0引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和對(duì)外貿(mào)易的不斷增加，起重機(jī)械行業(yè)朝著大型化、連續(xù)化和自動(dòng)化方向發(fā)展]。對(duì)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(yùn)行，提高起重機(jī)的使用壽命和利用率，從起重機(jī)的歷史數(shù)據(jù)中找到起重機(jī)運(yùn)行的客觀規(guī)律，為起重機(jī)的現(xiàn)代化管理提供可靠的依據(jù)成為現(xiàn)代化起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)的新方向]。國(guó)家“十二五”特種設(shè)備科技發(fā)展規(guī)劃規(guī)定開(kāi)展適應(yīng)特種設(shè)備安全檢測(cè)監(jiān)測(cè)需要的現(xiàn)代檢測(cè)監(jiān)測(cè)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(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)水平l4]。當(dāng)前起重機(jī)仍采取定期檢測(cè)制度，缺乏在相對(duì)惡劣條件下長(zhǎng)期穩(wěn)定的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這顯然不能滿足對(duì)現(xiàn)代起重設(shè)備安全可靠工作的要求。隨著社會(huì)的發(fā)展，企業(yè)和社會(huì)對(duì)起重機(jī)設(shè)備性能要求越來(lái)越高，各行各業(yè)廣泛重視促進(jìn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。

從80年代起，國(guó)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(dòng)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(kāi)發(fā)一些裔陛能的起重機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)【。從2000年開(kāi)始，國(guó)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(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)l。這些都針對(duì)的是起重機(jī)的整體機(jī)械、材料方面的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，沒(méi)有針對(duì)起重機(jī)電動(dòng)機(jī)作系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)基于物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)無(wú)線模塊設(shè)計(jì)了起重機(jī)電動(dòng)機(jī)的遠(yuǎn)距離狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，針對(duì)起重機(jī)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、振動(dòng)等設(shè)計(jì)出其狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)電路的硬件設(shè)計(jì)

本研究的主要內(nèi)容是起重機(jī)電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，首先設(shè)計(jì)出狀態(tài)監(jiān)測(cè)所需要的軟硬件系統(tǒng)。狀態(tài)監(jiān)測(cè)硬件系統(tǒng)主要包括信息采集單元、信號(hào)處理單元、信息發(fā)送和信息發(fā)布單元這四個(gè)部分。而信息采集單元的硬件電路又包括振動(dòng)檢測(cè)單元與電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)單元這兩個(gè)檢測(cè)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(wú)線模塊對(duì)各單元傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)監(jiān)控軟件實(shí)時(shí)顯示起重機(jī)電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)。

I．I硬件系統(tǒng)框架

檢測(cè)電路包括轉(zhuǎn)速傳感器獲取電機(jī)的轉(zhuǎn)速，振動(dòng)傳感器檢測(cè)機(jī)座的振動(dòng)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(cè)電路通過(guò)PLC進(jìn)行連接，電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)(轉(zhuǎn)速、振動(dòng)等)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)無(wú)線模塊進(jìn)行傳輸，送到上位機(jī)中進(jìn)行處理分析。根據(jù)不同的現(xiàn)場(chǎng)情況，如果信息采集模塊到基站節(jié)點(diǎn)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(wú)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(diǎn)接力完成f~'g-的傳輸。

1．2采集傳輸模塊設(shè)計(jì)

采集傳輸模塊主要的任務(wù)是完成測(cè)量信號(hào)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(dòng)檢測(cè)等。

1．2．1轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路

SC12-20K的速度傳感器采用專門用于轉(zhuǎn)速測(cè)量的霍爾芯片，輸出采用集電極開(kāi)路的輸出方式，可將輸出直接接入到PLC的高速脈沖計(jì)數(shù)器輸入接口，特別適用于傳輸要求苛刻的場(chǎng)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(cè)轉(zhuǎn)速為200000轉(zhuǎn)／秒。系統(tǒng)轉(zhuǎn)速檢測(cè)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(duì)轉(zhuǎn)速采樣的干擾，在對(duì)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)采樣前先進(jìn)行濾波。圖2中的運(yùn)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(jì)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(wú)用的高次諧波，提高轉(zhuǎn)速檢測(cè)的準(zhǔn)確度。圖2中的電阻R、運(yùn)算放大器U2A組成了電壓比較電路，為滑動(dòng)變阻器，用于調(diào)節(jié)比較器的基準(zhǔn)電壓。通過(guò)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(jì)數(shù)器初始化子程序，然后做一個(gè)高速計(jì)數(shù)器初始化的子程序，定義為加計(jì)數(shù)更新當(dāng)前值，高速計(jì)數(shù)器中斷，然后激活高速計(jì)數(shù)器，設(shè)置定時(shí)中斷0的時(shí)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?yàn)?00ms的定時(shí)中斷，每100ms執(zhí)行一次中斷程序。用100ms計(jì)算的脈沖個(gè)數(shù)即可算出電機(jī)轉(zhuǎn)速。其捕獲單元示意圖如圖3所示

1．2．2振動(dòng)檢測(cè)電路

振動(dòng)是一種特殊形式的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，大多數(shù)機(jī)械振動(dòng)都是有害的，這些振動(dòng)不僅對(duì)設(shè)備造成危害而且對(duì)人身健康也會(huì)產(chǎn)生危害，所以對(duì)機(jī)器振動(dòng)的檢測(cè)就非常必要。文中振動(dòng)檢測(cè)電路的主要作用是檢測(cè)機(jī)座的振動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)振動(dòng)量大于振動(dòng)開(kāi)關(guān)的閾值時(shí)電路報(bào)警從而引起在場(chǎng)人員的注意。選用SW-18010P型振動(dòng)開(kāi)關(guān)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與安裝圖如圖4所示。

將振動(dòng)開(kāi)關(guān)安裝到機(jī)座上就可以用來(lái)檢測(cè)機(jī)座的振動(dòng)情況。此振動(dòng)開(kāi)關(guān)在無(wú)振動(dòng)或是振動(dòng)量較小的情況下，電路處于開(kāi)路狀態(tài)。當(dāng)有外力作用或是振動(dòng)量大于振動(dòng)開(kāi)關(guān)的作用閾值時(shí)，電路就會(huì)產(chǎn)生瞬間導(dǎo)通。電路導(dǎo)通后P07就會(huì)被置為高電平，P07連接到PLC數(shù)字輸入口，產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，觸發(fā)中斷程序時(shí)進(jìn)行處理。當(dāng)外力消失或是振動(dòng)量小于振動(dòng)開(kāi)關(guān)的作用閥值時(shí)，開(kāi)關(guān)恢復(fù)為開(kāi)路狀態(tài)，中斷信號(hào)消失。振動(dòng)檢

測(cè)原理圖如圖5所示。

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

2狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

文中的傳感器節(jié)主要有振動(dòng)檢測(cè)節(jié)與轉(zhuǎn)速檢測(cè)節(jié)。分別介紹不同節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)方法。

2．1轉(zhuǎn)速檢測(cè)

SC12—20K速度傳感器采用三線制，輸出端采用集電極開(kāi)路輸出。當(dāng)電機(jī)的卡銷將轉(zhuǎn)過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器時(shí)，轉(zhuǎn)速傳感器就會(huì)輸出一個(gè)脈沖波形。使用PLC高速脈沖計(jì)數(shù)器來(lái)完成轉(zhuǎn)速傳感器輸出波形的檢測(cè)。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(jì)數(shù)器的下降沿，當(dāng)出現(xiàn)兩個(gè)下降沿時(shí)就說(shuō)明電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)了一轉(zhuǎn)，兩個(gè)下降沿所用時(shí)間的倒數(shù)就是電機(jī)轉(zhuǎn)速。圖6所示為電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)的軟件流程。程序首先初始化定時(shí)器，將定時(shí)器輸入捕獲單元對(duì)應(yīng)的引腳設(shè)置為定時(shí)器捕獲功能引腳；接著初始化PLC的定時(shí)器，設(shè)置為遞增計(jì)數(shù)、輸入捕獲模式；清除定時(shí)器的計(jì)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(shí)，產(chǎn)生捕獲事件。捕獲單元向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求，在中斷處理函數(shù)中通過(guò)讀取定時(shí)器的計(jì)數(shù)寄存器的值，就可以獲得捕獲時(shí)刻計(jì)時(shí)器的時(shí)間。相鄰兩次捕獲事件發(fā)生的時(shí)間間隔為電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一周所用的時(shí)間，其倒數(shù)即為電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2．2振動(dòng)檢測(cè)SW．

18010P振動(dòng)傳感器的輸出是布爾量，當(dāng)振動(dòng)量超過(guò)閾值時(shí)輸出1，沒(méi)超過(guò)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(cè)軟件流程轉(zhuǎn)速，并將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而驗(yàn)證物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)無(wú)線模塊的性能。為方便物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)無(wú)線模塊的檢測(cè)結(jié)果與示波器所觀測(cè)的結(jié)果進(jìn)行比較，將轉(zhuǎn)速傳感器的輸出連接到PLC的高速計(jì)數(shù)器輸入端，觀察物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)無(wú)線模塊所采集到的數(shù)據(jù)。分析電機(jī)的卡銷將要轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)速傳感器至將要轉(zhuǎn)過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器之間時(shí)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(shí)的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所列，將表1中數(shù)據(jù)繪制成如圖8所示的電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)連接圖。分析表1和圖8，從電機(jī)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(shí)，觸發(fā)外部中斷，在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)結(jié)果的顯示。振動(dòng)檢測(cè)軟件流程圖如圖7所示。在圖7中，點(diǎn)劃線左側(cè)為系統(tǒng)軟件部分，點(diǎn)劃線右側(cè)為振動(dòng)檢測(cè)(中斷)軟件部分，右側(cè)用虛線畫(huà)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(yùn)行情況下，當(dāng)振動(dòng)量超出閾值時(shí)，系統(tǒng)軟件就會(huì)停下正在處理的任務(wù)，保存現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備處理中斷事件，處理完成中斷后，恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，繼續(xù)執(zhí)行之前的任務(wù)。

3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3．1轉(zhuǎn)速檢測(cè)

同時(shí)分別使用物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)無(wú)線模塊和示波器采集電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而驗(yàn)證物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)無(wú)線模塊的性能。為方便物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)無(wú)線模塊的檢測(cè)結(jié)果與示波器所觀測(cè)的結(jié)果進(jìn)行比較，將轉(zhuǎn)速傳感器的輸出連接到PLC的高速計(jì)數(shù)器輸入端，觀察物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)無(wú)線模塊所采集到的數(shù)據(jù)。分析電機(jī)的卡銷將要轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)速傳感器至將要轉(zhuǎn)過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器之間時(shí)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(shí)的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所列，將表1中數(shù)據(jù)繪制成如圖8所示的電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)連接圖。分析表1和圖8，從電機(jī)的卡銷將要轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)速傳感器至將要轉(zhuǎn)過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器之間時(shí)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(shí)，就可以判定電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)卜轉(zhuǎn)。將傳感器輸出經(jīng)過(guò)濾波和比較電路后接到PLC高速計(jì)數(shù)器輸入接口，當(dāng)捕獲單元捕獲到下降沿時(shí)，則電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一周從表2電機(jī)三種不同轉(zhuǎn)速時(shí)的檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果來(lái)看，物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)無(wú)線模塊電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量結(jié)果最大誤差的絕對(duì)值為0．20％，具有很高的測(cè)量精度。

3．2振動(dòng)檢測(cè)

SW一18010P振動(dòng)傳感器的輸出是布爾量，若其值超過(guò)閾值為則1，不超過(guò)閿值則為0。振動(dòng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)共設(shè)置四種情況，

分別為：

(1)在電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)；

(2)電機(jī)加上非平衡負(fù)載時(shí)；

(3)電機(jī)底座緊固螺絲松動(dòng)時(shí)；

(4)將設(shè)備旋轉(zhuǎn)于實(shí)驗(yàn)室的三軸搖擺實(shí)驗(yàn)臺(tái)。分別對(duì)這四種情況進(jìn)行100次實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果見(jiàn)表3所列。從表3可以看出，本裝置對(duì)振動(dòng)檢測(cè)誤差最大的是第3種情況，即電機(jī)基座的緊固螺絲松動(dòng)時(shí)，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(yǔ)

開(kāi)展了對(duì)起重機(jī)的遠(yuǎn)距離無(wú)線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究，通過(guò)多參數(shù)監(jiān)測(cè)的方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)起重機(jī)電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)距離無(wú)線監(jiān)測(cè)的目的。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)原有設(shè)備和歷史數(shù)據(jù)充分利用等特點(diǎn)，對(duì)起重機(jī)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)取得了良好的效果。監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)采用控制電路，使控制系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成為真正統(tǒng)一的整體，增強(qiáng)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，有利于實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，具有推廣價(jià)值。通過(guò)上位機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)起重機(jī)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(cè)開(kāi)辟了一條思路。今后將開(kāi)發(fā)更加科學(xué)合理的監(jiān)測(cè)技術(shù)和裝置，拓寬起重機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(xiàn)。