重型天车无线遥控技术的应用与探讨

高 军，王旭东，赵 磊，张靖苑

(神东煤炭集团设备维修中心，陕西 神木 719315)

0 引言

神东煤炭集团公司设备维修中心现有天车种类繁多，存在生产厂家多、控制方式不一，手动操作(有线)容易导致断线和并线的隐患。由于天车高度较高，信息传递不便，操作人员长期工作于噪音大的工作环境，视野受光线和障碍物影响大，吊装靠地面人员手势和空中操作人员交流，定位往往不准确；对地面设备和人员的安全存在威胁等诸多不利因素。在多台天车同时作业时，安全防护主要靠人为控制，天车的各部件使用频度不能进行统计，不能及时有效地维护、改进和数据支持，天车工作时所有工作状态和场景不能进行历史数据追溯，为调查事故或故障原因造成了障碍[1-3]。为进一步提升天车运行安全性、改进系统控制可靠性、人员操作便捷性，便于设备维修保养工作进行，增添少量的硬件设备和软件系统来优化现有的控制系统，以提高天车工作的安全性、可靠性，进而提高工作效率，降低维护成本和使用成本。因此，对神东煤炭集团公司设备维修中心42台天车进行无线遥控及安全防护技术研究与应用。

1 无线遥控及激光防撞系统

1.1 无线遥控系统

系统功能：无线遥控技术应具备与天车驾驶室内手动操作相同的功能。操作者通过手持遥控器在吊具旁边控制大车、小车和吊钩的起重运行，要求操作方便，以及提高设备使用效率和安全性。

控制模式：无线遥控器的控制模式如图1所示，是由无线遥控器发送出无线信号，无线接收控制器接收发送来的指令，并通过解析指令，输出相应的控制信号到天车电气控制箱，实现对应的动作。

图1 无线遥控器的控制模式

接收器互换：无线遥控器与驾驶室内的手动操作通过转换开关来控制切换，无线遥控器控制系统与原有控制系统相互独立，在任何一种操作方式出现故障的情况下，另外一种操作方式可以正常使用不受影响。

1.2 激光防撞系统

系统功能：在同一个轨道上运行多台天车时，为了防止天车间的相撞事故，在天车大车的两端安装激光报警装置，在2台天车靠近到一定距离时，自动断电停止天车的运行，保证2台天车的工作安全。

控制模式：激光防撞系统的控制示意图如图2所示。目前多台天车在同一轨道运行时，是通过司机的肉眼观察，防止天车与天车之间产生碰撞，存在很大的安全隐患。要求采用激光限位技术，运行时天车与天车之间保证安全距离，同时不影响各天车的正常工作。同一个轨道上运行多台天车时，为了防止天车间的相撞事故，在天车的两端安装激光报警装置，当2台天车靠近到一定距离时，激光防撞装置感应到来自对面天车上的反光板反射的激光信号，自动断电来停止天车往此方向的运行，并发出报警声音[4-6]，保证2台天车的工作安全。而向相反方向的2台天车则根据设定的安全距离，激光防撞器自动解除报警。

图2 激光防撞系统的控制模式

激光限位装置：各天车加装激光限位装置，在不影响各天车工作的前提下，将限位距离设置为0.25 m，保证各天车运行在安全范围之内，相互之间不发生碰撞[7-8]。避免操作者人为失误，大大提高安全生产效率。加装激光限位装置后，对原来的控制电路进行了相应改进。

2 微机监控安全、检测、控制系统设计

在天车上安装微机监控安全、检测、控制系统。系统具有以下功能：天车主要电气系统的自检和自身状态信息识别；具备检查自身各控制信号、安防信号的作用；天车上大车、小车和吊钩位置的信息识别，能够识别天车及吊钩所在的位置；能绘制天车上大车、小车和吊钩实时运行的轨迹，能记录天车的行程和统计运行时间；对天车围界进行安全视频监控；对天车的视频监控信息实现无线传输、监控及APP传送；便于今后功能的扩展，如实现天车群控等功能。要实现上述功能，主要应解决视频监控、数据采集、微机控制方面的问题。

2.1 视频监控系统

系统功能：视频监控系统主要实现对天车大车的4个行走轮和小车吊钩下的工作区域进行实时监控。因此，视频监控可安装于天车大车的4个行走轮附近和小车吊钩下，从而实现对这些工作区域的实时监控。视频监控系统可以进行录像回放和拷贝功能，为安全事件的调查提供帮助。

行走轮及吊钩下区域监控：对天车大车的行走轮进行监控的示意图如图3所示。摄像系统共有4处，每个大车轮位各一个，用来监控4个轮位轨道之间的工作状态及有无异物。对小车吊钩下面区域进行监控的示意图如图4所示。一台云台摄像机安装在天车上的小车下方，可从终端操作云台随时观察小车下的各方位图像，也可实时在天车驾驶室和无线终端或另一台PC上监视天车运行情况。视觉监控系统在天车上电后可自启进入运行模式。

图3 对天车大车的行走轮进行监控的示意图

2.2 数据采集系统

系统构成及功能：数据采集系统的示意图如图5所示。数据采集系统的功能包括：①对天车电气控制信号的采集；②对图像信号的采集。

对天车电气控制信号的采集：对天车电气控制信号的采集使用PLC(即可编程逻辑控制器)来实现，采集信号通过PLC处理后送到平板电脑中。PLC主要采集在无线遥控器控制下天车工作时的工作状态，例如，电源，急停，大车、小车、吊钩的位置坐标信号；大车、小车和吊钩的启动自检。PLC在天车电源上电时自行开始工作，保证数据监控与天车工作同步[9-10]。

图4 对小车吊钩下的工作区域进行监控的示意图

图5 数据采集系统的示意图

对图像信号的采集：对图像信号的采集使用交换机来实现。交换机采集摄像头和无线路由器的信号，处理后送到平板电脑中。交换机采集信号的接线如图6所示。

图6 交换机采集信号的接线图

2.3 微机控制系统

控制系统组成：①天车上安装数据信息采集柜；②箱面上安装12.1寸工业级平板电脑和电源开关、电源指示和运行报警灯；③安装一台欧姆龙PLC+20路扩展模块，配4路模拟量输入和2路模拟量输出，36路开关量输入，24路开关量输出；④采用220 V交流电源，保证平板电脑和PLC的使用；⑤现场安装5套摄像头(1动点、4定点)，具体位置为4个大车承重行走轮各一个，小车视频监控一个，配齐摄像头的控制和信号传输系统(如数字网络硬盘录像机、二块3TB硬盘、千兆网络交换机等)。在平板电脑上能实时显示摄像头送来的图像；⑥将天车大小车、大小钩的运行信号、报警信号、限位信号等开关量信号接入PLC，使其在平板电脑上能显示、处理和储存这些信息；⑦在平板电脑上用VC编写上位机控制系统，将PLC送来的信号储存在数据库，能显示、处理和储存这些信息，也可根据计算结果进行预测和报警(如：接触器、继电器、开关等器件使用次数统计及寿命报警等)；⑧通过编程实现天车的安全管理。如：实现天车自身状态信息识别，实现运动部分的自检；天车系统自身各控制信号、安防信号的运行记录；记录设备的实时运行轨迹(或时间参数)等功能；⑨天车大车、小车和吊钩的运行位置计算。通过在各相应传动部件上安装非接触式位置检测传感器，通过PLC把数据送到计算机进行位置计算；⑩通过PLC进行天车运动状态判别，在天车运行时控制声光报警器，对吊具下的人员进行安全警示。

控制系统功能：①平板电脑与PLC相连接，实时通信。把PLC采集到的数据进行处理后送到平板电脑中。在平板电脑安装有自主设计的监控软件，该监控软件用VC6编写。该监控软件把PLC送来的数据进行处理，再以图表，状态显示，操作事件列表的形式在监控软件上显示；②平板电脑与交换机相连接，交换机采集摄像头和无线路由器的信号，处理后送到平板电脑中。在平板电脑上按照大华监控软件，通过该软件实现图像的调用。

监控软件功能：该软件系统对天车的各个部件的运动轨迹位移进行累计，同时也对运行时间进行累积。软件上可设定大车、小车和吊具的轨迹累计报警和运行时间报警。所有采集到的数据以数据库形式保存，并可以通过存储设备进行备份。监控软件的软件系统结构图如图7所示。平板电脑在天车上电后自动启动，启动后监控软件自动运行，保证与天车工作的同步。监控软件接收遥控器发来指令的工作流程图如图8所示。

图7 监控软件的软件系统结构图

图8 监控软件的工作流程图

APP无线网络系统：监控摄像机只是一个独立的个体，要对这些设备做好统一管理，对同一个品牌的智能设备可通过一个APP进行管理。手机可通过无线连接上APP，在手机上可看到监控摄像机的图像。因此，采用TCP/IP下的无线网络来完成这项功能。无线AP网络把计算机监控数据和视频图像传输至移动终端APP上或指定网络中的计算机。计算机可通过相应的软件查看天车当时或之前的运行状态，也可实时通过终端上的APP功能观看。APP无线网络系统示意图如图9所示。

图9 APP无线网络系统示意图

3 结论

(1)在保留原有功能的前提下，增加激光限位器与无线遥控器，不但节约人工成本，还可提高生产效率，加强了安全性，改善了操作人员工作环境。天车上安装了微机安全、检测、控制系统，便于扩展天车信息识别、安全监测等功能，该系统扩展性强、操作简单、信息化程度高。

(2)通过APP功能，天车自身状态信息识别，天车系统自检，具备检查自身各控制信号、安防信号的作用。天车多向位置信息识别，能够识别天车及吊钩所在绝对位置；天车实时运行轨迹及累计，记录天车的运动状态、行程及累计轨迹时间；天车围界安全视频监控，天车状态信息无线传输、监控及APP，通过无线传输天车相关信息状态信号，可集中监控，可实时联接应用APP等功能。