基于激光测距仪的起重机检验装置

吴 瑜

河南省特种设备安全检测研究院 郑州 450000

0 引言

TSG Q7002—2019《起重机型式试验规则》规定了起重机检验的方法，其中明确了在型式试验过程中要对起重机运行过程中的各项电参数，起升机构的起升、下降速度，大小车运行机构的运行速度以及主梁的挠度等参数进行测量，且需要按照工作制进行动载试验。同时，随着节能环保、碳中和等一系列政策的提出，对起重机能效方面的考核越加重要，对此国家出台了一系列的国家标准和行业标准。现有的检验检测手段大多数还停留在采用卷尺、秒表、钳形表等工具对起重机进行测量。在进行动载试验的过程中，基本都是依靠人为操作来控制起重机运行，很难严格按照工作制要求的时间流程，对于能效测试没有有效的方式。鉴于这种现状，如果能有一款便携式的、可与起重机控制电路连接来实现对起重机进行自动化控制，且在其运行过程中对相关参数进行测量的检测装置，将大大提高起重机检验手段的自动化和智能化。

1 系统原理

1.1 速度测量方案设计

现有的测量方式一般是利用卷尺测量出一段运行距离的长度，然后利用秒表记录某一运行机构通过这段距离所用的时间，从而计算该运行机构的运行速度。这种方式有明显的缺点：1）起重机相应运行机构通过测量路段的起点和终点的判定依靠人为断定，且手动启动或停止秒表计时必然造成较大的测量误差；2）只能测量起重机通过规定运行区域的平均速度，无法有效采集起重机运行过程中的瞬时速度；3）在测量起升速度时很难找到一段运行距离的有效参考物，且该参考物还要能为检验人员安全，便捷的观测到。

一般的起重机起升速度为0 ～10 m/min，启动时间一般不超过3 s。运行速度为10 ～20 m/min，启动时间不超过2 s。以起重机常见的运行速度20 m/min 为例，启动时间如果为2 s，则其加速度为0.17 m/s2，传统的串口通讯速率一般在100 ms 以上，如果采用这种方案会使测量误差始终为厘米级。同时，由于起重机检验现场往往条件恶劣，存在较多电磁干扰情况，严重影响了通讯质量。

针对以上在起重机检验现场存在的种种问题，提出本测量系统中关于起重机各机构运行速度的测量方案。系统采用激光测距仪对起重机运行机构或是载荷的位置变化进行实时跟踪测量，采用I/O-Link 通讯构建点对点的测量系统，通讯协议选用过程数据(PD)模式，即服务数据以数据帧的形式循环传输，每一帧的数据长度不超过2 字节，循环时间不超过2 ms。

1.2 电参数测量方案设计

当前起重机检验过程中电参数的测量一般只能依靠检验人员用万用表和钳形表等基本仪表进行手动测量。在起重机运行过程中检验员手持仪表对电路进行测量十分危险。且这些仪表往往不具备记录功能，很难将起重机运行过程中的各项电参数有效记录下来，后续对其进行有效分析。针对这些问题，本系统电参数的采集方案设计以特制的电参数表为测量核心，搭建测量电路。

起重机的各机构在运行过程中电参数较为稳定，测量难度不大。重点在如何测量起重机各机构启动特性。为了较好地捕捉各机构的启动过程，电参数表的信号采集采用快速采集卡，采集数据的速率为1 024 个/s。采集卡的信号通道分别为4 路电压信号采集和8 路电流采集。

1.3 系统硬件组成

试验装置系统由PLC 为控制核心，触摸屏为人机界面，通过激光测距和电参数表完成对起重机的测量，通过I/O 模块以及外围电路实现对起重机起升、运行动作的控制，系统原理如图1 所示。

图1 系统硬件原理

PLC 主要负责接受触摸屏发出的指令，控制被测起重机完成相应的试验流程。其中，CPU 模块主要负责逻辑程序的储存与运算，接收来自通讯模块与I/O 模块的指令信息与状态反馈。通讯模块主要负责与触摸屏进行实时通讯。I/O 模块负责接收外围信号的变化，传递给CPU，并执行CPU 的指令，输出数字量信号，控制起重机进行相应的动作。

触摸屏作为人机界面，负责指令的发出，数据的采集、运算、处理、储存和查询。并对起重机的实时运行状态进行监控，系统故障报警。

2 软件编制

2.1 软件结构

试验装置软件采用fameview 进行编制，软件画面结构如图2 所示。用户启动软件后进入开始画面，点击任意键进入样机参数设置，在这里可填写包括样机规格型号、样机编号、起升速度、运行速度、跨度、工作制，试验人员、试验日期等信息。样机参数设置好后，用户可根据需求进入相应的检验项目。其中速度测量包括起升速度、大车运行速度、小车运行速度等3 种测量模式。用户还可进入能效测试页面或是动载试验页面进行相应试验，系统会根据用户填写的样机相关信息自动控制起重机起升机构按照相应工作制进行起升和下降，并在这个过程中记录起重机的各项参数。

图2 系统软件结构

2.2 激光测距仪通讯规约设计

激光测距仪采用I/O-Link 通讯规约与PLC 进行点对点通讯，通讯数据位定义如图3 所示。在数据传输过程中，每个字节由单独的UART 帧装载，采用半双工模式传输。激光测距仪传递的数据为模拟量，被以8 位的2 进制数表示。为了严格保证数据传输的正确，通讯协议规定作为系统主站的PLC 需重复向作为从站的激光测距仪发送2 次请求。如果检测到第二次数据格式不合法，主站PLC 停止通讯，并向系统发送报告。系统通过数据报错报告数量评估数据传输质量。

图3 激光测距仪通讯规约

2.3 电参数表通讯规约设计

由于系统对电参数测量的要求较高，电参数表在经过快速采集卡将电压、电流信号和相位差等信号采集后通过滤波和信号放大，由其内部的单片机对信号进行运算，得到功率与电能。为了准确测量各机构整个运行过程中（启动-运行-制动）的电能消耗，系统对电能的计算摒弃了传统的功率乘以时间的计算方式，以秒为单位对每秒采集的1 024 个功率数据进行积分计算。

电参数表与计算机之间的通讯采用串口通讯，通讯协议为RS485，通讯速率为38 400 symbol/s。由于串口通讯无法满足将测量数据实时传输给计算机的要求，故电参数表与计算机的通讯采用服务式通讯。即计算机通过向电参数表发送命令字，控制电参数表开始、结束记录测量数据，将其写入相应地址的寄存器，并传递给计算机。

3 主要功能

3.1 试验对象

试验装置主要用于对通用桥门式起重机的检验，被试对象的主要参数为：额定起重量0 ～100 t、电机功率0.55 ～30 kW、起升速度2 ～20 m/min、运行速度2 ～20 m/min、有效行程高度0 ～30 m。

3.2 试验项目

1）起升速度测量 测量行程不小于1 m，当起升超过0.5 m，启动测量。

2）小车运行速度测量 测量行程不小于2 m，当运行超过0.5 m，启动测量。

3）大车运行速度测量 测量行程不小于2 m，当运行超过0.5 m，启动测量。

以上测量时间可人为根据运行行程测定，连测4 次，取平均值。

4）挠度测量 将激光测距仪放置在主梁正下方，对准主梁跨中，手动测量。

5）能效测量 在额定电压、额定频率和试验载荷为额定载荷条件下，控制起重机起升机构按照相应的循环周期（M1 ～M8）进行连续运转，测量10 个循环周期的供给能之和与有效能之和，再计算能效。

6）动载试验 在额定电压、额定频率和试验载荷为1.1 倍额定载荷条件下，控制起重机按照相应的循环周期（M1 ～M8）进行连续运转，根据不同的试验项目，选择测量时间或试验次数。

4 应用实例分析

4.1 参数设置

操作界面如图4、图5 所示，进入样机参数界面，将样机参数输入完整后，进入相应的试验界面，在试验界面上会显示样机的相关信息。如在动载试验页面下，会显示当前工作制下，样机起升与下降时间曲线。在屏幕下方会有相应的操作按键，用户可通过按键控制起重机进行相应动作来调整各机构的位置。所有机构的位置调整好后，用户点击开始按钮，系统会自动控制起重机按照流程进行动作，并在这个过程中完成对各个参数的测量。测量数据在屏幕相应位置显示，试验完成后用户可根据需要将数据储存进数据库，并打印成报表。试验中如遇到突发情况，用户可以点击停止按钮终止试验。

图4 样机参数

图5 能效试验

为了满足用户的需求，系统除了设置M1 ～M8 工作制外，还设置了M9 工作制，专门针对用户的需求自定义各个动作的时间，如图6 所示。

图6 动载试验

4.2 速度测量

速度测量分为起升速度、大小车运行速度测量3 个子界面。在3 个子界面下对各个机构的运行速度进行测量，并将数据与传统的采用卷尺和秒表方式测量得到的速度数据进行对比，表1 列举了以5 t 悬挂单梁、16 t悬挂单梁和32 t 通桥为样机进行试验的数据对比。具体的试验方法为：对起升速度、大小车运行速度分别采用2 种方法进行测量。为了描述方便，将本文描述的采用激光测距仪的测量方法作为试验组，将采用卷尺、秒表的测量方法作为对照组

表1 速度测试数据对比 m·min-1

从表1 列举的3 组对比试验数据可以看出，试验组数据的离散程度远小于对照组，证明试验组采用的测量方法具有更高的重复精度，且这种优势在测量运行速度较快的机构时更为明显。

因为摒弃了采用卷尺和秒表测量速度需有一段测量行程的限制，激光测距仪具有可实时采集被测机构位置变化的特点，所以系统测量的是各运行机构的瞬时运行速度，故还可利用速度数据绘制各机构的运行特性曲线。图7 为16 t 悬挂单梁起升速度数据的速度特性曲线。

图7 速度特性曲线

4.3 电参数测量

采用高速采集卡使电参数表对电参数变化的捕捉能力比一般的仪表灵敏，使系统可完整地记录各运行机构在启动过程中的各项电参数变化，也能监测各运行机构在运行过程中的异常波动，从而为分析起重机的运行状态提供了数据支持。表2 为以5 t 悬挂单梁为样机的对比试验数据，将本文所述电参数表为测量方法设为试验组，将传统的功率仪为测量方法设为对照组。起重机起升机构由静止到起升一段距离后再停止，测量整个过程的电参数变化。

试验组电参数表采集数据量大，表中只节选了部分数据。由于对照组采用的功率测试仪数据传输速度慢，所以选择数据的方法是将对照组采集到的数据全部采用，试验组的数据只采用与对照组数据具有相同时间戳的数据。试验组数据中供给能为对功率进行积分求得。从表2 列举的对比试验数据可以看出，试验组记录了起升机构启动和停止过程中的电参数变化，由于对照组采用了传统的功率测试仪，通讯速率一般在100 ms 以上，很难采集到启动和停止过程中的电参数变化。从数据上还可以看出，试验组测量的供给能高于对照组测量出的供给能，其原因主要有两点：一是因为对照组的供给能是功率乘以时间求得，这使得在起重机起升过程中的电参数变化没有被系统详细记录，能量消耗积少成多，造成了对照组供给能数据逐渐偏小。二是由于这种算法忽略了启动和制动过程的能量耗损，而这个过程消耗的供给能要高于起升机构正常运转时消耗的供给能，造成了对照组供给能测试数据偏小。

表2 5 t 悬挂单梁电参数测试数据对比

5 结语

基于激光测距仪的起重机检验装置操作简单，系统主要按照规定运转方式，可自动控制起重机起升、下降与大小车运行。该装置具有结构紧凑、质量轻、便于携带、易于安装等优点，可非常简单便捷地对接大部分常规起重机的控制电路。

基于激光测距仪的起重机检验装置对起重机各项参数的测量方法完全符合TSG Q7002—2019《起重机械型式试验规则》、GB/T 30222—2013《起重机械用电力驱动起升机构能效测试方法》等国家标准的要求。为起重机检验人员现场从事法定的检验工作提供了有力保证。

基于激光测距仪的起重机检验装置采用的速度测量方式极大地提高了速度测量的自动化程度，避免了人为操作过程中引入的各种测量误差，有效提高了测量精度，且实现了对起重机各运行机构实时速度变化的监测。系统实现了对电参数的高速采集，使检验人员对分析起重机各机构在启动、运行和制动过程中的电参数变化特性提供了数据支撑。同时，系统在测量供给能时，利用采集速度快的特点，将采集到的电参数数据进行了积分处理，使得供给能的测量比传统功率测试仪测量的数据更为准确。

基于激光测距仪的起重机检验装置填补了国内起重机现场检验工作缺少自动化检验设备的空白，利用激光测距仪可以不接触被测物体便能测量距离、速度等参数的优点，避免了传统测量方法误差大，操作麻烦的弊端。