互独立，则由距离误差产生的合成不确定度为：

=0.059 5(%)

(6)

由于处理器接收信号是采用最高级中断，每个指令1 μs，按照最多的指令延时计算，从接收信号到处理计数，也要小于5 μs，按照5 μs计算不确定度。小车移动速度最快的电动葫芦为50 m/min，运行2 m的时间为2.4 s，理论上由于时间误差产生的相对不确定度为：

ut=0.000 005/2.4=0.000 2 (%)

(7)

则合成相对不确定度为：

=0.059 5 (%)

(8)

取扩展不确定度系数k=2，扩展不确定度为

U=2×uv=2×0.059 5=0.12 (%)

(9)

由此看出，由于测量光束之间距离的尺子误差是速度测量误差的主要因素。

3.2 起升速度测量原理

测量前先把铁磁重锤吸附于铁质砝码上，铁磁重锤另一端与拉绳传感器连接，如图7所示。在电动葫芦的起升过程中，于时间t1，取出砝码高度数值h1，经过一个额定的时间后，于时间t2，取得砝码高度数值h2，起升速度v=(h2-h1)/(t2-t1) 。

高度的数值来源于拉绳传感器，精度0.1%，时间基准来源于PLC内部的中断定时器，当起升过程中Δt=3 s，由于PLC中断时间的误差总会小于10 μs，因此时间基准误差小于10/3 000 000，因此速度误差主要来自拉绳传感器，精度为0.1%。

图6 小车测速实物图 图7 拉绳传感器与重锤

3.3 制动下滑量测试原理

制动下滑量是指在电动葫芦的下降过程中，突然断电，从断电之时至完全停止，载荷下滑的距离。制动下滑量反应了电动葫芦的刹车可靠性，是评判电动葫芦制动性能是重要参数。在制动器制动过程中，电动葫芦的动能通过制动轮的摩擦力变成热能，由于加速度的存在，减速有一个时间段。自动测量方法是：在断电时，通过拉绳传感器立即记录当时的高度h1，依此时间为基准，延时一段时间，此时砝码由于突然的速度变化引起的震颤已停止，再测量此时的高度h2，下滑量=h1-h2。

测量精度分析：首先将继电器断电，继电器的断电引起控制电动葫芦交流接触器的断电，同时，继电器的另外一个触点送入PLC一个信号，假定继电器触点断开的瞬间时间为零。从继电器断电指令发出到记录高度值的时间历程如图8所示。

图8 高度值记录流程

实测交流接触器线圈断电后的分断时间小于20 ms，如图9所示，图9(c)为11.2 ms，图9(b)为10.8 ms，图9(c)为12 ms。

图9 实测交流接触器线圈断电后的分断时间

采用误差最大推算：交流接触器分断时间-滤波时间-中断事件小于15 ms，按照起升速度的不同，由于速度v而引起的下滑量的误差为v(m/s)×15 (ms)。例如，起升速度为8 m/min的电动葫芦理论测量误差为 8/60×1 000×15/1 000=2(mm)。

3.4 噪声测量原理

噪声测量采用具有数字输出接口的AWA5633型声级计，将数字输出直接接驳至信号变送箱，信号变送箱将声级计测量值与其他测量值组合编码打包，然后传送到主机。由于信号变送箱可同时接驳6台声级计，因此主机可同时获得6台声级计的输出量。

测量时以整机最大外形尺寸为测距的计算起点线，测点位置分别布置在起点线向外扩展1 m的平行线上，共5点。测点距反射面(墙壁、立柱)和其它物体不小于1 m，距墙角不小于1 m。

测量时，用声级计在各测点上先测背景噪声，然后逐步测起升机构上升和下降的噪声。测量时，脉冲声峰值除外。当测得值与背景噪声之差在3～10 dB(A)范围内时，运用软件，测试值按表1的参数自动予于修正。

(10)

表1 修正值K1 /dB(A)

4 结 语

随着电动葫芦技术的高速发展，高效率、自动化、智能化、信息化的检测装备与技术显得愈发重要。具有智能测控系统的电动葫芦试验台正是为适应这样的发展形势而研制(如图10所示)，试验台以工业控制计算机为核心，集成先进传感技术，配合智能数字仪表以及智能模块，组成RS485总线控制系统，提供了人机交互界面，自动完成试验中各种数据的测试与记录。

图10 电动葫芦试验台

目前试验台已经正式投入运行，能够覆盖现有各种主要型式的电动葫芦关于安全和技术性能的检验项目，试验台性能稳定、测试数据可靠，取得了良好的效果。

[1] 叶振良.浅析钢丝绳电动葫芦的技术现状及前景[J].工业设计, 2011(11):109-110.

[2] 宫本智.葫芦式起重机[M].天津:天津科学技术出版社,2009.

[3] JB/T 9008.1-2004，钢丝绳电动葫芦第1部分:型式与基本参数、技术条件[S].

[4] JB/T 9008.2-2004，钢丝绳电动葫芦第2部分:试验方法[S].

[5] 冯清秀,叶春宇,汤漾平.基于PC的静力试验台自动控制系统[J].机电工程,2012(3): 311-313.

Development of the Intelligent Control and Measurement System for Electric Hoist Test Rig

LU Zhong-hua1,2

(1.WuxibranchofJiangsuProvinceSpecialEquipmentSafetySupervisionInspectionInstitute,WuxiJiangsu214174,China；2.NationalCenterofSupervisionandInspectiononProductQualityofOverheadGantryCraneMachinery,WuxiJiangsu214174,China)

The electric hoist test rig is special large test equipment used to assess the product comprehensive performance of electric hoist. In order to get real, reliable and stable test data, advanced control and intelligent measurement technology needs to be developed. Through a combination of advanced sensor technology, network technology and automatic control technology, the automatic control and intelligent testing system of the test rig was realized.

electric hoist; test rig; automatic control; intelligence measurement

2013-12-18

国家质检总局项目科技计划项目(编号：2010QK190);江苏省特种设备安全监督检验研究院科技项目(编号：KJ(Y)2011012)

陆忠华(1981-)，男，江苏海门人，工程师，博士，主要从事机械CAD、特种设备检验检测、虚拟仿真等方面的研究工作。

TH813

A

1007-4414(2014)01-0198-04