起重机械智能化发展及标准需求分析

近年来，我国智能化制造业发展形势良好，其中，作为已在物料搬运中做出过巨大贡献的起重机械也势必进一步加快智能化转型。

现阶段，我国智能化起重机械设备发展迅速，但仍需要进一步加大技术创新力度，加快智能化水平提升，同时继续加强起重机械使用安全性设计，降低作业安全风险，确保操作人员人身安全性，促进中国工业事业的稳定、可持续发展。

1、工业智能化与经济可持续发展关联性

智能制造和可持续制造业是现代工业的两个重要主题，两者之间存在许多交叉点，可持续发展是智能制造的基本目标之一。

工业4.0被广泛认为是德国在全球衰退后恢复竞争力的原因。基于工业4.0的可持续性概念包括环境保护和控制、资源效率、更聪明和灵活的流程以及现代技术，以改变生活方式、创造新的商业和制造模式以及更新工业结构。

在今天的竞争场景中，每个行业都努力适应和适应工业4.0，大多数经济体都在与数字转型和可持续发展作斗争。可持续性在制造业中至关重要。可持续性努力的目标将是材料、制造工艺、能源和归因于制造业的污染物。

任何重大可持续性努力的切入点都是产品和市场。毫无疑问，如果产品和工艺的开发以可持续性标准为指导，就能取得最大的可持续性成果。可能设想的例子包括：可持续产品设计将推动制造；可持续制造过程将影响产品设计；同时开发可持续材料、产品和工艺。

添加剂制造代表了第二种场景，在这种场景中，一个过程导致了组件和产品的新设计。可持续性不在于制造什么而是如何实现。它是为再制造、再加工和再利用提供平等基础的主要力量。

由于可持续性，制造业和服务业之间的界限将保持模糊。例如，修复旧产品不是传统的制造活动，但它可能会进入新的制造字典。可持续发展的实现在宏观治理上涉及两个主要变革：管理变革和立法变革。2008年，中国制定并执行了关于循环经济的发展规划，将循环经济置于其经济发展决策的重要地位。“中国制造2025”是中国于2015年发布的一项国家行动纲领，旨在促进工业4.0技术的开发和采用，实现可持续性发展目标。

智能制造被认为是一种新的范式，它通过引入数字创新，使工作变得更聪明和更有联系，带来速度和灵活性。今天，数字创新与公司的“可持续性”密切相关。

数字创新和可持续性是基于循环经济概念的两个不可分割的原则。数字创新使循环经济模式成为可能，促进使用数字平台、智能设备和人工智能等有助于优化资源的解决方案。

2、起重机械智能化相关标准现状及需求分析

近年来，我国起重机械智能化发展迅速，已在多领域获得了广泛应用。然而，对于起重机械设备生产的相关标准研制之后，无论从智能化起重机械的设计、制造，还是安装、调试验收等环节，都严重缺乏规范的标准，致使技术要求难以达到统一，阻碍了行业的进一步发展。

为有效保障产业发展质量，就必须建立健全的标准，并以该标准引导产业发展。因此，应充分调动起重机械智能化产业生态链各方面力量，体系化开展国家及行业标准制定，从而有效推动标准试验验证平台的建设与完善，为制定完善行业标准提高技术支撑与保障。

总的来说，起重机械之嫩滑标准主要由基础共性与关键技术的层次标准构成。基础性标准主要包含6个主要方面，即通用、安全、可靠性、检测、维护、评价等，其主要作用就是解决基础共性问题、统一相关概念；关键技术标准主要包含物品识别、信息管控、空间感知、控制系统、安全防护等5个部分，其目的四对相关技术标准进行规范，从而促进行业的健康发展。

2.1制定起重机械智能化基础共性标准

要想做好其中机械智能化基础共性标准制定工作，首先要对术语及分级等基础标准进行慎重制定，以为其他标准的制定提供支撑。

现阶段，市面上已出现了各式各样的智能化起重机械设备，但对于智能起重机械研究仍未间断。但何为智能起重机械，智能起重机械与自动化起重机械存在什么差异，具备何种功能的起重机械才能叫做智能起重机械，目前仍没有相关标准文件进行明确定义，以至于行业内对智能起重机相关术语使用较为混乱，比如防摇、减摆，无人值守、无人驾驶、远程控制等，这种无统一的术语界定，造成用户与制造商无法完成精准沟通，同时也造成技术与服务不对等。

因不同机型所用工艺、技术标准差异较大，因此，如何在同一纬度下对起重机械智能化水平是迫切需要解决的问题。例如，城市轨道交通行业、汽车行业等先进行业，已在自动驾驶方面发展迅速、投入力度较大，发展水平也比较高，同时也建立起了较为完善的标准。

城市轨道交通系统的无人驾驶或无人干预的自牵引列车适用的标准GB/T32588.1—2016《轨道交通自动化的城市轨道交通安全要求》，将自动化等级分为5级。起重机械与轨道交通存在一定的相似性，因此可以相互借鉴，目前行业内部对起重机械智能化分级必要性已达成共识，但到底该如何细分仍需进一步研究。

2.2制定智能起重机机械的关键技术指标标准

远程控制技术涉及远程控制方式与远程控制台等关键技术。远程控制台并没有直接安装在起重机械上，而是安装于建筑物控制室中，操作人员无法直接指挥起重机械作业，仅通过辅助设备，如视频监控系统等指挥起重机械进行操作；借助远程控制台进行起重机械智能化控制，需对所涉及的关键技术与关键指标在进行约束。

为实现基于电子电气元器件的起重机械零部件、整机和系统的电磁兼容性能的客观评价，就应该借助行管技术标准对涉及设备安全、人员安全、创新发展等关键技术进行约束。

3、起重机械智能系统实现

桥式起重机在工业制造方面发挥了非常重要的作用，然而，该型起重机太过笨拙，惯性大、操作技术门槛高，故花费在桥式起重机上的运行与维护成本加高，为有效提升其运行效率、运行安全性，文章就一桥式起重机为例，对该型其中机械设备智能系统实现进行了详细介绍。

3.1桥式起重机硬件系统

桥式起重机系统有两种控制方式：人工手动控制和智能化运行。桥式起重机控制系统由地面控制系统、控制中心系统、PLC控制系统、传感器、驱动设备等组成。

（1）地面控制

地面控制系统是为人工手动控制时提供的设备，系统包括：起重机遥控手柄、急停按钮、摇杆手柄、HMI以及无线网关组成。

起重机遥控手柄：采用无线遥控手柄，可以代替传统桥式起重机拉线手柄，也可以代替起重机桥梁大臂上驾驶室操控台。实现无线操作。提高操作的可靠性、便捷性、工作效率等。不仅改善了操控员的工作条件，同时降低劳动强度。如果搭配摄像头，还可以脱离工作第一现场，大大提高工作环境。

急停按钮：当出现异常情况时，急停按钮立刻将起重机停下来导向安全测，避免危险严重化。

摇杆手柄：又称工业操纵杆，使得桥式起重机控制更加顺滑，360°可控。弥补了起重机遥控手柄同时刻单按钮控制的不足。

HMI（人机接口)：也称人机界面。可以连接PLC、变频器、仪表等工业控制设备。

操纵员通过HMI可以与桥式起重机交互，下达命令等。

（2）控制系统

控制系统包括PLC控制系统与控制中心。

PLC控制系统包括：西门子PLCS7-1500；西门子变频器G120；起重机遥控接收器；网络交换机；HMI等

• PLCS7-1500：拥有标准型和故障安全型两种不同类型的CPU模块，响应时间快，同时集成CPU显示面板和相应的调试和诊断机制。使得PLCS7-1500极大地提升生产效率，降低生产成本。
• 西门子变频器G120：模块化的变频器，包括控制单元和功率模块。在变频调速中应用广泛。为桥式起重机的电机提供驱动。提供0.37KW～250KW功率需求，同时可以稳定的驱动电机，在桥式起重机抗摇摆上，也发挥巨大作用。
• 起重机遥控接收器：接收地面控制与控制中心下达的命令。
• 网络交换机：实现无线通讯。

桥式起重机由纵向移动的大车；横向移动的小车；上下移动的吊具实现对货物的运载。三个电机分别使用一个西门子变频器G120驱动，PLC对各个运行机构动作指令进行控制，如电机的速度控制、方向控制、安全侧导向等。上位机发送运行命令，PLC控制系统根据程序进行执行，对变频器发出指令驱动电机。在此过程，会实时对传感器信息计算分析。判断吊具位置，并检测周围环境信息。

控制中心包括：PC终端控制台；无线网关；监控设备等。

• PC终端控制台：上位机，方便人员操作。
• 监控设备：可以实时监控桥式起重机的运行情况。在紧急情况或者需要人工操作时，可以远程操控。

（3）超声波传感器模块

传感器主要是将非电量信息（物理信息、化学信息及生物信息等）转换为电量信息的器件。

这样处理器单元可以对其运算分析，从而达到感知周围环境状态的目的。在本论文研究的桥式起重机项目中，最关键的传感器是超声波传感器。

超声波传感器：常见的是压电型超声波传感器。原理是将电能转换成机械振动产生超声波，同时也可以将接收回来的超声波转换成电能。根据超声波在空气中的传播速度V、发射与接收超声波的时间差ΔT计算出周围物体距离自己的距离。并且根据功能要求还可以利用数据信号处理技术进行成像，例如医院B超机器也是用到超声波传感器。

超声波传感器广泛运用在工业各个领域，主要用来感知、监测主体的周围环境中其他物体的位置状态。本论文用在桥式起重机吊具系统底端挂钩正上方，由六个超声波传感器按照如下图所示排列组成。用来实时探测吊具系统周围障碍物距离与方位，为后续动态路径规划及主动避障搭建硬件载体。

3.2桥式起重机软件系统

对于桥式其中软件系统研究，应从路径规划及上位机框架两个方面展开研究：

（1）路径规划

桥式起重机智能化，融合了众多现代科学的知识体系。如控制理论；智能算法；数学；电子信息；计算机等学科。

从而实现吊具系统的定位，路径规划等智能功能。在桥式起重机工作时，PLC不断的执行上位机下发的指令。在执行提前规划好的路径的同时，还要实时处理传感器传回的数据，实时检测周围环境以完成动态路径规划。

（2）上位机框架

桥式起重机控制系统主要是工业计算机和PLC组成，也是工业领域比较熟悉的做法。因此在上位机的设计上，使用现在非常常见的labview软件开发上位机的工作。

labview与其他编程语言的显著区别是，其他编程语言都是采用基于文本的语言产生代码，而labview使用图形化语言产生的程序是框图的形式。在工业控制领域常用的设备、数据线等通常也都带有相应的labview驱动程序。使用labview可以十分方便地编制控制程序。

不仅在设计方面，labview可以优秀胜任，在仿真验证方面也具有十分强力的功能，包含了多种多样的数学运算函数，特别适合进行模拟、仿真、原型设计等工作。

基于labview设计的桥式起重机路径规划控制系统可以设置工作环境地图中的可行走区、禁止行走区、障碍物高度等，可以设置运载货物到达的目标点、期望运载速度等。考虑到安全问题，设置了急停功能，防止意外发生。

4、结束语

本文在分析了工业智能化与经济可持续发展关联性基础上，对重机械智能化发展与标准需求进行了深入探究，最后以桥式起重机为例，从硬件系统、软件系统两个方面探讨了桥式起重机智能化的实现，为提升起重机械智能化自动化水平及操作安全性提供了技术指导，有效推动了工业产业的稳定发展。