無線傳感技術(shù)下的大型起重機械監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用分析

趙立新

摘 要：在工業(yè)生產(chǎn)、建筑工程、貨運碼頭等領(lǐng)域，大型起重機械發(fā)揮著非常重要的作用，而一旦其在運行過程中出現(xiàn)異?；蛘吖收?，可能引發(fā)嚴(yán)重災(zāi)難性后果。因此，需要做好大型起重機械的運行監(jiān)測工作。本文結(jié)合無線傳感技術(shù)，針對大型起重機械監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計開發(fā)，通過現(xiàn)場應(yīng)用對系統(tǒng)的功能進(jìn)行了驗證。結(jié)果表明，監(jiān)測系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠有效預(yù)防突發(fā)性事故，保證現(xiàn)場作業(yè)人員的生命財產(chǎn)安全。

關(guān)鍵詞：無線傳感技術(shù)；大型起重機械；監(jiān)測系統(tǒng)；開發(fā)；應(yīng)用

文章編號：1004-7026（2018）03-0106-02 中國圖書分類號：TH215 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

起重機械尤其是大型起重機械在許多行業(yè)和領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用，其本身屬于特種作業(yè)機械，安全隱患大，本身就存在許多的危險因素。當(dāng)起重機械作業(yè)時間達(dá)到一定年限后，即使維護(hù)保養(yǎng)良好，在應(yīng)力集中位置或者焊接熱影響區(qū)域也會出現(xiàn)損傷，如果不能及時發(fā)現(xiàn)并處理，則可能導(dǎo)致巨大的財產(chǎn)損失，甚至引發(fā)群死群傷事故。針對這樣的問題，需要切實做好起重機械的運行監(jiān)測工作。

1 監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

一直以來，對于大型起重機械的安全保障采用的多是定期檢測，技術(shù)手段也以目測、磁粉探傷、敲擊等為主，雖然能夠找出機械中存在的隱患，但是只能夠針對非工作狀態(tài)進(jìn)行檢測，檢測的對象也以幾何量或者物理量為主，無法就大型起重機械運行狀態(tài)的安全因素進(jìn)行監(jiān)測，因此，即使定期檢驗合格，起重機在運行過程中依然可能出現(xiàn)異常和問題?；诖?，本文提出了一種基于無線傳感技術(shù)的檢測系統(tǒng)，能夠通過無線傳感節(jié)點實現(xiàn)對起重機械運行狀態(tài)相關(guān)參數(shù)的采集，然后經(jīng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器，對照相關(guān)數(shù)據(jù)完成對于起重機械整體狀態(tài)的評估，及時發(fā)現(xiàn)起重機械在運行狀態(tài)下存在的安全隱患，有效避免事故的發(fā)生。

2 監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)

2.1 無線傳感系統(tǒng)

無線傳感系統(tǒng)包含了若干無線傳感節(jié)點，以802.15.4協(xié)議為基礎(chǔ)，可以構(gòu)建多種不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如星型、線型、網(wǎng)狀等，在節(jié)點通道設(shè)計了精度在120-1000Ω的橋路電阻以及放大調(diào)理電路，均獨立存在，配合軟件的自動切換功能，可以在全橋、板橋和1/4橋三種被測量方式中進(jìn)行選擇。采集到的數(shù)據(jù)可以暫時存儲在內(nèi)置數(shù)據(jù)存儲設(shè)備中，也可以通過無線傳輸?shù)姆绞綄崟r傳輸?shù)接嬎銠C，能夠切實保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性。同時，在無線傳感節(jié)點配備了電源管理的硬件及軟件，能夠在保證數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸?shù)耐瑫r，將節(jié)能能耗控制在25mA左右，而即使因為意外導(dǎo)致外部供電重點，內(nèi)置的可充電電池依然可以確保節(jié)點繼續(xù)工作10h左右[2]。無線傳感節(jié)點的性能指標(biāo)見表1。

無線傳感節(jié)點作為無線傳感系統(tǒng)的構(gòu)成要素，包含了電源、處理器、傳感器、實時時鐘等模塊，考慮能源限制，在對元件進(jìn)行選擇時，應(yīng)該在滿足功能的前提下，盡量降低能耗。例如，在對節(jié)點電源進(jìn)行選擇時，采用了低功耗線性穩(wěn)壓器TPS73633，電源電壓降為75mV，最大輸出電流400mA，靜態(tài)電流0.4mA；處理器采用了ATMEGA328P-AU，在正常運行狀態(tài)下，工作電流為0.2mA，節(jié)能狀態(tài)下僅為0.75μA，能夠極大地降低能耗。從避免外界電磁干擾的角度，可以將無線傳感節(jié)點放在金屬屏蔽盒中。想要保證無線傳感節(jié)點的正常運行，還需要重視軟件設(shè)計，在確保節(jié)點有效運行的情況下，對工作時間和休眠時間進(jìn)行分配，通過遠(yuǎn)程控制實現(xiàn)工作狀態(tài)與休眠狀態(tài)的自動切換，有效減少節(jié)點能耗[3]。一般情況下，無線傳感節(jié)點的能源供應(yīng)采用的是可充電電池，在運行環(huán)節(jié)的能耗集中在數(shù)據(jù)接收與發(fā)送過程中，而如果外部環(huán)境存在干擾，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃詴艿揭欢ㄓ绊?，在這種情況下，可以將數(shù)據(jù)拆分后，打包成幀進(jìn)行傳輸?？紤]每一個無線傳感節(jié)點都存在獨立的本地時鐘，受節(jié)點晶振頻率偏差及外部干擾的影響，本地時鐘可能出現(xiàn)偏差，從而對監(jiān)測系統(tǒng)的正常運作造成負(fù)面影響，因為如果本地時鐘不同步，得到的結(jié)果也就無法保證準(zhǔn)確性，從這個角度分析，時間同步在檢測系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。

2.2 數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)能夠?qū)o線傳感節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行接收、整理和分類，然后在利用互聯(lián)網(wǎng)將分類后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理系統(tǒng)中。數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)能本身所具備的透明傳輸功能和斷線自連功能使得其能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)某掷m(xù)進(jìn)行，在網(wǎng)關(guān)內(nèi)部，配備了具備較大容量的數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，這樣即便因為特殊原因?qū)е戮W(wǎng)絡(luò)斷線或者鏈接錯誤，數(shù)據(jù)無法順利傳輸，也能夠?qū)?shù)據(jù)存儲在網(wǎng)關(guān)內(nèi)，避免了數(shù)據(jù)的丟失。數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)包格式采用的是IEEE802.15.4，支持點對點、星型、線型、網(wǎng)狀以及樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用2.4GDSSS無線射頻，存在16條可用信道，可以根據(jù)實際情況自主選擇，空中最大數(shù)據(jù)傳輸率為250kbps，同步精度能夠達(dá)到0.1ms[4]。

2.3 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的核心為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，其能夠通過互聯(lián)網(wǎng)完成對數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的有效接收，從而實現(xiàn)對于大型起重機械的在線監(jiān)測，不僅能夠?qū)邮盏降臄?shù)據(jù)進(jìn)行永久存儲，也兼具了分析計算、信息發(fā)表、數(shù)據(jù)管理等多樣化功能，服務(wù)器本身的數(shù)據(jù)庫清理、數(shù)據(jù)庫優(yōu)化以及修復(fù)等能力使得其能夠?qū)邮盏臄?shù)據(jù)進(jìn)行二次處理，去除數(shù)據(jù)中的無用信息和校驗信息，對數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理后，傳輸?shù)胶罄m(xù)的健康評估系統(tǒng)中，為開展大型起重機械的健康評估提供必要的數(shù)據(jù)支撐。

2.4 健康評估系統(tǒng)

健康評估系統(tǒng)是監(jiān)測系統(tǒng)的核心組成部分，其主要構(gòu)成部分是專家評估軟件，可以針對采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理和分析，軟件能夠在損傷診斷理論的支撐下，完成對大型起重機械結(jié)構(gòu)損傷的識別、預(yù)警工作，在此基礎(chǔ)上完成對于大型起重機械的壽命及安全性能評估。健康評估系統(tǒng)能夠利用數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)脑O(shè)備關(guān)鍵位置應(yīng)變及溫度等信息的分析，對照相應(yīng)的起重機械狀況數(shù)據(jù)庫，保證監(jiān)測及信息的可視化，及時發(fā)現(xiàn)并就異常信息作出告警，提醒工作人員做好處理工作。大型起重機械健康評估系統(tǒng)在設(shè)計開發(fā)階段采用了模塊化結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)實際需要進(jìn)行功能模塊的添加，其主要模塊有：負(fù)責(zé)傳感器以及數(shù)據(jù)采集方式設(shè)置的基本參數(shù)模塊，負(fù)責(zé)監(jiān)測數(shù)據(jù)實時顯示和存儲的數(shù)據(jù)采集模塊，負(fù)責(zé)對應(yīng)力進(jìn)行實時監(jiān)測及顯示，針對異常信息作出預(yù)警判斷的數(shù)據(jù)處理模塊，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫管理和歷史數(shù)據(jù)回收的數(shù)據(jù)顯示及回放模塊，負(fù)責(zé)大型起重機械結(jié)構(gòu)損傷預(yù)警和健康狀況分析評價的數(shù)據(jù)診斷模塊，以及負(fù)責(zé)設(shè)備檢驗、分類管理，兼顧作業(yè)人員培訓(xùn)的設(shè)備信息管理模塊[5]。

3 監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用

為了針對本身開發(fā)的以無線傳感技術(shù)為支撐的大型起重機械檢測系統(tǒng)的運行效果進(jìn)行檢驗，選擇某港口一臺15t級的橋式起重機，開展相應(yīng)的加卸載試驗。起重機軌道高度達(dá)到9m，跨度17.4m，軌道長度120m，大車運行速度在83.5m/min，小車運行速度相對較慢，約為40.1m/min。為了方便針對整個起重機主梁的運行狀況進(jìn)行監(jiān)測分析，在主梁跨中蓋板上設(shè)置12個無線傳感節(jié)點負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集工作。應(yīng)力試驗結(jié)果如圖1所示。

結(jié)合試驗結(jié)果分析，本文開發(fā)設(shè)計的大型起重機械健康監(jiān)測系統(tǒng)能夠完成對起重機結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)的實時監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確可靠，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠滿足實際生產(chǎn)過程中的監(jiān)測需求。而在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，無線傳感節(jié)點的最大傳輸距離容易受到外界環(huán)境的影響，如果將接收端設(shè)置在中控機房、將發(fā)送節(jié)點設(shè)置在主梁最前端，雖然可以保證正常通信，但是由于兩節(jié)點之間金屬結(jié)構(gòu)的阻擋，通信過程中的丟包率較大，無法得到完整的數(shù)據(jù)信息。針對這個問題，在機械臂絞點位置，增加了轉(zhuǎn)發(fā)路由節(jié)點，再次進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸試驗，丟包率大大降低，數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性得到了明顯改善[6]。

結(jié)束語

總而言之，大型起重機械在建筑、交通、物流、工業(yè)等領(lǐng)域有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，而其在長期運行過程中，金屬結(jié)構(gòu)可能會出現(xiàn)疲勞損傷等問題，如果無法及時發(fā)現(xiàn)和處理，就可能引發(fā)嚴(yán)重的安全事故?；诖耍瑥拇笮推鹬貦C械安全監(jiān)測的實際需求出發(fā)，基于無線傳感技術(shù)，設(shè)計開發(fā)了相應(yīng)的監(jiān)測系統(tǒng)，以港口的15t橋式起重機為例進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用試驗，結(jié)果表明，監(jiān)測系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可以完成對起重機金屬結(jié)構(gòu)的實時監(jiān)測，也可以對其健康狀況進(jìn)行診斷，保證大型起重機械的穩(wěn)定可靠運行。

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