門式起重機狀態監測系統研制

佟光勛賈民平胡靜波

（1.東南大學 機械工程系 南京 211189）（2.南京市特種設備安全監督研究院 南京 210019）

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門式起重機狀態監測系統研制

佟光勛1賈民平1胡靜波2

（1.東南大學 機械工程系 南京 211189）
（2.南京市特種設備安全監督研究院 南京 210019）

摘 要：論文針對當前國內在門式起重機狀態監測及故障診斷應用上的空白，設計了一種適應門式起重機狀態監測及智能故障診斷系統，用于保障門式起重機的安全運行?；贑++編程語言開發系統，實現基于C/S架構的系統架構。論文介紹了系統的總體架構及功能需求，提出了系統總體架構，對系統的硬件架構、傳感器選擇及軟件設計進行闡述。在論文最后展示了現場安裝測試的情況，通過實際使用證明，系統對起重機的安全運行有著重要地作用。

關鍵詞：起重機 狀態監測 C++

門式起重機是常見的吊裝設備，主要用于港口貨運、鐵路貨運等物流運輸，包括室外散貨、貨場的裝卸作業。門式起重機具有結構簡單性能更可靠的特點，因此得到廣泛的應用。門式起重機的使用頻率、起重量的增大對門式起重機的安全性能、經濟性能、效率等問題，也越來越引起人們的重視。對于復雜的機械設備及控制系統，如承重結構、起重機械電器設備控制系統等，要準確、快速查清故障原因，找到失效元件，往往是比較困難的。因此，做好對起重機狀態監測及預警對安全生產是非常重要的，同時準確有效的故障診斷方法也是至關重要的，主要的智能診斷的方法有基于神經網絡的故障診斷方法、基于專家系統的故障診斷方法及基于故障樹的故障診斷方法等［1-3］。目前國內對門式起重機狀態監測及故障智能診斷研究甚少，所以本項目的實施填補國內智能監控和故障診斷技術在橋門式起重機上應用的空白。

系統采用在線監測方法，基于C/S架構設計，C/S服務器具有數據采集、數據存儲及通信的功能，客戶端包括與服務器通信和客戶端交互的功能。C/S模式是一種被普遍采用的單機測量模式，它具有響應時間短、實時性好的優點［4-5］。本系統選用C/S架構設計系統，實現了對門式起重機的全面監測。

1 系統總體結構與功能需求

1.1 總體架構

從總體結構上，本系統可以分為4層結構，分別為數據采集層、本地終端、中間數據服務器、遠程終端層。各層之間通過企業局域網實現數據傳輸。系統整體結構如圖1所示。

圖1 系統總體架構

●1.1.1 數據采集層

數據采集層以數據采集器為核心，本系統對起重機的狀態監測包括起重機主梁及支腿的應力應變監測，起升機構減速箱的振動監測、起升重量，運行行程等狀態量的監測，每部分有獨立的數據采集器，數據采集器通過無線與有線結合的數據傳輸方式傳輸數據至終端。

●1.1.2 操作室終端

操作室終端面向操作人員，安裝于起重機駕駛室，以觸摸屏的形式放置于操作人員斜上方。操作室終端通過socket通信接收來自數據采集器的數據并解析數據，實時顯示出當前起重機狀態，包括應力應變數值、振動波形圖、起升重量及運行行程等狀態，并且有故障預警的功能，提醒操作人員可能出現的故障。

●1.1.3 中間服務器

服務器通過企業局域網利用socket進行數據通信，接收來自操作室終端的數據并以文件的形式保存在服務器本地，同時服務器也接收來自外界的遠程終端連接，將實時數據轉發給遠程端，服務器具備高并發且實時性的功能要求。

●1.1.4 遠程終端

遠程端面向企業工程師，遠程終端放置于辦公室內，工程師可隨時通過遠程終端訪問服務器獲取當前正在運行的起重機狀態，且遠程終端設有故障智能診斷功能，通過歷史數據回溯功能獲取歷史數據文件，通過系統的智能診斷模塊進行數據分析，并進行故障診斷。

1.2 功能需求分析

門式起重機智能狀態監測系統應具有以下功能：

1）實時監測功能：系統實現對起重機齒輪箱振動、關鍵部位應力應變、各機構的狀態量進行實時監測，數據采集；

2）數據顯示功能：系統能夠將采集到的數據實時顯示在顯示屏上，以數字、圖像、波形等形式傳遞給駕駛員，并能夠通過遠程系統直接獲取數據并顯示；

3）預警功能：系統能依據給定的門限值進行實時預警，預警范圍包括應力應變、起重量、電機狀態、各機構制動限位等，預警會實時提示操作人員；

4）數據存儲功能：系統能夠將數據及預警報告保存在本地并同時將數據發送到服務器，在服務器端將數據保存至數據庫，以備后期查詢；

5）視頻監控功能：系統通過二次開發視頻廠商提供的軟件，實現在系統中直接提取攝像頭監控圖像并顯示，遠程端及本地端通過直接訪問視頻監控工控機進行歷史錄像查詢；

6）歷史數據回溯功能：系統通過指定時間區間查詢區間內的歷史數據，并以波形顯示出來；

7）故障診斷功能：遠程端實現智能診斷功能，診斷包括電氣部分和齒輪箱振動部分，通過采用專家系統及VPMCD方法對出現的故障進行智能診斷；

8）良好的人機界面：系統向操作人員及工程師提供簡單、直觀的交互界面，使用者可以直接通過數字、圖像、波形觀察起重機當前狀態。

2 系統硬件設計及傳感器選擇布置

2.1 振動數據采集器

振動數據采集器采集行車機構減速箱的振動數據，系統采用IEPE壓電式振動傳感器DH18，量程500m/s2，頻率范圍0.5～5kHz，靈敏度～10mV/（m·s-2）。傳感器通過磁座置于行車機構的減速器上，門式起重機行車機構如圖2所示，圖3為振動采集器架構。

圖2 門式起重機行車機構示意圖

圖3 振動采集器架構示意圖

2.2 應力應變數據采集器

應力應變數據采集器主要負責采集起重機主梁及支腿機構的實時應力值。系統采用表面式應變計DH1205作為傳感器采集應力數據，其具體參數見表1。主要測點分布在起重機受力的主要部位，傳感器布置在跨中4個，1/4跨4個，支腿4個共計12個位置。由于起重機跨度較大，所以應力應變數據采集器通過無線WIFI方式與終端進行通信，應變采集器架構如圖4所示。

表1 表面式應變傳感器參數

圖4 應變數據采集器架構示意圖

2.3 狀態量數據采集器

狀態量數據采集器主要負責采集狀態見表2，重量傳感器采用軸承座式傳感器，選用AKH-0.66/G 30×30I-0.2 25/5穿心匝數為4匝，準確級0.2級的電流互感器采集電機狀態。高度與行程通過使用GAX60 R13/12 E10LB型號的絕對值編碼器采集信號。主副鉤的起重量采用張力傳感器，通過測量起升機構起吊重物時鋼絲繩的應力變化獲取重量信息，狀態量數據采集器架構如圖5所示。

表2 狀態量數據采集器采集參數

圖5 狀態量采集器架構示意圖

3 系統軟件設計

系統軟件包括本地終端、中間存儲服務器、遠程訪問終端，遠程端比本地終端增加了故障診斷的功能，本地終端主要負責與數據采集器通信采集數據并解析然后以圖片和數字的形式顯示出來供操作員觀察，服務器負責存儲數據并將本地端發送來的數據轉發到遠程端，所以系統總體主要可以分為以下幾個模塊：數據采集及處理模塊、歷史數據回溯模塊、視頻監控模塊、故障診斷模塊，系統開發基于C++高級語言。

3.1 數據采集及處理模塊

本地終端通過創建多線程實現與不同數據采集器之間的通信，每個采集器對應終端的一個連接，通過socket網絡通信傳輸數據，網絡傳輸基于TCP協議，在終端接收到數據包后一句自定義的協議進行數據包解析，將數據包中的數據提取出來實時顯示在系統界面中，同時終端開辟數據存儲線程，實時存儲接收到的數據，數據以文件形式保存在本地，本地保留近期一個月的數據量。本地終端在接收到實時數據后將數據立即轉發到服務器，服務器通過SQL數據庫對數據進行長期保存。具體流程如圖6所示。

圖6 數據傳輸流程圖

3.2 歷史數據回溯模塊

系統接收來自振動數據采集器、應力應變數據采集器、狀態量數據采集器的數據，并在本地端保存近期一個月的數據量，服務器保存所有數據，由于應力應變采集器與狀態量采集器采樣頻率一致所以在數據保存的時候將應力應變數據與狀態量數據保存在一起，振動數據采樣頻率較大所以振動數據單獨保存。在做歷史數據查詢的時候，如果所要查詢的數據在近期一個月內則直接從本地提取數據，提高了效率，若查找早于一個月的數據則終端直接與服務器進行socket通信提取歷史數據，歷史數據回溯軟件界面如圖7所示。

圖7 歷史數據回溯界面

設定數據查詢的起始時間節點與終止節點，系統遍歷文件，提取符合時間段內的振動與應變和狀態量文件，通過雙擊文件名獲取數據數值及波形圖，通過選取相應的電機或應變測點顯示不同電機或測點的數據。

3.3 視頻監控模塊

根據系統設計要求，要對起重機進行實時視頻監控，系統采用6個攝像頭布置于起重機各周圍對起重機進行視頻監控，攝像頭選用海康威視網絡攝像機，通過對供應商提供的軟件進行二次開發使系統可以隨時查看實時的視頻圖像，同時可以訪問視頻工控機提取歷史視頻文件，對視頻文件可以實現搜索、快進、慢放、暫停的功能。視頻監控模塊架構如圖8所示。

圖8 視頻監控模塊架構

3.4 故障診斷模塊

遠程終端不僅可以向本地端一樣進行狀態監測，同時可以對接收到的數據進行故障分析處理，進行智能故障診斷。起重機故障分為電氣故障及機械故障兩部分，電氣故障系統采用了典型的專家系統診斷方法，根據專家診斷經驗收集整理了電氣故障知識庫，系統同樣可以根據新出現的故障類型添加故障知識庫規則并對知識庫進行管理。機械故障通過分析齒輪箱振動歷史數據，并通過基于VPMCD［6-9］和時間序列理論［10］結合的方法進行故障診斷。

4 系統現場測試及實例驗證

4.1 現場安裝測試

系統在南京起重機械總廠型號為MG20/5-35A5的門座式起重機上進行安裝測試。圖9（a）為現場起重機機身，圖9（b）為現場采集起重機振動信號，可以同時顯示2個通道的頻譜圖，并同時進行數據保存，圖9（c）為狀態量采集數據實時顯示，藍色表示關閉，紅色表示開啟。

圖9 安裝現場

4.2 診斷系統實例驗證

數據采集是由所本次設計的系統完成，分別采集正常狀況、均勻磨損、非均勻磨損三種工況加速度信號。齒輪箱試驗臺振動數據單位為mm/s2，采樣點數為4096點，采樣頻率為3838.77Hz，齒輪嚙合頻率為307Hz，轉軸I的頻率為10Hz，轉軸II的頻率為7Hz。將實驗數據分為兩部分：訓練樣本和測試樣本。每種工況選取訓練樣本50組，單個樣本長度128采樣點；測試樣本30組，單個樣本長度128采樣點。

利用AIC準則對訓練樣本進行AR建模定階，結合AIC準則及以往診斷經驗6～8階AR模型即可滿足機械診斷要求。建立AR（6）模型，提取AR（6）的6個自回歸參數作為故障特征量。

采用VPMCD變量預測中得二次交互模型：

式中：

經訓練獲得其系數見表3：

表3 二次交互模型系數

（續表）

任意選取30組測試樣本中隨機一個樣本，利用所得的系數進行測試。表4為測試樣本所得結果。

表4 測試樣本所得結果

由分析結果可知，診斷系統能夠準確識別出齒輪箱的故障，此實例驗證了診斷系統的實用性。

圖10為故障診斷實例驗證，圖10（a）為齒輪箱振動數據采集試驗臺；圖10（b）為基于時間序列的VPMCD方法開發的齒輪箱故障診斷模塊，搜索歷史振動數據然后進行數據分析診斷獲取故障類型；圖10（c）為基于專家系統的電氣設備故障診斷模塊，用戶選取當前的故障節點然后進行診斷給出故障原因及應對策略。

圖10 故障診斷測試實例

5 結論

本文所研制的系統已經安裝使用于南京起重機械總廠的MG20/5-35A5門式起重機上，使用表明系統能夠有效地監測起重機應力、振動及各運行參數的實時狀態，能夠進行準確的分析數據并直觀的顯示出來，診斷系統依據采集的數據能夠做出準確的識別，提高了起重機使用效率并大大減少了人工檢查維修的工作量。

從現場的安裝使用情況來看，系統還有需要進一步優化的地方，比如系統沒有實現完全無線數據傳輸的設計，這樣在系統安裝上會存在布線困難的地方，而且系統還不能支持在移動終端上進行查看，這些都是以后優化和研究的重點。

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Development of Gantry Crane Condition Monitoring System

Tong Guangxun1Jia Minping1Hu Jingbo2
（1. Department of Mechanical Engineering， Southeast University Nanjing 211189）
（2. Nanjing Special Equipment Institute Nanjing 210019）

AbstractSince state monitoring and fault diagnosis system is rarely used in gantry crane， so we develop a gantry crane condition monitoring system. This system’s development is based on the C++ programming language. The system framework is based on C/S structure. This article describes the requirements of overall framework and functional of the system， proposes system overall framework， and describes hardware structure， sensors selection and software design. The experiments show that the monitor system plays an important role in the use of crane.

KeywordsCrane Condition monitoring C ++

作者簡介：佟光勛（1991～），男，碩士，從事智能測控及診斷研究工作。

收稿日期：（2015-11-12）

中圖分類號：X941

文獻標識碼：B

文章編號：1673-257X（2016）06-0022-06

DOI：10.3969/j.issn.1673-257X.2016.06.005