0引言

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和對外貿(mào)易的不斷增加，起重機械行業(yè)朝著大型化、連續(xù)化和自動化方向發(fā)展]。對起重設(shè)備的安全性、可靠性提出了嚴(yán)格的要求，為確保起重設(shè)備的安全運行，提高起重機的使用壽命和利用率，從起重機的歷史數(shù)據(jù)中找到起重機運行的客觀規(guī)律，為起重機的現(xiàn)代化管理提供可靠的依據(jù)成為現(xiàn)代化起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)的新方向]。國家“十二五”特種設(shè)備科技發(fā)展規(guī)劃規(guī)定開展適應(yīng)特種設(shè)備安全檢測監(jiān)測需要的現(xiàn)代檢測監(jiān)測技術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)制定和設(shè)備研制，提高特種設(shè)備安全檢測監(jiān)測技術(shù)水平l4]。當(dāng)前起重機仍采取定期檢測制度，缺乏在相對惡劣條件下長期穩(wěn)定的在線監(jiān)測系統(tǒng)，這顯然不能滿足對現(xiàn)代起重設(shè)備安全可靠工作的要求。隨著社會的發(fā)展，企業(yè)和社會對起重機設(shè)備性能要求越來越高，各行各業(yè)廣泛重視促進狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的進一步發(fā)展和應(yīng)用。

從80年代起，國外公司如N公司、亞特蘭大公司、IRD公司、日本的安川公司和住友公司利用移動通信技術(shù)、智能傳感技術(shù)以及超高速交換路由等技術(shù)開發(fā)一些裔陛能的起重機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)【。從2000年開始，國內(nèi)一些科研單位及

高等院校如上海交通大學(xué)、華中科技大學(xué)等相繼研制了多種起重機狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)l。這些都針對的是起重機的整體機械、材料方面的狀態(tài)監(jiān)測，沒有針對起重機電動機作系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測基于物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)無線模塊設(shè)計了起重機電動機的遠(yuǎn)距離狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，針對起重機電動機的轉(zhuǎn)速、振動等設(shè)計出其狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。

1狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)檢測電路的硬件設(shè)計

本研究的主要內(nèi)容是起重機電動機的狀態(tài)監(jiān)測，首先設(shè)計出狀態(tài)監(jiān)測所需要的軟硬件系統(tǒng)。狀態(tài)監(jiān)測硬件系統(tǒng)主要包括信息采集單元、信號處理單元、信息發(fā)送和信息發(fā)布單元這四個部分。而信息采集單元的硬件電路又包括振動檢測單元與電機轉(zhuǎn)速檢測單元這兩個檢測單元。信息處理單元和信息發(fā)送單元采用物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)無線模塊對各單元傳感器采集的數(shù)據(jù)進行處理，通過監(jiān)控軟件實時顯示起重機電動機的狀態(tài)。

I．I硬件系統(tǒng)框架

檢測電路包括轉(zhuǎn)速傳感器獲取電機的轉(zhuǎn)速，振動傳感器檢測機座的振動情況。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。匿霍；圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖檢測電路通過PLC進行連接，電機的運行參數(shù)(轉(zhuǎn)速、振動等)通過物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)無線模塊進行傳輸，送到上位機中進行處理分析。根據(jù)不同的現(xiàn)場情況，如果信息采集模塊到基站節(jié)點的距離較遠(yuǎn)，當(dāng)傳輸?shù)木嚯x超出了物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)無線模塊的傳輸范圍(通常在1000米內(nèi))，那么可以選擇使用中繼節(jié)點接力完成f~'g-的傳輸。

1．2采集傳輸模塊設(shè)計

采集傳輸模塊主要的任務(wù)是完成測量信號的采集以及將所采集的數(shù)據(jù)信息發(fā)送出去。視不同的應(yīng)用情況選擇不同的模塊，如可用于溫濕度采集、轉(zhuǎn)速采集、振動檢測等。

1．2．1轉(zhuǎn)速檢測電路

SC12-20K的速度傳感器采用專門用于轉(zhuǎn)速測量的霍爾芯片，輸出采用集電極開路的輸出方式，可將輸出直接接入到PLC的高速脈沖計數(shù)器輸入接口，特別適用于傳輸要求苛刻的場合或要求速度精確、距離精密的變速箱等產(chǎn)品中。內(nèi)置高磁力磁鐵，性能穩(wěn)定，最高可檢測轉(zhuǎn)速為200000轉(zhuǎn)／秒。系統(tǒng)轉(zhuǎn)速檢測原理圖如圖2所示，其中，最左側(cè)方框中的部分是SC12—20K轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。轉(zhuǎn)速傳感器的有效輸出最大為20kHz，為減小噪聲對轉(zhuǎn)速采樣的干擾，在對轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)采樣前先進行濾波。圖2中的運算放大器U1A、電阻R以及電容c組成了一階低能阻容(RC)濾波器，其截止頻率可由式(1)計算得出。

此一階RC濾波器的作用是濾除轉(zhuǎn)速傳感器輸出中無用的高次諧波，提高轉(zhuǎn)速檢測的準(zhǔn)確度。圖2中的電阻R、運算放大器U2A組成了電壓比較電路，為滑動變阻器，用于調(diào)節(jié)比較器的基準(zhǔn)電壓。通過調(diào)節(jié)電阻可使SPout輸出的波形更理想。在PLC梯形圖主程序中，用10．0的下降沿調(diào)用高速計數(shù)器初始化子程序，然后做一個高速計數(shù)器初始化的子程序，定義為加計數(shù)更新當(dāng)前值，高速計數(shù)器中斷，然后激活高速計數(shù)器，設(shè)置定時中斷0的時間間隔為100mS，建立中斷程序和中斷事件中斷連接，并全局允許中斷。中斷程序為100ms的定時中斷，每100ms執(zhí)行一次中斷程序。用100ms計算的脈沖個數(shù)即可算出電機轉(zhuǎn)速。其捕獲單元示意圖如圖3所示

1．2．2振動檢測電路

振動是一種特殊形式的機械運動，大多數(shù)機械振動都是有害的，這些振動不僅對設(shè)備造成危害而且對人身健康也會產(chǎn)生危害，所以對機器振動的檢測就非常必要。文中振動檢測電路的主要作用是檢測機座的振動狀態(tài)，當(dāng)振動量大于振動開關(guān)的閾值時電路報警從而引起在場人員的注意。選用SW-18010P型振動開關(guān)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與安裝圖如圖4所示。

將振動開關(guān)安裝到機座上就可以用來檢測機座的振動情況。此振動開關(guān)在無振動或是振動量較小的情況下，電路處于開路狀態(tài)。當(dāng)有外力作用或是振動量大于振動開關(guān)的作用閾值時，電路就會產(chǎn)生瞬間導(dǎo)通。電路導(dǎo)通后P07就會被置為高電平，P07連接到PLC數(shù)字輸入口，產(chǎn)生中斷請求，觸發(fā)中斷程序時進行處理。當(dāng)外力消失或是振動量小于振動開關(guān)的作用閥值時，開關(guān)恢復(fù)為開路狀態(tài)，中斷信號消失。振動檢

測原理圖如圖5所示。

在圖5中，S2是振動傳感器，P07接到PLC數(shù)字量輸入口。當(dāng)S2閉合時，中斷產(chǎn)生，CPU響應(yīng)中斷后對事件進行處理，根據(jù)需要在中斷處理函數(shù)中做出不同等級的預(yù)設(shè)處理事項，根據(jù)機座不同部位或不同個數(shù)的振動傳感器產(chǎn)生的中斷,系統(tǒng)將產(chǎn)生報警提示。

2狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計

文中的傳感器節(jié)主要有振動檢測節(jié)與轉(zhuǎn)速檢測節(jié)。分別介紹不同節(jié)點的軟件設(shè)計方法。

2．1轉(zhuǎn)速檢測

SC12—20K速度傳感器采用三線制，輸出端采用集電極開路輸出。當(dāng)電機的卡銷將轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)速傳感器時，轉(zhuǎn)速傳感器就會輸出一個脈沖波形。使用PLC高速脈沖計數(shù)器來完成轉(zhuǎn)速傳感器輸出波形的檢測。由于選用的速度傳感器輸出為低電平有效，所以使用PLC高速脈沖計數(shù)器的下降沿，當(dāng)出現(xiàn)兩個下降沿時就說明電機轉(zhuǎn)過了一轉(zhuǎn)，兩個下降沿所用時間的倒數(shù)就是電機轉(zhuǎn)速。圖6所示為電機轉(zhuǎn)速檢測的軟件流程。程序首先初始化定時器，將定時器輸入捕獲單元對應(yīng)的引腳設(shè)置為定時器捕獲功能引腳；接著初始化PLC的定時器，設(shè)置為遞增計數(shù)、輸入捕獲模式；清除定時器的計數(shù)寄存器的值；當(dāng)轉(zhuǎn)速傳感器輸出(捕獲單元的輸入)電平出現(xiàn)下降沿時，產(chǎn)生捕獲事件。捕獲單元向CPU發(fā)出中斷請求，在中斷處理函數(shù)中通過讀取定時器的計數(shù)寄存器的值，就可以獲得捕獲時刻計時器的時間。相鄰兩次捕獲事件發(fā)生的時間間隔為電機轉(zhuǎn)過一周所用的時間，其倒數(shù)即為電機的轉(zhuǎn)速。

2．2振動檢測SW．

18010P振動傳感器的輸出是布爾量，當(dāng)振動量超過閾值時輸出1，沒超過閾值則輸出為0?？蓪⒋肆孔鳛镻LC的中斷輸入，圖6轉(zhuǎn)速檢測軟件流程轉(zhuǎn)速，并將所得數(shù)據(jù)進行比較，從而驗證物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)無線模塊的性能。為方便物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)無線模塊的檢測結(jié)果與示波器所觀測的結(jié)果進行比較，將轉(zhuǎn)速傳感器的輸出連接到PLC的高速計數(shù)器輸入端，觀察物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)無線模塊所采集到的數(shù)據(jù)。分析電機的卡銷將要轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)速傳感器至將要轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)速傳感器之間時刻波形的數(shù)據(jù)(波形變化部分的數(shù)據(jù))，將此部分?jǐn)?shù)據(jù)保留2位有效數(shù)字，轉(zhuǎn)速傳感器輸出電壓突變時的數(shù)據(jù)見表1所列，將表1中數(shù)據(jù)繪制成如圖8所示的電機轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)連接圖。分析表1和圖8，從電機的卡銷將要轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)速傳感器至表1轉(zhuǎn)速傳感器輸出電壓當(dāng)輸入為1時，觸發(fā)外部中斷，在中斷服務(wù)程序中進行振動檢測結(jié)果的顯示。振動檢測軟件流程圖如圖7所示。在圖7中，點劃線左側(cè)為系統(tǒng)軟件部分，點劃線右側(cè)為振動檢測(中斷)軟件部分，右側(cè)用虛線畫出的部分可以放在系統(tǒng)初始化部分完成。在系統(tǒng)正常運行情況下，當(dāng)振動量超出閾值時，系統(tǒng)軟件就會停下正在處理的任務(wù)，保存現(xiàn)場準(zhǔn)備處理中斷事件，處理完成中斷后，恢復(fù)現(xiàn)場，繼續(xù)執(zhí)行之前的任務(wù)。

3實驗數(shù)據(jù)分析

3．1轉(zhuǎn)速檢測

同時分別使用物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)無線模塊和示波器采集電機的轉(zhuǎn)速，并將所得數(shù)據(jù)進行比較，從而驗證物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)無線模塊的性能。為方便物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)無線模塊的檢測結(jié)果與示波器所觀測的結(jié)果進行比較，將轉(zhuǎn)速傳感器的輸出連接到PLC的高速計數(shù)器輸入端，觀察物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)無線模塊所采集到的數(shù)據(jù)。分析電機的卡銷將要轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)速傳感器至將要轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)速傳感器之間時刻波形的數(shù)據(jù)(波形變化部分的數(shù)據(jù))，將此部分?jǐn)?shù)據(jù)保留2位有效數(shù)字，轉(zhuǎn)速傳感器輸出電壓突變時的數(shù)據(jù)見表1所列，將表1中數(shù)據(jù)繪制成如圖8所示的電機轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)連接圖。分析表1和圖8，從電機的卡銷將要轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)速傳感器至將要轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)速傳感器之間時刻的波形和數(shù)據(jù)可以得出，如果轉(zhuǎn)速傳感器的輸出電壓從高電平到低電平突變(下降沿)時，就可以判定電機轉(zhuǎn)過卜轉(zhuǎn)。將傳感器輸出經(jīng)過濾波和比較電路后接到PLC高速計數(shù)器輸入接口，當(dāng)捕獲單元捕獲到下降沿時，則電機轉(zhuǎn)過一周從表2電機三種不同轉(zhuǎn)速時的檢測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果來看，物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)無線模塊電機轉(zhuǎn)速的測量結(jié)果最大誤差的絕對值為0．20％，具有很高的測量精度。

3．2振動檢測

SW一18010P振動傳感器的輸出是布爾量，若其值超過閾值為則1，不超過閿值則為0。振動檢測實驗共設(shè)置四種情況，

分別為：

(1)在電機正常運行時；

(2)電機加上非平衡負(fù)載時；

(3)電機底座緊固螺絲松動時；

(4)將設(shè)備旋轉(zhuǎn)于實驗室的三軸搖擺實驗臺。分別對這四種情況進行100次實驗，其結(jié)果見表3所列。從表3可以看出，本裝置對振動檢測誤差最大的是第3種情況，即電機基座的緊固螺絲松動時，但也僅為5％。由此可知，本裝置具有較高的準(zhǔn)確度。

4結(jié)語

開展了對起重機的遠(yuǎn)距離無線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的研究，通過多參數(shù)監(jiān)測的方式，實現(xiàn)了對起重機電動機的狀態(tài)進行遠(yuǎn)距離無線監(jiān)測的目的。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，對原有設(shè)備和歷史數(shù)據(jù)充分利用等特點，對起重機電動機狀態(tài)監(jiān)測取得了良好的效果。監(jiān)控系統(tǒng)主機采用控制電路，使控制系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)成為真正統(tǒng)一的整體，增強了監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，有利于實現(xiàn)閉環(huán)控制，具有推廣價值。通過上位機能夠?qū)崿F(xiàn)起重機的智能控制、遠(yuǎn)程控制、生產(chǎn)管理、歷史數(shù)據(jù)的記錄，為智能監(jiān)測開辟了一條思路。今后將開發(fā)更加科學(xué)合理的監(jiān)測技術(shù)和裝置，拓寬起重機狀態(tài)監(jiān)測的范疇，使之向縱深方向延伸，為提升設(shè)備管理層次作出更大貢獻。