劉武勝 袁旭潞 劉 浩

北京起重運輸機械設計研究院有限公司 北京 100007

摘 要：以橋門式起重機為例，介紹起重機智能化技術的應用場景、存在的問題及解決思路。通過對起重機智能技術工程化應用過程中故障或事故案例的分析，針對現有智能化技術缺乏主動安全性問題，提出“起重機故障安全技術”的概念，對起重機自動化運行過程中發生意外故障后導向安全進行了初步研究，給出了安全控制系統設計原則、實現故障安全的方法、故障安全系統設計方法及起重機智能化應用的建議。

關鍵詞：起重機；智能技術；故障安全；主動安全；故障導向安全；無人值守

中圖分類號：TH215 文獻標識碼：A 文章編號：1001-0785（2020）20-0068-05

0 引言

近年來，隨著智能化技術的快速發展，智能制造、智能物流以及在役設備智能運維等應用場景對起重機智能化需求迅速增加，無人車間、智能電廠、一鍵煉鋼等行業變革更是將上述領域智能化起重機或無人行車的需求推向高潮吊車出租，起重機制造商競相研發智能化技術，根據客戶需求提供了多種不同應用場合的智能化起重機。然而，起重機智能化運行的效率、穩定性尚未滿足客戶預期，可靠性、可用性、可維修性和安全性尚有較大欠缺，甚至連續發生多次停產故障或傷亡事故，對起重機智能化技術的推廣產生重大負面影響。

智能化橋門式起重機與通用起重機工作過程相同，增加的智能控制既要指揮起重機自動運行，還需能夠代替人的視覺、聽覺、觸覺和感覺和工作經驗，自動感知自身及周邊環境的變化，自主決策下一步的工作。研究智能化起重機的工程案例發現，智能化吊具、防搖擺與精確定位、路徑規劃與障礙物避讓、無線傳輸、視頻監控等所謂智能化技術，包括智能化運行的管理、調度、監控等三大系統，全部是解決自動化運行的技術，只能代替人的操作實現起重機自動運行吊具設計標準，尚不能代替人對起重機的運行進行自動感知、自我分析、自主決策和自動執行等，如操作者發現溜鉤需緊急制動、出現異響需檢查傳動鏈或啃軌等感知與決策行為，特別是軟件崩潰、信息傳遞延遲或中斷等故障造成起重機無操控狀態下的自由運行，從而造成人身傷亡、財產損失等嚴重損害。因此，智能化控制需在管理、調度、監控系統等自動化、智能化技術之外增加故障安全系統，當系統發生意外或故障時，能夠引導系統立刻進入安全狀態或位置，并保證人身、財產及環境不受危害。

1 現有智能化橋門式起重機應用場景

近年來，許多起重機制造商均推出自主技術的全自動起重機、智能化起重機、無人起重機等智能化橋門式起重機，廣泛應用于智能制造、電廠、水泥廠、鋼鐵、造紙、生物質發電等領域。

根據起重機智能化關鍵技術的差異，現有智能化橋門式起重機的工程應用場景一般分為件貨工位轉運、散裝物料搬運和物流智能儲運。

1）件貨工位轉運

只將工件、貨物等轉移位置，多用于智能制造車間、貨物裝卸等場合，如鋼板下料、鋼結構制造、板胚軋制等制造場所，主要包括智能吊具、定位及防搖擺系統、路徑規劃與障礙物避讓、視頻監控系統、自動控制系統等技術，部分工程案例還包括無線傳輸系統和故障自動診斷系統。

2）散裝物料搬運

用抓斗作為吊具，在料棚、堆場、原料庫等場所儲運砂石、煤、水泥、垃圾、散秸稈等散裝物料，或用抓斗、電磁吸盤搬運廢鋼等場所，除工位轉運起重機的智能化技術。另外，增加料位檢測系統、抓斗姿態監控及自動著陸系統，部分工程案例還包括稱量及報表管理系統、多臺設備調度系統。

3）物流倉庫儲運

用于鋼卷、型材、紙卷、秸稈包等大宗物資倉庫、配送中心的自動化儲運，除包括前述各項技術，還具有庫存管理、設備調度、監控等系統，其特點是系統更復雜、運行設備更多、出入庫銜接工藝更緊密以及記憶存儲、報表管理等。

2 工程化應用故障或事故案例

1）工位轉運起重機被吊物品沖頂后跌落

某智能車間的起重機在自動運行過程中被吊物品上升時高速沖頂，造成鋼絲繩斷裂，吊具與被吊物品同時跌落，致使其他設備損壞并停產數日。事故原因是只有一套定位系統和極限行程開關失效后，自動運行的起重機未能發現潛在的隱患，且沒有得到停止命令吊具繼續上升所致。

2）鋼絲繩斷裂至起重機抓斗跌落

某垃圾抓斗起重機起升時因操作不當使抓斗產生自身旋轉，并帶動4 根鋼絲繩和抓斗電纜扭轉纏繞成繩索狀態，繼續上升過程中遇小車架橫梁阻擋造成鋼絲繩斷裂、抓斗跌入垃圾池。故障原因是起重機自動運行時，控制系統不能代替操作員發現鋼絲繩已扭轉纏繞將引起鋼絲繩過載的潛在故障隱患，致使隱患轉入故障時沒有采取任何補救措施。

3）吊具偏斜至相關設備碰撞損壞

某自動焊接車間的工位轉運起重機，三維定位系統雖準確給定了停車位置，但被吊工件仍偏離停靠工位撞壞焊接機器人。故障原因是防搖擺系統效果不佳，啟停過程中吊具搖擺幅度較大造成鋼絲繩跳槽，吊具在不等長的鋼絲繩起吊時發生姿態偏斜，盡管定位系統給出了精確的三維停車位置，但吊具偏斜后致使工件偏離工位。起重機未安裝鋼絲繩跳槽監控裝置，也不能代替操作員發現吊具偏斜的事故隱患。

4）堆垛起重機碰撞貨架

某智能車間零件立體倉庫的橋式堆垛起重機走位偏移，貨叉立柱碰撞貨架致使貨架坍塌、貨叉立柱彎曲、小車掉軌事故。故障原因是定位系統僅采用一套相對定位的編碼器因漂移產生累積定位誤差，致使路徑規劃發生偏離。

綜上所述，近年來被企業自稱智能化的起重機多次發生故障并引發事故，從智能化起重機應用場景采用的各項技術以及事故案例表現來看，在智能化技術的工程實踐中，許多場合的所謂智能起重機只是實現了自動運行，而并無隱患監測、故障診斷直至故障后引導起重機處于安全狀態或位置的技術吊具設計標準，距離替代人工操作的無人化、智能化尚存較大差距。因為操作員在工作中不僅操作起重機完成搬運過程，更多的是觀察起重機及工作區域內各種情況，憑借視覺、聽覺、觸覺、感覺和經驗發現潛在的事故隱患，如啃軌或傳動鏈損傷發出特別噪聲、抓斗因漏油或銷軸磨損造成的斗瓣開閉不到位、吊具偏斜、路徑偏移、溜鉤等隱患。

3 智能化應用存在的問題

3.1 智能化概念不明確

在新設計或對在役通用起重機進行智能化改造過程中，所增加的技術或裝置僅實現起重機自動化運行。如某鋼卷庫、某散裝原料庫、某智能車間等實施無人起重機改造計劃，僅增加庫管系統、無線網絡系統、定位及防搖擺系統、視頻監控系統、工作區域安全防護、地面操作室、吊具改造等裝置或功能，均未考慮操作員自身的監控作用及對隱患、故障狀態下的處置能力。目前，行業內尚未形成智能化概念的共識或標準，致使各起重機制造商只要采用PLC 或工控機代替操作員完成了部分工作過程都敢稱為智能化起重機，實際應用中故障頻發、事故不斷，對智能化技術的推廣應用產生重大負面影響，嚴重阻礙智能化技術的發展進步。智能化一般是指在操作控制過程中，不僅操作設備完成預定的工作流程，更多的是自主感知、隨時發現意外情況而自主予以應對。智能化技術重點不僅在于自動完成預定的動作或工藝流程，更重要的是代替人的自動感知、自主分析、自我決策，直至自動執行。相對于其他設備，起重機智能化的難點不僅在于智能化吊具、三維精確定位與防搖擺（多數采用起重機本體定位，柔性連接的吊具或物品實際位置與起重機本體給定的位置尚存差異）、管理與控制、監控等技術，更應考慮發現故障隱患和故障后的設備安全技術（意外情況感知、處置能力），才能減少或避免故障停機或故障引發的其他損害。

3.2 總體技術能力不足

絕大多數起重機制造商沒有電控設備設計和制造能力，更沒有自動化控制的軟件能力。一個起重機智能化工程案例基本上由起重機、電控、吊具、工控多家企業合作完成，盡管各方通力合作、各自發揮專長，但缺乏智能技術的頂層設計。通常由起重機制造商負責機械部分和電控集成，軟件公司根據起重搬運工藝流程編制控制程序，缺乏對智能化需要的冗余設計、故障診斷設計以及故障安全設計等總體掌控。

3.3 安全意識欠缺

起重機在運行時，許多故障或事故的隱患是靠操作員憑借自身的觀察和經驗發現的，具有主動安全性。而現有的智能化或無人化起重機僅實現了自動化運行，缺乏必要的替代人工觀察的安全措施，是被動安全或是不安全的。最主要的是尚未形成主動安全、故障安全的共識，更缺乏相關的技術和裝置。

3.4 法規、標準滯后，監管不力

目前，起重機在我國被列入特種設備予以監管，但尚未對起重機的自動化、智能化制定相關標準和法規，各地特檢部門無法可依，僅按現有的條例檢查傳統的安全措施，自動化、智能化功能多由業主根據技術協議自行驗收，其智能化性能是否可靠、安全無從判定，不僅帶來眾多隱患，也嚴重滯后技術的發展和應用。

某地方標準關于起重機遠程自動化控制系統檢驗規范要求：應設定位自校驗系統，且獨立于定位系統；大車防撞保護系統應采用冗余設置；應設直接測量小車架和吊具之間距離的檢測裝置；當通訊信號中斷或傳輸響應時間超過550 ms 時，所有機構應停止自動運行或保持靜止狀態；當視頻監控信號中斷或傳輸響應時間超過550 ms 時，所有機構應停止自動運行或保持靜止狀態；通訊系統應有故障自診斷功能。當通訊系統故障時，遠控系統應報警并使所有機構處于停止狀態。

某協會團體標準關于起重機遠程自動化控制系統技術條件要求：應具備兩套獨立的大車防碰撞檢測系統，并兩者互為補充；應設定位自校驗系統，該系統應具備以下功能：獨立于定位系統、同一故障不應導致定位和校驗功能同時失效、自動校驗的結果應同步上傳至遠控系統并以差值進行顯示、當差值的絕對值大于偏差最大允許值時該系統應有報警輸出并控制對應機構停止自動運行；大車防撞保護系統應采用冗余設置。

盡管上述地方規范或團體標準規定了一些自動運行的安全要求，對某些故障予以防范或補救，但僅在某些行業或某個區域具有一定的指導作用吊車出租，也沒有對發生故障后如何引導起重機進入安全狀態或位置予以約束，更沒有法規或強制標準級別的規定。

4 起重機故障安全技術

隨著生產技術的發展和生產規模的大型化，安全生產已成為重大社會問題。智能化設計階段必須考慮工廠的工藝、設備及控制方案應當是本質安全的，進而必須保障起重機運行直到報廢全生命周期的安全。起重機作為生產工藝鏈內的特種設備，對生產安全具有非常重大影響，尤其需要安全控制系統來保障安全、穩定、連續的生產。即使出現故障，安全控制系統還能最大限度的保護人員、設備和環境免遭損害。

起重機故障安全控制系統是基于高度自診斷的、計算機技術的軟件容錯系統，是一種應付意外故障的手段。該系統連續監控起重機的操作，通過自診斷程序能診斷出系統內部部件的故障，并消除潛在的錯誤，使起重機可靠性增強。當起重機發生意外或故障時，能將設備導向安全的狀態或位置，并保證不導致人員傷亡、系統損壞、重大財產損失或不危及人員健康和環境。

4.1 安全控制系統設計原則

1）獨立設置原則

安全控制系統應獨立于過程控制系統，以降低安全功能和控制功能同時失效的幾率，使安全控制系統不依靠過程控制系統即可獨立完成自動保護和聯鎖的安全功能。

2）結構選用原則

安全控制系統應采用容錯系統。在一個或多個零部件發生故障時，系統仍然具有繼續運行的能力。

3）故障安全原則

安全控制系統必須是故障安全型。所謂故障安全是在系統故障時應是非工作或非動力的。

4）中間環節原則

安全控制系統需要高效運行，中間環節越少越好，盡量采用最直接的監控和最可靠的執行方式。在運行時還需考慮對人員干預和選擇環節的需求最少或沒有。

4.2 實現故障安全的方法

采用預防和防護措施，使起重機全生命周期由錯誤引起的損害概率最小。預防措施用于降低損傷發生的概率，防護措施用于降低損害后果的嚴重性。

為提高起重機故障安全系統的性價比，預防措施應考慮故障或失效出現的頻度和危害嚴酷等級，常用的頻度分為頻繁、經常、有時、很少、極少、幾乎不可能（見表1），危害嚴酷等級分為特大、重大、次要、輕微。根據故障或失效出現頻度和危害后果嚴酷等級進行風險評估（見表2），故障安全系統應盡量避免容許的風險，禁止出現不容許的風險（見表3）。

4.3 故障安全系統設計方法

1）故障- 安全消極設計

在采取糾正措施前不工作，且不會由于不工作使危險產生更大的損壞。如起重機在控制軟件崩潰或控制信號傳遞中斷等情況下，應采取停車處理。通常認為起重機停止運行是相對安全的。

2）故障- 安全積極設計

在采取糾正措施或啟動備用系統前，使系統處于安全狀態。如交通信號控制發生故障，信號燈將轉為紅燈亮，實施交通管制，避免事故發生；如起重機在電力供應中斷時，制動器處于剎車狀態、抓斗鎖定在閉合狀態等。

3）故障- 安全工作設計

使系統在采取糾正措施前繼續安全工作，如飛機起落架收放液壓系統發生故障時，可放下起落架將其鎖定在著陸位置，保證飛機安全著陸。如冶金起重機冗余設計可保證鋼絲繩斷裂或傳動鏈中斷時，保證鋼水包低速運行至安全位置。

5 建議

實現起重機智能化需按照讓計算機去做、讓計算機幫助人去做（人機共同處置）、讓計算機代替人去做三個階段實施，使起重機智能技術達到發揮人的特長、利用人的知識、彌補人的短處、專注人的盲點，實現起重機從單機到系統、從操作到管控、從自動化到智能化。現階段自動化可由機器決策，智能管控還需要人來決策。起重機智能化設計或改造的目的是減少現場操作人員、提高設備綜合利用效率、減少設備停機故障、降低綜合成本。但人工智能要有自知之明，智能技術必須滿足替代人的觀察與監控，實現起重機的主動安全。在故障自動診斷、故障安全系統尚未有效時，對起重機有必要實施有人值守、無人操作的自動化運行。

參考文獻

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