重型天車無線遙控技術(shù)的應(yīng)用與探討

高 軍，王旭東，趙 磊，張靖苑

(神東煤炭集團(tuán)設(shè)備維修中心，陜西 神木 719315)

0 引言

神東煤炭集團(tuán)公司設(shè)備維修中心現(xiàn)有天車種類繁多，存在生產(chǎn)廠家多、控制方式不一，手動(dòng)操作(有線)容易導(dǎo)致斷線和并線的隱患。由于天車高度較高，信息傳遞不便，操作人員長(zhǎng)期工作于噪音大的工作環(huán)境，視野受光線和障礙物影響大，吊裝靠地面人員手勢(shì)和空中操作人員交流，定位往往不準(zhǔn)確；對(duì)地面設(shè)備和人員的安全存在威脅等諸多不利因素。在多臺(tái)天車同時(shí)作業(yè)時(shí)，安全防護(hù)主要靠人為控制，天車的各部件使用頻度不能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，不能及時(shí)有效地維護(hù)、改進(jìn)和數(shù)據(jù)支持，天車工作時(shí)所有工作狀態(tài)和場(chǎng)景不能進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)追溯，為調(diào)查事故或故障原因造成了障礙[1-3]。為進(jìn)一步提升天車運(yùn)行安全性、改進(jìn)系統(tǒng)控制可靠性、人員操作便捷性，便于設(shè)備維修保養(yǎng)工作進(jìn)行，增添少量的硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)來優(yōu)化現(xiàn)有的控制系統(tǒng)，以提高天車工作的安全性、可靠性，進(jìn)而提高工作效率，降低維護(hù)成本和使用成本。因此，對(duì)神東煤炭集團(tuán)公司設(shè)備維修中心42臺(tái)天車進(jìn)行無線遙控及安全防護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用。

1 無線遙控及激光防撞系統(tǒng)

1.1 無線遙控系統(tǒng)

系統(tǒng)功能：無線遙控技術(shù)應(yīng)具備與天車駕駛室內(nèi)手動(dòng)操作相同的功能。操作者通過手持遙控器在吊具旁邊控制大車、小車和吊鉤的起重運(yùn)行，要求操作方便，以及提高設(shè)備使用效率和安全性。

控制模式：無線遙控器的控制模式如圖1所示，是由無線遙控器發(fā)送出無線信號(hào)，無線接收控制器接收發(fā)送來的指令，并通過解析指令，輸出相應(yīng)的控制信號(hào)到天車電氣控制箱，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。

圖1 無線遙控器的控制模式

接收器互換：無線遙控器與駕駛室內(nèi)的手動(dòng)操作通過轉(zhuǎn)換開關(guān)來控制切換，無線遙控器控制系統(tǒng)與原有控制系統(tǒng)相互獨(dú)立，在任何一種操作方式出現(xiàn)故障的情況下，另外一種操作方式可以正常使用不受影響。

1.2 激光防撞系統(tǒng)

系統(tǒng)功能：在同一個(gè)軌道上運(yùn)行多臺(tái)天車時(shí)，為了防止天車間的相撞事故，在天車大車的兩端安裝激光報(bào)警裝置，在2臺(tái)天車靠近到一定距離時(shí)，自動(dòng)斷電停止天車的運(yùn)行，保證2臺(tái)天車的工作安全。

控制模式：激光防撞系統(tǒng)的控制示意圖如圖2所示。目前多臺(tái)天車在同一軌道運(yùn)行時(shí)，是通過司機(jī)的肉眼觀察，防止天車與天車之間產(chǎn)生碰撞，存在很大的安全隱患。要求采用激光限位技術(shù)，運(yùn)行時(shí)天車與天車之間保證安全距離，同時(shí)不影響各天車的正常工作。同一個(gè)軌道上運(yùn)行多臺(tái)天車時(shí)，為了防止天車間的相撞事故，在天車的兩端安裝激光報(bào)警裝置，當(dāng)2臺(tái)天車靠近到一定距離時(shí)，激光防撞裝置感應(yīng)到來自對(duì)面天車上的反光板反射的激光信號(hào)，自動(dòng)斷電來停止天車往此方向的運(yùn)行，并發(fā)出報(bào)警聲音[4-6]，保證2臺(tái)天車的工作安全。而向相反方向的2臺(tái)天車則根據(jù)設(shè)定的安全距離，激光防撞器自動(dòng)解除報(bào)警。

圖2 激光防撞系統(tǒng)的控制模式

激光限位裝置：各天車加裝激光限位裝置，在不影響各天車工作的前提下，將限位距離設(shè)置為0.25 m，保證各天車運(yùn)行在安全范圍之內(nèi)，相互之間不發(fā)生碰撞[7-8]。避免操作者人為失誤，大大提高安全生產(chǎn)效率。加裝激光限位裝置后，對(duì)原來的控制電路進(jìn)行了相應(yīng)改進(jìn)。

2 微機(jī)監(jiān)控安全、檢測(cè)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在天車上安裝微機(jī)監(jiān)控安全、檢測(cè)、控制系統(tǒng)。系統(tǒng)具有以下功能：天車主要電氣系統(tǒng)的自檢和自身狀態(tài)信息識(shí)別；具備檢查自身各控制信號(hào)、安防信號(hào)的作用；天車上大車、小車和吊鉤位置的信息識(shí)別，能夠識(shí)別天車及吊鉤所在的位置；能繪制天車上大車、小車和吊鉤實(shí)時(shí)運(yùn)行的軌跡，能記錄天車的行程和統(tǒng)計(jì)運(yùn)行時(shí)間；對(duì)天車圍界進(jìn)行安全視頻監(jiān)控；對(duì)天車的視頻監(jiān)控信息實(shí)現(xiàn)無線傳輸、監(jiān)控及APP傳送；便于今后功能的擴(kuò)展，如實(shí)現(xiàn)天車群控等功能。要實(shí)現(xiàn)上述功能，主要應(yīng)解決視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、微機(jī)控制方面的問題。

2.1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

系統(tǒng)功能：視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)天車大車的4個(gè)行走輪和小車吊鉤下的工作區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。因此，視頻監(jiān)控可安裝于天車大車的4個(gè)行走輪附近和小車吊鉤下，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)這些工作區(qū)域的實(shí)時(shí)監(jiān)控。視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以進(jìn)行錄像回放和拷貝功能，為安全事件的調(diào)查提供幫助。

行走輪及吊鉤下區(qū)域監(jiān)控：對(duì)天車大車的行走輪進(jìn)行監(jiān)控的示意圖如圖3所示。攝像系統(tǒng)共有4處，每個(gè)大車輪位各一個(gè)，用來監(jiān)控4個(gè)輪位軌道之間的工作狀態(tài)及有無異物。對(duì)小車吊鉤下面區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控的示意圖如圖4所示。一臺(tái)云臺(tái)攝像機(jī)安裝在天車上的小車下方，可從終端操作云臺(tái)隨時(shí)觀察小車下的各方位圖像，也可實(shí)時(shí)在天車駕駛室和無線終端或另一臺(tái)PC上監(jiān)視天車運(yùn)行情況。視覺監(jiān)控系統(tǒng)在天車上電后可自啟進(jìn)入運(yùn)行模式。

圖3 對(duì)天車大車的行走輪進(jìn)行監(jiān)控的示意圖

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

系統(tǒng)構(gòu)成及功能：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的示意圖如圖5所示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能包括：①對(duì)天車電氣控制信號(hào)的采集；②對(duì)圖像信號(hào)的采集。

對(duì)天車電氣控制信號(hào)的采集：對(duì)天車電氣控制信號(hào)的采集使用PLC(即可編程邏輯控制器)來實(shí)現(xiàn)，采集信號(hào)通過PLC處理后送到平板電腦中。PLC主要采集在無線遙控器控制下天車工作時(shí)的工作狀態(tài)，例如，電源，急停，大車、小車、吊鉤的位置坐標(biāo)信號(hào)；大車、小車和吊鉤的啟動(dòng)自檢。PLC在天車電源上電時(shí)自行開始工作，保證數(shù)據(jù)監(jiān)控與天車工作同步[9-10]。

圖4 對(duì)小車吊鉤下的工作區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控的示意圖

圖5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的示意圖

對(duì)圖像信號(hào)的采集：對(duì)圖像信號(hào)的采集使用交換機(jī)來實(shí)現(xiàn)。交換機(jī)采集攝像頭和無線路由器的信號(hào)，處理后送到平板電腦中。交換機(jī)采集信號(hào)的接線如圖6所示。

圖6 交換機(jī)采集信號(hào)的接線圖

2.3 微機(jī)控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)組成：①天車上安裝數(shù)據(jù)信息采集柜；②箱面上安裝12.1寸工業(yè)級(jí)平板電腦和電源開關(guān)、電源指示和運(yùn)行報(bào)警燈；③安裝一臺(tái)歐姆龍PLC+20路擴(kuò)展模塊，配4路模擬量輸入和2路模擬量輸出，36路開關(guān)量輸入，24路開關(guān)量輸出；④采用220 V交流電源，保證平板電腦和PLC的使用；⑤現(xiàn)場(chǎng)安裝5套攝像頭(1動(dòng)點(diǎn)、4定點(diǎn))，具體位置為4個(gè)大車承重行走輪各一個(gè)，小車視頻監(jiān)控一個(gè)，配齊攝像頭的控制和信號(hào)傳輸系統(tǒng)(如數(shù)字網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)、二塊3TB硬盤、千兆網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等)。在平板電腦上能實(shí)時(shí)顯示攝像頭送來的圖像；⑥將天車大小車、大小鉤的運(yùn)行信號(hào)、報(bào)警信號(hào)、限位信號(hào)等開關(guān)量信號(hào)接入PLC，使其在平板電腦上能顯示、處理和儲(chǔ)存這些信息；⑦在平板電腦上用VC編寫上位機(jī)控制系統(tǒng)，將PLC送來的信號(hào)儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)，能顯示、處理和儲(chǔ)存這些信息，也可根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)和報(bào)警(如：接觸器、繼電器、開關(guān)等器件使用次數(shù)統(tǒng)計(jì)及壽命報(bào)警等)；⑧通過編程實(shí)現(xiàn)天車的安全管理。如：實(shí)現(xiàn)天車自身狀態(tài)信息識(shí)別，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)部分的自檢；天車系統(tǒng)自身各控制信號(hào)、安防信號(hào)的運(yùn)行記錄；記錄設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行軌跡(或時(shí)間參數(shù))等功能；⑨天車大車、小車和吊鉤的運(yùn)行位置計(jì)算。通過在各相應(yīng)傳動(dòng)部件上安裝非接觸式位置檢測(cè)傳感器，通過PLC把數(shù)據(jù)送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行位置計(jì)算；⑩通過PLC進(jìn)行天車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)判別，在天車運(yùn)行時(shí)控制聲光報(bào)警器，對(duì)吊具下的人員進(jìn)行安全警示。

控制系統(tǒng)功能：①平板電腦與PLC相連接，實(shí)時(shí)通信。把PLC采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后送到平板電腦中。在平板電腦安裝有自主設(shè)計(jì)的監(jiān)控軟件，該監(jiān)控軟件用VC6編寫。該監(jiān)控軟件把PLC送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再以圖表，狀態(tài)顯示，操作事件列表的形式在監(jiān)控軟件上顯示；②平板電腦與交換機(jī)相連接，交換機(jī)采集攝像頭和無線路由器的信號(hào)，處理后送到平板電腦中。在平板電腦上按照大華監(jiān)控軟件，通過該軟件實(shí)現(xiàn)圖像的調(diào)用。

監(jiān)控軟件功能：該軟件系統(tǒng)對(duì)天車的各個(gè)部件的運(yùn)動(dòng)軌跡位移進(jìn)行累計(jì)，同時(shí)也對(duì)運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行累積。軟件上可設(shè)定大車、小車和吊具的軌跡累計(jì)報(bào)警和運(yùn)行時(shí)間報(bào)警。所有采集到的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)庫(kù)形式保存，并可以通過存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行備份。監(jiān)控軟件的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。平板電腦在天車上電后自動(dòng)啟動(dòng)，啟動(dòng)后監(jiān)控軟件自動(dòng)運(yùn)行，保證與天車工作的同步。監(jiān)控軟件接收遙控器發(fā)來指令的工作流程圖如圖8所示。

圖7 監(jiān)控軟件的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖8 監(jiān)控軟件的工作流程圖

APP無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：監(jiān)控?cái)z像機(jī)只是一個(gè)獨(dú)立的個(gè)體，要對(duì)這些設(shè)備做好統(tǒng)一管理，對(duì)同一個(gè)品牌的智能設(shè)備可通過一個(gè)APP進(jìn)行管理。手機(jī)可通過無線連接上APP，在手機(jī)上可看到監(jiān)控?cái)z像機(jī)的圖像。因此，采用TCP/IP下的無線網(wǎng)絡(luò)來完成這項(xiàng)功能。無線AP網(wǎng)絡(luò)把計(jì)算機(jī)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和視頻圖像傳輸至移動(dòng)終端APP上或指定網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)可通過相應(yīng)的軟件查看天車當(dāng)時(shí)或之前的運(yùn)行狀態(tài)，也可實(shí)時(shí)通過終端上的APP功能觀看。APP無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)示意圖如圖9所示。

圖9 APP無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)示意圖

3 結(jié)論

(1)在保留原有功能的前提下，增加激光限位器與無線遙控器，不但節(jié)約人工成本，還可提高生產(chǎn)效率，加強(qiáng)了安全性，改善了操作人員工作環(huán)境。天車上安裝了微機(jī)安全、檢測(cè)、控制系統(tǒng)，便于擴(kuò)展天車信息識(shí)別、安全監(jiān)測(cè)等功能，該系統(tǒng)擴(kuò)展性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、信息化程度高。

(2)通過APP功能，天車自身狀態(tài)信息識(shí)別，天車系統(tǒng)自檢，具備檢查自身各控制信號(hào)、安防信號(hào)的作用。天車多向位置信息識(shí)別，能夠識(shí)別天車及吊鉤所在絕對(duì)位置；天車實(shí)時(shí)運(yùn)行軌跡及累計(jì)，記錄天車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、行程及累計(jì)軌跡時(shí)間；天車圍界安全視頻監(jiān)控，天車狀態(tài)信息無線傳輸、監(jiān)控及APP，通過無線傳輸天車相關(guān)信息狀態(tài)信號(hào)，可集中監(jiān)控，可實(shí)時(shí)聯(lián)接應(yīng)用APP等功能。