北京起重運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100007

0 引言

近年來，隨著智能化技術(shù)的快速發(fā)展，智能制造、智能物流以及在役設(shè)備智能運(yùn)維等應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)起重機(jī)智能化需求迅速增加，無人車間、智能電廠、一鍵煉鋼等行業(yè)變革更是將上述領(lǐng)域智能化起重機(jī)或無人行車的需求推向高潮，起重機(jī)制造商競(jìng)相研發(fā)智能化技術(shù)，根據(jù)客戶需求提供了多種不同應(yīng)用場(chǎng)合的智能化起重機(jī)。然而，起重機(jī)智能化運(yùn)行的效率、穩(wěn)定性尚未滿足客戶預(yù)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(xù)發(fā)生多次停產(chǎn)故障或傷亡事故，對(duì)起重機(jī)智能化技術(shù)的推廣產(chǎn)生重大負(fù)面影響。

智能化橋門式起重機(jī)與通用起重機(jī)工作過程相同，增加的智能控制既要指揮起重機(jī)自動(dòng)運(yùn)行，還需能夠代替人的視覺、聽覺、觸覺和感覺和工作經(jīng)驗(yàn)，自動(dòng)感知自身及周邊環(huán)境的變化，自主決策下一步的工作。研究智能化起重機(jī)的工程案例發(fā)現(xiàn)，智能化吊具、防搖擺與精確定位、路徑規(guī)劃與障礙物避讓、無線傳輸、視頻監(jiān)控等所謂智能化技術(shù)，包括智能化運(yùn)行的管理、調(diào)度、監(jiān)控等三大系統(tǒng)，全部是解決自動(dòng)化運(yùn)行的技術(shù)，只能代替人的操作實(shí)現(xiàn)起重機(jī)自動(dòng)運(yùn)行，尚不能代替人對(duì)起重機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行自動(dòng)感知、自我分析、自主決策和自動(dòng)執(zhí)行等，如操作者發(fā)現(xiàn)溜鉤需緊急制動(dòng)、出現(xiàn)異響需檢查傳動(dòng)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(jī)無操控狀態(tài)下的自由運(yùn)行，從而造成人身傷亡、財(cái)產(chǎn)損失等嚴(yán)重?fù)p害。因此，智能化控制需在管理、調(diào)度、監(jiān)控系統(tǒng)等自動(dòng)化、智能化技術(shù)之外增加故障安全系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生意外或故障時(shí)，能夠引導(dǎo)系統(tǒng)立刻進(jìn)入安全狀態(tài)或位置，并保證人身、財(cái)產(chǎn)及環(huán)境不受危害。

1 現(xiàn)有智能化橋門式起重機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景

近年來，許多起重機(jī)制造商均推出自主技術(shù)的全自動(dòng)起重機(jī)、智能化起重機(jī)、無人起重機(jī)等智能化橋門式起重機(jī)，廣泛應(yīng)用于智能制造、電廠、水泥廠、鋼鐵、造紙、生物質(zhì)發(fā)電等領(lǐng)域。

根據(jù)起重機(jī)智能化關(guān)鍵技術(shù)的差異，現(xiàn)有智能化橋門式起重機(jī)的工程應(yīng)用場(chǎng)景一般分為件貨工位轉(zhuǎn)運(yùn)、散裝物料搬運(yùn)和物流智能儲(chǔ)運(yùn)。

1）件貨工位轉(zhuǎn)運(yùn)

只將工件、貨物等轉(zhuǎn)移位置，多用于智能制造車間、貨物裝卸等場(chǎng)合，如鋼板下料、鋼結(jié)構(gòu)制造、板胚軋制等制造場(chǎng)所，主要包括智能吊具、定位及防搖擺系統(tǒng)、路徑規(guī)劃與障礙物避讓、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)等技術(shù)，部分工程案例還包括無線傳輸系統(tǒng)和故障自動(dòng)診斷系統(tǒng)。

2）散裝物料搬運(yùn)

用抓斗作為吊具，在料棚、堆場(chǎng)、原料庫等場(chǎng)所儲(chǔ)運(yùn)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(yùn)廢鋼等場(chǎng)所，除工位轉(zhuǎn)運(yùn)起重機(jī)的智能化技術(shù)。另外，增加料位檢測(cè)系統(tǒng)、抓斗姿態(tài)監(jiān)控及自動(dòng)著陸系統(tǒng)，部分工程案例還包括稱量及報(bào)表管理系統(tǒng)、多臺(tái)設(shè)備調(diào)度系統(tǒng)。

3）物流倉庫儲(chǔ)運(yùn)

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(dòng)化儲(chǔ)運(yùn)，除包括前述各項(xiàng)技術(shù)，還具有庫存管理、設(shè)備調(diào)度、監(jiān)控等系統(tǒng)，其特點(diǎn)是系統(tǒng)更復(fù)雜、運(yùn)行設(shè)備更多、出入庫銜接工藝更緊密以及記憶存儲(chǔ)、報(bào)表管理等。

2 工程化應(yīng)用故障或事故案例

1）工位轉(zhuǎn)運(yùn)起重機(jī)被吊物品沖頂后跌落

某智能車間的起重機(jī)在自動(dòng)運(yùn)行過程中被吊物品上升時(shí)高速?zèng)_頂，造成鋼絲繩斷裂，吊具與被吊物品同時(shí)跌落，致使其他設(shè)備損壞并停產(chǎn)數(shù)日。事故原因是只有一套定位系統(tǒng)和極限行程開關(guān)失效后，自動(dòng)運(yùn)行的起重機(jī)未能發(fā)現(xiàn)潛在的隱患，且沒有得到停止命令吊具繼續(xù)上升所致。

2）鋼絲繩斷裂至起重機(jī)抓斗跌落

某垃圾抓斗起重機(jī)起升時(shí)因操作不當(dāng)使抓斗產(chǎn)生自身旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)4根鋼絲繩和抓斗電纜扭轉(zhuǎn)纏繞成繩索狀態(tài)，繼續(xù)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(jī)自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，控制系統(tǒng)不能代替操作員發(fā)現(xiàn)鋼絲繩已扭轉(zhuǎn)纏繞將引起鋼絲繩過載的潛在故障隱患，致使隱患轉(zhuǎn)入故障時(shí)沒有采取任何補(bǔ)救措施。

3）吊具偏斜至相關(guān)設(shè)備碰撞損壞

某自動(dòng)焊接車間的工位轉(zhuǎn)運(yùn)起重機(jī)，三維定位系統(tǒng)雖準(zhǔn)確給定了停車位置，但被吊工件仍偏離?？抗の蛔矇暮附訖C(jī)器人。故障原因是防搖擺系統(tǒng)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(shí)發(fā)生姿態(tài)偏斜，盡管定位系統(tǒng)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(jī)未安裝鋼絲繩跳槽監(jiān)控裝置，也不能代替操作員發(fā)現(xiàn)吊具偏斜的事故隱患。

4）堆垛起重機(jī)碰撞貨架

某智能車間零件立體倉庫的橋式堆垛起重機(jī)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(tǒng)僅采用一套相對(duì)定位的編碼器因漂移產(chǎn)生累積定位誤差，致使路徑規(guī)劃發(fā)生偏離。

綜上所述，近年來被企業(yè)自稱智能化的起重機(jī)多次發(fā)生故障并引發(fā)事故，從智能化起重機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景采用的各項(xiàng)技術(shù)以及事故案例表現(xiàn)來看，在智能化技術(shù)的工程實(shí)踐中，許多場(chǎng)合的所謂智能起重機(jī)只是實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)運(yùn)行，而并無隱患監(jiān)測(cè)、故障診斷直至故障后引導(dǎo)起重機(jī)處于安全狀態(tài)或位置的技術(shù)，距離替代人工操作的無人化、智能化尚存較大差距。因?yàn)椴僮鲉T在工作中不僅操作起重機(jī)完成搬運(yùn)過程，更多的是觀察起重機(jī)及工作區(qū)域內(nèi)各種情況，憑借視覺、聽覺、觸覺、感覺和經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)潛在的事故隱患，如啃軌或傳動(dòng)鏈損傷發(fā)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(yīng)用存在的問題

3.1 智能化概念不明確

在新設(shè)計(jì)或?qū)υ谝弁ㄓ闷鹬貦C(jī)進(jìn)行智能化改造過程中，所增加的技術(shù)或裝置僅實(shí)現(xiàn)起重機(jī)自動(dòng)化運(yùn)行。如某鋼卷庫、某散裝原料庫、某智能車間等實(shí)施無人起重機(jī)改造計(jì)劃，僅增加庫管系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、定位及防搖擺系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、工作區(qū)域安全防護(hù)、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(jiān)控作用及對(duì)隱患、故障狀態(tài)下的處置能力。

目前，行業(yè)內(nèi)尚未形成智能化概念的共識(shí)或標(biāo)準(zhǔn)，致使各起重機(jī)制造商只要采用PLC或工控機(jī)代替操作員完成了部分工作過程都敢稱為智能化起重機(jī)，實(shí)際應(yīng)用中故障頻發(fā)、事故不斷，對(duì)智能化技術(shù)的推廣應(yīng)用產(chǎn)生重大負(fù)面影響，嚴(yán)重阻礙智能化技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步。

智能化一般是指在操作控制過程中，不僅操作設(shè)備完成預(yù)定的工作流程，更多的是自主感知、隨時(shí)發(fā)現(xiàn)意外情況而自主予以應(yīng)對(duì)。智能化技術(shù)重點(diǎn)不僅在于自動(dòng)完成預(yù)定的動(dòng)作或工藝流程，更重要的是代替人的自動(dòng)感知、自主分析、自我決策，直至自動(dòng)執(zhí)行。相對(duì)于其他設(shè)備，起重機(jī)智能化的難點(diǎn)不僅在于智能化吊具、三維精確定位與防搖擺（多數(shù)采用起重機(jī)本體定位，柔性連接的吊具或物品實(shí)際位置與起重機(jī)本體給定的位置尚存差異）、管理與控制、監(jiān)控等技術(shù)，更應(yīng)考慮發(fā)現(xiàn)故障隱患和故障后的設(shè)備安全技術(shù)（意外情況感知、處置能力），才能減少或避免故障停機(jī)或故障引發(fā)的其他損害。

3.2 總體技術(shù)能力不足

絕大多數(shù)起重機(jī)制造商沒有電控設(shè)備設(shè)計(jì)和制造能力，更沒有自動(dòng)化控制的軟件能力。一個(gè)起重機(jī)智能化工程案例基本上由起重機(jī)、電控、吊具、工控多家企業(yè)合作完成，盡管各方通力合作、各自發(fā)揮專長，但缺乏智能技術(shù)的頂層設(shè)計(jì)。通常由起重機(jī)制造商負(fù)責(zé)機(jī)械部分和電控集成，軟件公司根據(jù)起重搬運(yùn)工藝流程編制控制程序，缺乏對(duì)智能化需要的冗余設(shè)計(jì)、故障診斷設(shè)計(jì)以及故障安全設(shè)計(jì)等總體掌控。

3.3 安全意識(shí)欠缺

起重機(jī)在運(yùn)行時(shí)，許多故障或事故的隱患是靠操作員憑借自身的觀察和經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的，具有主動(dòng)安全性。而現(xiàn)有的智能化或無人化起重機(jī)僅實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化運(yùn)行，缺乏必要的替代人工觀察的安全措施，是被動(dòng)安全或是不安全的。最主要的是尚未形成主動(dòng)安全、故障安全的共識(shí)，更缺乏相關(guān)的技術(shù)和裝置。

3.4 法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)滯后，監(jiān)管不力

目前，起重機(jī)在我國被列入特種設(shè)備予以監(jiān)管，但尚未對(duì)起重機(jī)的自動(dòng)化、智能化制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，各地特檢部門無法可依，僅按現(xiàn)有的條例檢查傳統(tǒng)的安全措施，自動(dòng)化、智能化功能多由業(yè)主根據(jù)技術(shù)協(xié)議自行驗(yàn)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(yán)重滯后技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

某地方標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于起重機(jī)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)檢驗(yàn)規(guī)范要求：應(yīng)設(shè)定位自校驗(yàn)系統(tǒng)，且獨(dú)立于定位系統(tǒng)；大車防撞保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)采用冗余設(shè)置；應(yīng)設(shè)直接測(cè)量小車架和吊具之間距離的檢測(cè)裝置；當(dāng)通訊信號(hào)中斷或傳輸響應(yīng)時(shí)間超過550 ms 時(shí)，所有機(jī)構(gòu)應(yīng)停止自動(dòng)運(yùn)行或保持靜止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)視頻監(jiān)控信號(hào)中斷或傳輸響應(yīng)時(shí)間超過550 ms 時(shí)，所有機(jī)構(gòu)應(yīng)停止自動(dòng)運(yùn)行或保持靜止?fàn)顟B(tài)；通訊系統(tǒng)應(yīng)有故障自診斷功能。當(dāng)通訊系統(tǒng)故障時(shí)，遠(yuǎn)控系統(tǒng)應(yīng)報(bào)警并使所有機(jī)構(gòu)處于停止?fàn)顟B(tài)。

某協(xié)會(huì)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于起重機(jī)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)技術(shù)條件要求：應(yīng)具備兩套獨(dú)立的大車防碰撞檢測(cè)系統(tǒng)，并兩者互為補(bǔ)充；應(yīng)設(shè)定位自校驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能：獨(dú)立于定位系統(tǒng)、同一故障不應(yīng)導(dǎo)致定位和校驗(yàn)功能同時(shí)失效、自動(dòng)校驗(yàn)的結(jié)果應(yīng)同步上傳至遠(yuǎn)控系統(tǒng)并以差值進(jìn)行顯示、當(dāng)差值的絕對(duì)值大于偏差最大允許值時(shí)該系統(tǒng)應(yīng)有報(bào)警輸出并控制對(duì)應(yīng)機(jī)構(gòu)停止自動(dòng)運(yùn)行；大車防撞保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)采用冗余設(shè)置。

盡管上述地方規(guī)范或團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一些自動(dòng)運(yùn)行的安全要求，對(duì)某些故障予以防范或補(bǔ)救，但僅在某些行業(yè)或某個(gè)區(qū)域具有一定的指導(dǎo)作用，也沒有對(duì)發(fā)生故障后如何引導(dǎo)起重機(jī)進(jìn)入安全狀態(tài)或位置予以約束，更沒有法規(guī)或強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別的規(guī)定。

4 起重機(jī)故障安全技術(shù)

隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)規(guī)模的大型化，安全生產(chǎn)已成為重大社會(huì)問題。智能化設(shè)計(jì)階段必須考慮工廠的工藝、設(shè)備及控制方案應(yīng)當(dāng)是本質(zhì)安全的，進(jìn)而必須保障起重機(jī)運(yùn)行直到報(bào)廢全生命周期的安全。起重機(jī)作為生產(chǎn)工藝鏈內(nèi)的特種設(shè)備，對(duì)生產(chǎn)安全具有非常重大影響，尤其需要安全控制系統(tǒng)來保障安全、穩(wěn)定、連續(xù)的生產(chǎn)。即使出現(xiàn)故障，安全控制系統(tǒng)還能最大限度的保護(hù)人員、設(shè)備和環(huán)境免遭損害。

起重機(jī)故障安全控制系統(tǒng)是基于高度自診斷的、計(jì)算機(jī)技術(shù)的軟件容錯(cuò)系統(tǒng)，是一種應(yīng)付意外故障的手段。該系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)控起重機(jī)的操作，通過自診斷程序能診斷出系統(tǒng)內(nèi)部部件的故障，并消除潛在的錯(cuò)誤，使起重機(jī)可靠性增強(qiáng)。當(dāng)起重機(jī)發(fā)生意外或故障時(shí)，能將設(shè)備導(dǎo)向安全的狀態(tài)或位置，并保證不導(dǎo)致人員傷亡、系統(tǒng)損壞、重大財(cái)產(chǎn)損失或不危及人員健康和環(huán)境。

4.1 安全控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

1）獨(dú)立設(shè)置原則

安全控制系統(tǒng)應(yīng)獨(dú)立于過程控制系統(tǒng)，以降低安全功能和控制功能同時(shí)失效的幾率，使安全控制系統(tǒng)不依靠過程控制系統(tǒng)即可獨(dú)立完成自動(dòng)保護(hù)和聯(lián)鎖的安全功能。

2）結(jié)構(gòu)選用原則

安全控制系統(tǒng)應(yīng)采用容錯(cuò)系統(tǒng)。在一個(gè)或多個(gè)零部件發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)仍然具有繼續(xù)運(yùn)行的能力。

3）故障安全原則

安全控制系統(tǒng)必須是故障安全型。所謂故障安全是在系統(tǒng)故障時(shí)應(yīng)是非工作或非動(dòng)力的。

4）中間環(huán)節(jié)原則

安全控制系統(tǒng)需要高效運(yùn)行，中間環(huán)節(jié)越少越好，盡量采用最直接的監(jiān)控和最可靠的執(zhí)行方式。在運(yùn)行時(shí)還需考慮對(duì)人員干預(yù)和選擇環(huán)節(jié)的需求最少或沒有。

4.2 實(shí)現(xiàn)故障安全的方法

采用預(yù)防和防護(hù)措施，使起重機(jī)全生命周期由錯(cuò)誤引起的損害概率最小。預(yù)防措施用于降低損傷發(fā)生的概率，防護(hù)措施用于降低損害后果的嚴(yán)重性。

為提高起重機(jī)故障安全系統(tǒng)的性價(jià)比，預(yù)防措施應(yīng)考慮故障或失效出現(xiàn)的頻度和危害嚴(yán)酷等級(jí)，常用的頻度分為頻繁、經(jīng)常、有時(shí)、很少、極少、幾乎不可能（見表1），危害嚴(yán)酷等級(jí)分為特大、重大、次要、輕微。根據(jù)故障或失效出現(xiàn)頻度和危害后果嚴(yán)酷等級(jí)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估（見表2），故障安全系統(tǒng)應(yīng)盡量避免容許的風(fēng)險(xiǎn)，禁止出現(xiàn)不容許的風(fēng)險(xiǎn)（見表3）。

表1 故障或失效出現(xiàn)的頻度

表2 危害后果嚴(yán)酷等級(jí)

表3 起重機(jī)故障風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)

4.3 故障安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

1）故障-安全消極設(shè)計(jì)

在采取糾正措施前不工作，且不會(huì)由于不工作使危險(xiǎn)產(chǎn)生更大的損壞。如起重機(jī)在控制軟件崩潰或控制信號(hào)傳遞中斷等情況下，應(yīng)采取停車處理。通常認(rèn)為起重機(jī)停止運(yùn)行是相對(duì)安全的。

2）故障-安全積極設(shè)計(jì)

在采取糾正措施或啟動(dòng)備用系統(tǒng)前，使系統(tǒng)處于安全狀態(tài)。如交通信號(hào)控制發(fā)生故障，信號(hào)燈將轉(zhuǎn)為紅燈亮，實(shí)施交通管制，避免事故發(fā)生；如起重機(jī)在電力供應(yīng)中斷時(shí)，制動(dòng)器處于剎車狀態(tài)、抓斗鎖定在閉合狀態(tài)等。

3）故障-安全工作設(shè)計(jì)

使系統(tǒng)在采取糾正措施前繼續(xù)安全工作，如飛機(jī)起落架收放液壓系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，可放下起落架將其鎖定在著陸位置，保證飛機(jī)安全著陸。如冶金起重機(jī)冗余設(shè)計(jì)可保證鋼絲繩斷裂或傳動(dòng)鏈中斷時(shí)，保證鋼水包低速運(yùn)行至安全位置。

5 建議

實(shí)現(xiàn)起重機(jī)智能化需按照讓計(jì)算機(jī)去做、讓計(jì)算機(jī)幫助人去做（人機(jī)共同處置）、讓計(jì)算機(jī)代替人去做三個(gè)階段實(shí)施，使起重機(jī)智能技術(shù)達(dá)到發(fā)揮人的特長、利用人的知識(shí)、彌補(bǔ)人的短處、專注人的盲點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)從單機(jī)到系統(tǒng)、從操作到管控、從自動(dòng)化到智能化?，F(xiàn)階段自動(dòng)化可由機(jī)器決策，智能管控還需要人來決策。

起重機(jī)智能化設(shè)計(jì)或改造的目的是減少現(xiàn)場(chǎng)操作人員、提高設(shè)備綜合利用效率、減少設(shè)備停機(jī)故障、降低綜合成本。但人工智能要有自知之明，智能技術(shù)必須滿足替代人的觀察與監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)的主動(dòng)安全。在故障自動(dòng)診斷、故障安全系統(tǒng)尚未有效時(shí)，對(duì)起重機(jī)有必要實(shí)施有人值守、無人操作的自動(dòng)化運(yùn)行。