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刘武胜袁旭潞刘浩
北京起重运输机械设计研究院有限公司北京100007
摘要：以桥门式起重机为例，介绍起重机智能化技术的应用场景、存在的问题及解决思路。通过对起重机智能技术工程化应用过程中故障或事故案例的分析，针对现有智能化技术缺乏主动安全性问题，提出“起重机故障安全技术”的概念，对起重机自动化运行过程中发生意外故障后导向安全进行了初步研究，给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及起重机智能化应用的建议。
关键词：起重机；智能技术；故障安全；主动安全；故障导向安全；无人值守
中图分类号：TH215文献标识码：A文章编号：1001-0785（2020）20-0068-05
0引言
近年来，随着智能化技术的快速发展，智能制造、智能物流以及在役设备智能运维等应用场景对起重机智能化需求迅速增加，无人车间、智能电厂、一键炼钢等行业变革更是将上述领域智能化起重机或无人行车的需求推向高潮，起重机制造商竞相研发智能化技术，根据客户需求提供了多种不同应用场合的智能化起重机。然而，起重机智能化运行的效率、稳定性尚未满足客户预期，可靠性、可用性、可维修性和安全性尚有较大欠缺，甚至连续发生多次停产故障或伤亡事故，对起重机智能化技术的推广产生重大负面影响。
智能化桥门式起重机与通用起重机工作过程相同，增加的智能控制既要指挥起重机自动运行，还需能够代替人的视觉、听觉、触觉和感觉和工作经验，自动感知自身及周边环境的变化，自主决策下一步的工作。研究智能化起重机的工程案例发现，智能化吊具、防摇摆与精确定位、路径规划与障碍物避让、无线传输、视频监控等所谓智能化技术，包括智能化运行的管理、调度、监控等三大系统，全部是解决自动化运行的技术，只能代替人的操作实现起重机自动运行，尚不能代替人对起重机的运行进行自动感知、自我分析、自主决策和自动执行等，如操作者发现溜钩需紧急制动、出现异响需检查传动链或啃轨等感知与决策行为，特别是软件崩溃、信息传递延迟或中断等故障造成起重机无操控状态下的自由运行，从而造成人身伤亡、财产损失等严重损害。因此，智能化控制需在管理、调度、监控系统等自动化、智能化技术之外增加故障安全系统，当系统发生，能够引导系统立刻进入安全状态或位置，并保证人身、财产及环境不受危害。
1现有智能化桥门式起重机应用场景
近年来，许多起重机制造商均推出自主技术的全自动起重机、智能化起重机、无人起重机等智能化桥门式起重机，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，现有智能化桥门式起重机的工程应用场景一般分为件货工位转运、散装物料搬运和物流智能储运。
1）件货工位转运
只将工件、货物等转移位置，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、板胚轧制等制造场所，主要包括智能吊具、定位及防摇摆系统、路径规划与障碍物避让、视频监控系统、自动控制系统等技术，部分工程案例还包括无线传输系统和故障自动诊断系统。
2）散装物料搬运
用抓斗作为吊具，在料棚、堆场、原料库等场所储运砂石、煤、水泥、垃圾、散秸秆等散装物料，或用抓斗、电磁吸盘搬运废钢等场所，除工位转运起重机的智能化技术。另外，增加料位检测系统、抓斗姿态监控及自动着陆系统，部分工程案例还包括称量及报表管理系统、多台设备调度系统。
3）物流仓库储运
用于钢卷、型材、纸卷、秸秆包等大宗物资仓库、配送中心的自动化储运，除包括前述各项技术，还具有库存管理、设备调度、监控等系统，其特点是系统更复杂、运行设备更多、出入库衔接工艺更紧密以及记忆存储、报表管理等。
2工程化应用故障或事故案例
1）工位转运起重机被吊物品冲顶后跌落
某智能车间的起重机在自动运行过程中被，造成钢丝绳断裂，吊具与，致使其他设备损。事故原因是只有一套定位系统和极限行程开关失效后，自动运行的起重机未能发现潜在的隐患，且没有得到停止命令吊具继续上升所致。
2）钢丝绳断裂至起重机抓斗跌落
某垃圾抓斗自身旋转，并带动4根钢丝绳和抓斗电缆扭转缠绕成绳索状态，继续上升过程中遇小车架横梁阻挡造成钢丝绳断裂、抓斗跌入垃圾池。故障原因是起重，控制系统不能代替操作员发现钢丝绳已扭转缠绕将引起钢丝绳过载的潜在故障隐患，致使隐。
3）吊具偏斜至相关设备碰撞损坏
某自动焊接车间的工位转运起重机，三维定位系统虽准确给定了停车位置，但被吊工件仍偏离停靠工位撞坏焊接机器人。故障原因是防摇摆系统效果不佳，启停过程中吊具摇摆幅度较大造成钢丝绳跳槽，吊具在不等长的，尽管定位系统给出了精确的三维停车位置，但吊具偏斜后致使工件偏离工位。起重机未安装钢丝绳跳槽监控装置，也不能代替操作员发现吊具偏斜的事故隐患。
4）堆垛起重机碰撞货架
某智能车间零件立体仓库的桥式堆垛起重机走位偏移，货叉立柱碰撞货架致使货架坍塌、货叉立柱弯曲、小车掉轨事故。故障原因是定位系统仅采用一套相对定位的编码器因漂移产生累积定位误差，致使路径规划发生偏离。
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综上所述，近年来被企业自称智能化的起重机多次发生故障并引发事故，从智能化起重机应用场景采用的各项技术以及事故案例表现来看，在智能化技术的工程实践中，许多场合的所谓智能起重机只是实现了自动运行，而并无隐患监测、故障诊断直至故障后引导起重机处于安全状态或位置的技术，距离替代人工操作的无人化、智能化尚存较大差距。因为操作员在工作中不仅操作起重机完成搬运过程，更多的是观察起重机及工作区域内各种情况，凭借视觉、听觉、触觉、感觉和经验发现潜在的事故隐患，如啃轨或传动链损伤发出特别噪声、抓斗因漏油或销轴磨损造成的斗瓣开闭不到位、吊具偏斜、路径偏移、溜钩等隐患。
3智能化应用存在的问题
3.1智能化概念不明确
在新设计或对在役通用起重机进行智能化改造过程中，所增加的技术或装置仅实现起重机自动化运行。如某钢卷库、某散装原料库、某智能车间等实施无人起重机改造计划，仅增加库管系统、、定位及防摇摆系统、视频监控系统、工作区域安全防护、地面操作室、吊具改造等装置或功能，均未考虑操作员自身的监控作用及对隐患、故障状态下的处置能力。目前，行业内尚未形成智能化概念的共识或标准，致使各起重机制造商只要采用PLC或工控机代替操作员完成了部分工作过程都敢称为智能化起重机，实际应用中故障频发、事故不断，对智能化技术的推广应用产生重大负面影响，严重阻碍智能化技术的发展进步。智能化一般是指在操作控制过程中，不仅操作设备完成预定的工作流程，更多的是自主感知、以应对。智能化技术重点不仅在于自动完成预定的动作或工艺流程，更重要的是代替人的自动感知、自主分析、自我决策，直至自动执行。相对于其他设备，起重机智能化的难点不仅在于智能化吊具、三维精确定位与防摇摆（多数采用起重机本体定位，柔性连接的吊具或物品实际位置与起重机本体给定的位置尚存差异）、管理与控制、监控等技术，更应考虑发现故障隐患和故障后的设备安全技术（意外情况感知、处置能力），才能减少或避免故障停机或故障引发的其他损害。
3.2总体技术能力不足
绝大多数起重机制造商没有电控设备设计和制造能力，更没有自动化控制的软件能力。一个起重机智能化工程案例基本上由起重机、电控、吊具、工控多家企业合作完成，尽管各方通力合作、各自发挥专长，但缺乏智能技术的顶层设计。通常由起重机制造商负责机械部分和电控集成，软件公司根据起重搬运工艺流程编制控制程序，缺乏对智能化需要的冗余设计、故障诊断设计以及故障安全设计等总体掌控。
3.3安全意识欠缺
起，许多故障或事故的隐患是靠操作员凭借自身的观察和经验发现的，具有主动安全性。而现有的智能化或无人化起重机仅实现了自动化运行，缺乏必要的替代人工观察的安全措施，是被动安全或是不安全的。最主要的是尚未形成主动安全、故障安全的共识，更缺乏相关的技术和装置。
3.4法规、标准滞后，监管不力
目前，起重机在我国被列入特种设备予以监管，但尚未对起重机的自动化、智能化制定相关标准和法规，各地特检部门无法可依，仅按现有的条例检查传统的安全措施，自动化、智能化功能多由业主根据技术协议自行验收，其智能化性能是否可靠、安全无从判定，不仅带来众多隐患，也严重滞后技术的发展和应用。
某地方标准关于起重机远程自动化控制系统检验规范要求：应设定位自校验系统，且独立于定位系统；大车防撞保护系统应采用冗余设置；应设直接测量小车架和吊具之间距离的检测装置；当通讯信号中断550ms，所有机构应停止自动运行或保持静止状态；当视频监控信号中断550ms，所有机构应停止自动运行或保持静止状态；通讯系统应有故障自诊断功能。当通，远控系统应报警并使所有机构处于停止状态。
某协会团体标准关于起重机远程自动化控制系统技术条件要求：应具备两套独立的大车防碰撞检测系统，并两者互为补充；应设定位自校验系统，该系统应具备以下功能：独立于定位系统、同一故障不应导致定位和、自动校验的结果应同步上传至远控系统并以差值进行显示、当差值的绝对值大于偏差控制对应机构停止自动运行；大车防撞保护系统应采用冗余设置。
尽管上述地方规范或团体标准规定了一些自动运行的安全要求，对某些故障予以防范或补救，但仅在某些行业或某个区域具有一定的指导作用，也没有对发生故障后如何引导起重机进入安全状态或位置予以约束，更没有法规或强制标准级别的规定。
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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社会问题。智能化设计阶段必须考虑工厂的工艺、设备及控制方案应当是本质安全的，进而必须保障起重机运行直到报废全生命周期的安全。起重机作为生产工艺链内的特种设备，对生产安全具有非常重大影响，尤其需要安全控制系统来保障安全、稳定、连续的生产。即使出现故障，安全控制系统还能最大限度的保护人员、设备和环境免遭损害。
起重机故障安全控制系统是基于高度自诊断的、计算机技术的软件容错系统，是一种应付意外故障的手段。该系统连续监控起重机的操作，通过自诊断程序能诊断出系统内部部件的故障，并消除潜在的错误，使起重机可靠性增强。当起重机发生，能将设备导向安全的状态或位置，并保证不导致人员伤亡、系统损坏、重大财产损失或不危及人员健康和环境。
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，以降低安全功能和，使安全控制系统不依靠过程控制系统即可独立完成自动保护和联锁的安全功能。
2）结构选用原则
安全控制系统应采用容错系统。在一个或多个零部，系统仍然具有继续运行的能力。
3）故障安全原则
安全控制系统必须是故障安全型。所谓故障安全是。
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。选择环节的需求最少或没有。
4.2实现故障安全的方法
采用预防和防护措施，使起重机全生命周期由错误引起的损害概率最小。预防措施用于降低损伤发生的概率，防护措施用于降低损害后果的严重性。
为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效出现的频度和危害严酷等级，常用的频度分为频繁、经常、、很少、极少、几乎不可能（见表1），危害严酷等级分为特大、重大、次要、轻微。根据故障或失效出现频度和危害后果严酷等级进行风险评估（见表2），故障安全系统应尽量避免容许的风险，禁止出现不容许的风险（见表3）。
4.3故障安全系统设计方法
1）故障-安全消极设计
在采取纠正措施前不工作，且不会由于不工作使危险产生更大的损坏。如起重机在控制软件崩溃或控制信号传递中断等情况下，应采取停车处理。通常认为起重机停止运行是相对安全的。
2）故障-安全积极设计
在采取纠正措施或启动备用系统前，使系统处于安全状态。如交通信号控制发生故障，信号灯将转为红灯亮，实施交通管制，避免事故发生；如起重机在电，制动器处于刹车状态、抓斗锁定在闭合状态等。
3）故障-安全工作设计
使系统在采取纠正措施前继续安全工作，如飞机起落架收放液压系，可放下起落架将其锁定在着陆位置，保证飞机安全着陆。如冶金起重机冗余设计可保证钢丝绳断裂或，保证钢水包低速运行至安全位置。
5建议
实现起重机智能化需按照让计算机去做、让计算机帮助人去做（人机共同处置）、让计算机代替人去做三个阶段实施，使起重机智能技术达到发挥人的特长、利用人的知识、弥补人的短处、专注人的盲点，实现起重机从单机到系统、从操作到管控、从自动化到智能化。现阶段自动化可由机器决策，智能管控还需要人来决策。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。但人工智能要有自知之明，智能技术必须满足替代人的观察与监控，实现起重机的主动安全。在故障自动诊断、故障安全系，对起重机有必要实施有人值守、无人操作的自动化运行。
参考文献
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