刘武胜 袁旭录 刘浩

天元二手物资 北京

摘要：以门式起重机为例，介绍起重机智能技术的应用场景、存在问题及解决方案。通过对起重机智能技术工程应用过程中的故障或事故案例进行分析，针对现有智能技术缺乏主动安全性的问题，提出“起重机故障安全技术”的概念，为意外故障发生后提供指导。在起重机自动化操作期间。对安全性进行了初步研究，提出了安全控制系统设计原则、实现故障安全的方法、故障安全系统设计方法以及起重机智能化应用等建议。

关键词：起重机；智能科技；故障安全；主动安全；以故障为导向的安全；无人看管的

CLC 分类号：TH215 文件识别码：A 文章编号：1001-0785 (2020) 20-0068-05

0 简介

近年来，随着智能技术的快速发展，智能制造、智能物流、在役设备智能运维等应用场景对智能起重机的需求快速增长，无人车间、智能工厂等行业对智能起重机的需求快速增长。电厂、一键炼钢等都发生了更多的变革。这将上述领域对智能起重机或无人驾驶的需求推向高潮。起重机制造商竞相开发智能技术，根据客户需求提供适合各种不同应用的智能起重机。然而，起重机智能运行的效率和稳定性尚未达到客户期望，在可靠性、可用性、可维护性和安全性方面还存在重大不足。甚至连续发生多起停产或人员伤亡事件，影响了智能起重机技术的发展。促销有显着的负面影响。

智能门式起重机的工作过程与普通起重机相同。增加的智能控制不仅命令起重机自动运行，还需要能够代替人的视觉、听觉、触觉、感觉和工作经验，自动感知自身和周围环境的变化。自己决定下一步该做什么。通过对智能起重机工程案例的研究发现，智能吊具、防摇及精准定位、路径规划及避障、无线传输、视频监控等所谓智能技术，包括智能作业的管理、调度、监控等。大型系统都是解决自动化运行问题的技术。它们只能代替人工操作，实现起重机的自动化操作。它们还无法替代人类自动感知、自我分析、独立决策、自动执行起重机的操作。例如，如果操作人员发现滑钩、需要紧急制动等感知和决策行为或检查传动链或啃轨等异常噪音，特别是软件崩溃、信息传输延迟或中断等故障导致起重机不受控制地自由运转，造成人身伤亡和财产损失。及其他严重损坏。因此，智能控制除了管理、调度、监控系统等自动化、智能化技术外，还需要增加故障安全系统。当系统发生事故或故障时，可以引导系统立即进入安全状态或位置，保护人员、财产和环境不受伤害。

1 智能门式起重机现有应用场景

近年来，多家起重机制造企业推出了具有自主技术的全自动起重机、智能起重机、无人起重机等智能门式起重机，广泛应用于智能制造、电厂、水泥厂、钢铁、造纸、生物质发电、等领域。

根据起重机智能化关键技术的差异，现有智能门式起重机的工程应用场景一般分为货站转运、散料搬运和物流智能储运等。

1）货站接送

仅移动工件、货物等。多用于智能制造车间、货物装卸等场合，如钢板下料、钢结构制造、毛坯轧制等制造场所。主要包括智能吊具、定位防摇系统、路径等。规划与避障、视频监控系统、自动控制系统等技术，部分项目案例还包括无线传输系统和自动故障诊断系统。

2) 散装物料搬运

使用抓斗作为吊具，在料棚、料场、原料仓库等处储存和运输沙子、煤炭、水泥、垃圾、松散秸秆等散装物料，或使用抓斗和电磁吸盘运输废钢以及除工作站以外的其他地方。转运起重机的智能技术。此外，还增加了料位检测系统、抓斗姿态监测和自动着陆系统。一些项目案例还包括称重和报告管理系统以及多设备调度系统。

3）物流仓库储运

用于钢卷、型材、纸卷、草捆等散装物料仓库和配送中心的自动化存储和运输。除上述技术外，还具有库存管理、设备调度、监控等系统。其特点是系统更加复杂，操作设备较多，进出库、内存存储、报表管理等连接更加紧密。

2 工程应用故障或事故案例

1）工作站转运起重机被悬挂物撞击后坠落。

智能车间一台起重机在自动运行过程中，被吊物上升时，高速到达顶部，导致钢丝绳断裂。吊具和吊起的物品同时坠落，造成其他设备损坏，并导致生产停顿数天。事故原因是，在仅一套定位系统和限位行程开关发生故障后，自动运行的起重机未能检测到潜在危险，吊具在没有收到停止指令的情况下继续上升。

2）钢丝绳断裂，起重机抓斗掉落。

垃圾抓斗起重机在起吊时，由于操作不当，抓斗自行旋转，带动四根钢丝绳及抓斗缆绳扭转缠绕成绳状态。继续上升时，被小架横梁挡住，导致钢丝绳断裂，抓斗坠落。进入垃圾池。故障原因是起重机自动运行时，控制系统无法代替操作人员发现钢丝绳已扭曲缠绕废钢抓斗，从而造成钢丝绳超载潜在故障。结果当隐患变成故障时，没有采取任何补救措施。

3）吊具偏转以致相关设备受到碰撞损坏

对于自动焊接车间的工位转运起重机，虽然三维定位系统准确确定了停车位置，但吊装的工件仍然偏离停车工位，损坏了焊接机器人。故障原因是防摇系统失效。吊具在启停过程中晃动较大，导致钢丝绳跳动。即使定位系统给出了精确的三维停车位置，吊具在提升不等长度的钢丝绳时也会发生偏转。 ，但吊具的偏转导致工件偏离工作位置。该起重机未配备钢丝绳跳动监测装置，无法代表操作人员检测吊具偏转潜在的事故隐患。

4）堆垛机与货架碰撞

某智能车间零件立体仓库桥式堆垛机发生偏移，叉柱与货架碰撞，造成货架倒塌、叉柱弯曲、小车脱轨。故障原因是定位系统仅使用一组相对定位的编码器，因漂移而产生累积定位误差，导致路径规划出现偏差。

综上所述，近年来，企业号称智能化的起重机多次出现故障，引发事故。从智能起重机应用场景中使用的各种技术以及事故案例的表现来看，在智能技术的工程实践中，很多情况下的所谓智能起重机仅实现了自动化操作，但不具备监控隐藏隐患的技术。危险，诊断故障，并在发生故障后引导起重机到安全状态或位置。无人化和智能化替代人工操作还有很大差距。因为操作人员在工作中不仅操作起重机完成运输过程，还要观察起重机及工作区域的各种情况，利用视觉、听觉、触觉、感觉和经验来发现潜在的事故隐患，如啃轨等。或传动链损坏。存在特殊噪音、抓斗漏油或销轴磨损导致斗门开合不正常、吊具偏斜、路径偏差、吊钩滑行等隐患。

3 智能应用存在的问题

3.1 情报概念不明确

在役通用起重机的新设计或智能化改造过程中，增加的技术或装置仅实现起重机的自动化操作。例如钢卷仓库、大宗原材料仓库、智能车间等实施无人吊改造方案，仅增加仓库管理系统、无线网络系统、定位防摇系统、视频监控系统、工作区安全防护、地面操作室。 、吊具改装等装置或功能，没有考虑操作人员自身的监控作用和处理隐患和故障情况的能力。目前，行业内对于智能化的概念还没有形成共识或标准。因此，起重机制造商只要用PLC或工控机代替操作人员完成部分工作流程，就敢称其为智能起重机。在实际应用中，故障和事故时有发生。 ，对智能技术的推广应用产生重大负面影响，严重阻碍智能技术的发展和进步。智能化一般是指操作和控制的过程，不仅操作设备完成预定的工作流程，而且能够随时自主感知和发现意外情况并独立做出响应。智能技术的重点不仅仅是自动完成预定的动作或过程，更重要的是取代人类的自动感知、独立分析、自我决策，直至自动执行。与其他设备相比，起重机智能化的难点不仅在于吊具的智能、三维精准定位和防摇（大多采用吊具本体进行定位，柔性连接的吊具或物体的实际位置是仍不同于起重机本体的给定位置）、管控、监控等技术，还应考虑故障隐患的发现和故障后的设备安全技术（意外情况感知、处理能力），以减少或避免停机或其他损坏故障造成的。

3.2 整体技术能力不足

绝大多数起重机制造商不具备设计和制造电控设备的能力，更不具备自动化控制的软件能力。一个起重机智能化项目案例基本是由起重机、电控、吊具、工控等多家公司合作完成。尽管各方齐心协力，发挥各自专长，但缺乏智能技术的顶层设计。起重机制造商通常负责机械部分和电控集成，软件公司根据起重搬运过程编写控制程序，缺乏对起重机所需的冗余设计、故障诊断设计、故障安全设计的整体控制。智力。

3.3 缺乏安全意识

起重机在运行时，许多故障或事故隐患是操作人员根据自己的观察和经验发现的，提供了主动安全。然而，现有的智能或无人起重机仅实现自动化操作，缺乏替代人工观察的必要安全措施，造成被动安全或不安全。最重要的是，主动安全和故障安全尚未形成共识，缺乏相关技术和装置。

3.4 法规标准滞后，监管薄弱

目前，我国将起重机列为特种设备进行监管，但针对起重机的自动化、智能化尚未制定相关标准和规定。各地特检部门没有办法跟进，只能按照现有规定对传统安全措施进行检查。自动化，大部分智能化功能根据技术协议由业主自己接受。无法判断智能性能是否可靠、安全。不仅带来诸多隐患，而且严重滞后于技术的发展和应用。

某地方标准对起重机远程自动化控制系统的检验规范提出要求：应设置位置自检系统，且应独立于定位系统；推车防撞保护系统应采用冗余设置；直接测量的台车架和吊具应设有距离检测装置；当通讯信号中断或传输响应时间超过550ms时，所有机构应停止自动运行或保持静止；当视频监控信号中断或传输响应时间超过550毫秒时，所有机构应停止自动运行或保持静止；通信系统应具有故障自诊断功能。当通讯系统出现故障时，远程控制系统应报警并使所有机构处于停止状态。

某协会团体标准对起重机远程自动化控制系统的技术要求：应提供两套独立的起重机防碰撞检测系统，且两者应互补；应建立位置自检系统，该系统应具有以下功能： 独立于定位系统，同一故障不应导致定位和校验功能同时失效。自动校验的结果应同步上传至远程控制系统并显示为差异。当差值的绝对值大于偏差最大允许值时，系统应有报警输出并控制相应机构停止自动运行；卡车防撞保护系统应采用冗余设置。

上述地方规范或团体标准虽然规定了一些自动操作的安全要求以及预防或补救某些故障，但仅在某些行业或某个区域具有一定的指导作用，并没有对如何引导起重机进行指导故障发生后。进入安全状态或位置受到限制，没有规定或强制性标准级别。

4 起重机故障安全技术

随着生产技术的发展和生产规模的大型化，安全生产已成为重大的社会问题。在智能化设计阶段，必须考虑工厂的工艺、设备和控制方案应是本质安全的废钢抓斗，进而保证起重机从运行到报废的整个生命周期的安全。起重机作为生产工艺链中的特种设备，对安全生产有着非常重大的影响。尤其需要安全控制系统来保证安全、稳定、连续生产。即使发生故障，安全控制系统也能最大程度地保护人员、设备和环境免受损害。

起重机故障安全控制系统是基于高度自诊断和计算机技术的软件容错系统，是应对意外故障的手段。该系统持续监控起重机的运行情况，并通过自诊断程序可以诊断系统内部部件的故障并消除潜在的错误，从而提高起重机的可靠性。当起重机发生事故或故障时，可将设备引导至安全状态或位置，保证不造成人员伤亡、系统损坏、重大财产损失、危害人体健康和环境。

4.1 安全控制系统设计原则

1）独立设置原则

安全控制系统应独立于过程控制系统，以减少安全功能和控制功能同时失效的概率，使安全控制系统不依赖于过程，独立完成自动保护和联锁的安全功能控制系统。

2）结构选择原则

安全控制系统应采用容错系统。当一个或多个组件发生故障时，系统仍然能够继续运行。

3）故障安全原则

安全控制系统必须具有故障安全功能。所谓故障安全，是指当系统出现故障时，它应该不工作或不强力。

4）中间环节原则

安全控制系统需要高效运行。中间环节越少越好。尽量采用最直接的监控和最可靠的执行方式。操作期间还应考虑最少或不需要人为干预和选择步骤。

4.2 实现故障安全的方法

采用预防和保护措施，最大限度地减少起重机在整个生命周期中因错误而造成损坏的可能性。预防措施用于减少受伤的可能性，保护措施用于减少受伤后果的严重程度。

为了提高起重机故障安全系统的性价比，预防措施应考虑故障或失灵的频率以及危害的严重程度。常用频率分为频繁、经常、有时、很少、很少和几乎不可能（见表1），危害严重程度分为极大、主要、轻微和轻微。根据故障或失效的频率以及危害后果的严重程度进行风险评估（见表2）。故障安全系统应尽量避免允许的风险并禁止不允许的风险（见表3）。

4.3 故障安全系统设计方法

1）失效-安全负向设计

在采取纠正措施之前不工作，不会因不工作而造成更大的危害。如果起重机的控制软件死机或控制信号传输中断，应停止起重机。通常认为停止使用起重机是相对安全的。

2) 故障-安全积极设计

在采取纠正措施或启动备份系统之前，使系统处于安全状态。如果发生交通信号控制故障，信号灯将变红并实施交通管制，避免发生事故；例如，当起重机电源中断时，制动器处于制动状态，抓斗锁定在关闭状态等。

3）失效-安全工作设计

这允许系统在采取纠正措施之前继续安全工作。如果飞机起落架收放液压系统出现故障，可以放下起落架将其锁定在着陆位置，确保飞机安全着陆。例如，冶金起重机的冗余设计可以保证钢包在钢丝绳断裂或传动链中断时能够低速移动到安全位置。

5条建议

起重机智能化的实现需要分三个阶段来实施：让计算机做、让计算机帮助人做（人机协同处理）、让计算机代替人，这样起重机智能技术才能达到赋予人的目标。充分发挥人的特长，利用人的知识，弥补人的短板，关注人的盲点，实现起重机从单机到系统、从作业到管控、从自动化到智能化的转变。现阶段自动化可以由机器来做决策，而智能管控仍然需要人来做决策。起重机智能化设计或改造的目的是减少现场操作人员，提高设备综合利用效率，减少设备停机故障，降低综合成本。但人工智能必须具有自我意识，智能技术必须满足人类的观察和监控，才能实现起重机的主动安全。当自动故障诊断和故障安全系统尚未发挥作用时，需要对起重机实施有人和无人操作的自动化操作。

参考

[1] 刘武胜，岳文冲，李力。智能起重机关键技术介绍[J]起重运输机械，2017（9）：57-59。

[2] SZDB/Z 302-2018 集装箱门式起重机远程自动化控制系统检验规范[S].

[3] T/CPHA2-2018《集装箱门式起重机远程自动化控制系统技术条件》[S].

[4] GB/T 21562-2008 轨道交通可靠性、可用性、可维护性和安全规范及示例[S].