基于FBG 傳感器技術(shù)的冶金起重機健康監(jiān)測系統(tǒng)研究及工業(yè)應(yīng)用

吳光照

（江西省檢驗檢測認(rèn)證總院特種設(shè)備檢驗檢測研究院贛州檢測分院， 江西 贛州 341000）

0 引言

冶金起重機工作環(huán)境相對較為惡劣，并且其工作負(fù)荷較大，需要頻繁制動啟動，這也使起重機的鋼結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)疲勞失效情況，具有極大的危險性。因此對冶金起重機進行健康監(jiān)測是提高冶金產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)安全性的重要手段[1]。但目前我國在起重機健康狀態(tài)監(jiān)測過程中主要應(yīng)用電阻應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)雖然具有較高的監(jiān)測準(zhǔn)確度，但壽命相對較短，容易受到外界環(huán)境的影響。因此研究一種壽命長，精度高的監(jiān)測系統(tǒng)也成為冶金行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵[2]。

1 冶金起重機健康監(jiān)測系統(tǒng)整體設(shè)計方案

本次設(shè)計的冶金起重機健康監(jiān)測系統(tǒng)主要用于長期遠程監(jiān)測冶金起重機的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)，并且系統(tǒng)需要具備冶金起重機運行狀態(tài)信息的分析處理能力，同時能夠根據(jù)異常信息數(shù)據(jù)進行報警處理，進而提高對起重機的管理效果，延長起重機的使用壽命。

為了實現(xiàn)上述功能，在冶金起重機健康監(jiān)測系統(tǒng)整體設(shè)計當(dāng)中需要包含有以下四個模塊：光纖布拉格光柵（FBG）傳感模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊。

2 硬件部分設(shè)計

2.1 FBG 傳感模塊設(shè)計

在冶金起重機健康監(jiān)測系統(tǒng)當(dāng)中，傳感模塊是其中的核心部件，其監(jiān)測精度和性能直接決定著監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此本次選用FBG 傳感器作為傳感模塊的核心。在實際的應(yīng)用過程中，由于冶金環(huán)境較為惡劣，這會加快FBG 傳感器的老化速度，進而影響其監(jiān)測性能。針對此種情況，在本次設(shè)計當(dāng)中采用TC4鈦合金對其進行封裝，TC4 鈦合金不僅具有良好的耐腐蝕性，該種材料也具有良好的韌性和焊接性能，能夠較好地滿足傳感器的封裝要求，封裝粘合劑選用環(huán)氧樹脂。本次所設(shè)計的FBG 傳感模塊可直接焊接在冶金起重機鋼結(jié)構(gòu)表面。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

綜合當(dāng)前解調(diào)技術(shù)，本次研究結(jié)合冶金起重機使用情況以及FBG 傳感模塊選用可調(diào)諧F-P 濾波法，以此來實現(xiàn)傳感器的解調(diào)，該種解調(diào)方式不僅具有較高的精度，并且成本相對較低，體積較小。因此，本次選用GTS-ASHM-100 高性能光纖光柵傳感解調(diào)設(shè)備，該調(diào)解設(shè)備具有良好的環(huán)境適應(yīng)能力，在實際應(yīng)用當(dāng)中主要以FPGA 作為整個采集模塊的中央處理單元，該處理單元能夠滿足冶金起重機健康監(jiān)測時的大數(shù)據(jù)要求，同時也能實現(xiàn)長時間在線監(jiān)測功能。本次所選用的解調(diào)系統(tǒng)參數(shù)如表1 所示。

表1 GTS-ASHM-100 解調(diào)設(shè)備具體參數(shù)

2.3 數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計

本次所設(shè)計的冶金起重機健康監(jiān)測系統(tǒng)主要目的是實現(xiàn)對起重機的健康狀態(tài)的遠程監(jiān)測，因此需要根據(jù)實際應(yīng)用情況建立完善的信息傳輸系統(tǒng)。在具體設(shè)計當(dāng)中，本次系統(tǒng)主要采用GPRS 網(wǎng)絡(luò)作為無線傳輸模塊主體，該技術(shù)具有傳輸效率高，成本低的優(yōu)點。因此，具體數(shù)據(jù)傳輸模塊采用CM3180DT，該無線傳輸模塊是基于ARM9 設(shè)計生產(chǎn)的，能夠?qū)崿F(xiàn)各種協(xié)議數(shù)據(jù)的高速轉(zhuǎn)化處理，工作溫度在-40~80 ℃之間，能夠滿足冶金工業(yè)環(huán)境的要求。

模塊選用完成之后，需要將GTS-ASHM-100 解調(diào)設(shè)備的RS232 串口與CM3180DT 終端相連接，冶金起重機狀態(tài)信息也會通過串口傳輸至無線傳輸模塊當(dāng)中，而后相關(guān)數(shù)據(jù)會轉(zhuǎn)換為TCP/IP 數(shù)據(jù)包，之后經(jīng)過GPRS 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)測顯示用戶端，整個數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)形成了冶金起重機的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

3 軟件部分設(shè)計

冶金起重機健康監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計主要目的是對傳感器監(jiān)測到的信號進行后期的處理，從而在顯示界面顯示出起重機應(yīng)變應(yīng)力等信息，同時起到報警功能。本次冶金起重機健康監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包含有六部分，分別為用戶信息部分、設(shè)備設(shè)置部分、信息儲存管理部分、顯示部分、輸入輸出部分以及說明部分。不同的部分包含有不同的子模塊，其中用戶信息部分主要作用用于存放用戶的個人信息等；設(shè)備設(shè)置部分主要作用是對傳感器等設(shè)施進行設(shè)置，確定報警界限；信息儲存管理部分主要用于儲存?zhèn)鞲衅鞅O(jiān)測到的具體數(shù)據(jù)；顯示部分主要用于顯示監(jiān)測到的信息狀態(tài)；輸入輸出部分主要用于信息數(shù)據(jù)的傳輸；說明部分是對系統(tǒng)的功能進行說明和指導(dǎo)。為了實現(xiàn)起重機健康監(jiān)測效果，本次軟件邏輯流程設(shè)計如下所示：首先在系統(tǒng)啟動后，中央控制模塊會與數(shù)據(jù)庫進行連接，連接成功后與服務(wù)器連接，之后由工作人員根據(jù)冶金起重機的實際工作情況設(shè)置傳感器的監(jiān)測報警參數(shù)，設(shè)置完成后整套系統(tǒng)進行自動監(jiān)測。監(jiān)測后得到的數(shù)據(jù)信息存入到數(shù)據(jù)庫當(dāng)中，同時利用CM3180DT 數(shù)據(jù)傳輸模塊將相關(guān)信息傳輸至用戶端顯示界面，中控系統(tǒng)對傳輸回的信息進行判定，如果其數(shù)值超出先前設(shè)定的正常范圍則在用戶界面發(fā)出報警信號；如果處于正常范圍值內(nèi)則持續(xù)監(jiān)測。

4 基于FBG 傳感器技術(shù)的冶金起重機健康監(jiān)測系統(tǒng)實驗驗證

4.1 實驗設(shè)備

本次實驗主要目的是驗證冶金起重機健康監(jiān)測系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和可靠性，為了確保實驗結(jié)果具有指導(dǎo)意義，實驗起重機材質(zhì)采用Q235B，并且在實驗起重機上安裝有軌道小車系統(tǒng)，能夠模擬起重機在運行過程中梁內(nèi)應(yīng)力的變化，同時在相應(yīng)位置上安裝有振動電機，模擬起重機在運行過程中的振動狀態(tài)。

具體實驗設(shè)備包含有PC 機、SIM手機卡（實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸）、FBG 傳感器、電阻應(yīng)變計、電阻應(yīng)變解調(diào)儀。

4.2 傳感器設(shè)置位置的選擇

不同結(jié)構(gòu)起重機的承載方式有著較大的差異，這也導(dǎo)致整個起重機受力存在著一定的差別，因此在實際監(jiān)測過程中應(yīng)當(dāng)了解起重機的應(yīng)力集中點。本次研究利用有限元分析對典型工況下實驗冶金起重機的應(yīng)力分布進行計算，確定應(yīng)力集中位置和關(guān)鍵部位，以此作為傳感器的布置點。經(jīng)過模擬分析將傳感器布置點設(shè)置在主梁的1/4、1/2、3/4 處，同時在左、右支腿處設(shè)置FBG 傳感器以及電阻傳感器。

4.3 實驗結(jié)果

打開冶金起重機健康監(jiān)測系統(tǒng)后，啟動實驗冶金起重機，通過小車在主梁上的往復(fù)運動模擬起重機工作狀態(tài)，監(jiān)測結(jié)果表明5 個監(jiān)測通道數(shù)據(jù)均能夠正常傳輸，并且利用FBG 傳感器監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)結(jié)果與電阻應(yīng)變片所監(jiān)測到的結(jié)果基本一致。由于模擬試驗機主梁較細，在實際運行過程中應(yīng)變較大，本文由于篇幅有限選取典型應(yīng)變力變化位置進行分析，具體選取位置有主梁的1/2、3/4 處，以及實驗冶金起重機左腿處，該位置的應(yīng)變力變化趨勢如圖1、圖2、圖3 所示。

圖1 主梁1/2 處應(yīng)變時序

圖3 左支腿處應(yīng)變時序

由圖1、圖2、圖3 可知，在起始階段起重機應(yīng)變傳感器監(jiān)測數(shù)值為0，符合實際情況，小車從左端運行至右端和從右端運行至左端用時均為86 s。從圖1可知，在小車運動過程中，到達跨中主梁1/2 處應(yīng)變最大，到達兩端時該處應(yīng)變接近0，應(yīng)變趨勢呈現(xiàn)中軸對稱形式，小車運動過程中在中軸兩側(cè)對應(yīng)位置處應(yīng)變基本相似，這與實際情況相符；由圖2 可知，在小車運動過程中，到達主梁3/4 處，此時該處應(yīng)變最大，當(dāng)小車運行至最左端主梁3/4 處應(yīng)變接近0，當(dāng)運行至最右端主梁3/4 處應(yīng)變?yōu)?2 με，整體呈現(xiàn)中軸對稱形式，這與實際情況相符；由圖3 可知，在小車運動過程中左腿應(yīng)變處于負(fù)值狀態(tài)，并且呈現(xiàn)良好的對稱性，此種情況與理論和實際情況相符。經(jīng)過實驗研究證明，基于FBG 傳感器技術(shù)的冶金起重機健康監(jiān)測系統(tǒng)具有良好的監(jiān)測性能。

5 工業(yè)實測上的應(yīng)用研究

本次測試主要以某煉鋼廠200 t 起重機為例，其最大起升高度30 m。起升機構(gòu)最大速度為12.3 m/min。在測試過程中，由于起重機工作環(huán)境相對復(fù)雜，因此選用并聯(lián)的方式連接FBG 傳感器，避免其中某個傳感器出現(xiàn)問題對其他傳感器產(chǎn)生影響。傳感器設(shè)置位置主要有主梁、支腿兩部分，F(xiàn)BG 傳感器設(shè)置位置處安裝有電阻應(yīng)變器。

經(jīng)過測試研究發(fā)現(xiàn)，由基于FBG 傳感器技術(shù)的冶金起重機健康監(jiān)測系統(tǒng)所測得的應(yīng)變曲線與電阻應(yīng)變器所測的曲線走勢一致，對應(yīng)時間應(yīng)變非常接近，這也表明該系統(tǒng)具有良好的應(yīng)變監(jiān)測效果，并且在現(xiàn)場也有良好的應(yīng)用效果。

6 結(jié)論

1）根據(jù)冶金起重機的工作狀態(tài)提出基于FBG 傳感器技術(shù)的健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案，并分析每一個模塊的具體功能。

2）對監(jiān)測系統(tǒng)的軟件部分進行設(shè)計，詳細分析了系統(tǒng)工作流程。

3）通過實驗驗證基于FBG 傳感器技術(shù)的冶金起重機健康監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性，實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果與常規(guī)電阻應(yīng)變測量系統(tǒng)結(jié)果一致，并且該系統(tǒng)測量結(jié)果也與設(shè)備運行過程中應(yīng)變變化理論和實際趨勢相符。