無線傳感技術下的大型起重機械監測系統開發及應用分析

趙立新

摘 要：在工業生產、建筑工程、貨運碼頭等領域，大型起重機械發揮著非常重要的作用，而一旦其在運行過程中出現異常或者故障，可能引發嚴重災難性后果。因此，需要做好大型起重機械的運行監測工作。本文結合無線傳感技術，針對大型起重機械監測系統進行了設計開發，通過現場應用對系統的功能進行了驗證。結果表明，監測系統運行穩定，能夠有效預防突發性事故，保證現場作業人員的生命財產安全。

關鍵詞：無線傳感技術；大型起重機械；監測系統；開發；應用

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

起重機械尤其是大型起重機械在許多行業和領域都有著廣泛應用，其本身屬于特種作業機械，安全隱患大，本身就存在許多的危險因素。當起重機械作業時間達到一定年限后，即使維護保養良好，在應力集中位置或者焊接熱影響區域也會出現損傷，如果不能及時發現并處理，則可能導致巨大的財產損失，甚至引發群死群傷事故。針對這樣的問題，需要切實做好起重機械的運行監測工作。

1 監測系統構成

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進行檢測，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的安全因素進行監測，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異常和問題。基于此，本文提出了一種基于無線傳感技術的檢測系統，能夠通過無線傳感節點實現對起重機械運行狀態相關參數的采集，然后經無線傳感網絡傳輸到服務器，對照相關數據完成對于起重機械整體狀態的評估，及時發現起重機械在運行狀態下存在的安全隱患，有效避免事故的發生。

2 監測系統開發

2.1 無線傳感系統

無線傳感系統包含了若干無線傳感節點，以802.15.4協議為基礎，可以構建多種不同的網絡拓撲結構，如星型、線型、網狀等，在節點通道設計了精度在120-1000Ω的橋路電阻以及放大調理電路，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行選擇。采集到的數據可以暫時存儲在內置數據存儲設備中，也可以通過無線傳輸的方式實時傳輸到計算機，能夠切實保證數據的連續性。同時，在無線傳感節點配備了電源管理的硬件及軟件，能夠在保證數據連續傳輸的同時，將節能能耗控制在25mA左右，而即使因為意外導致外部供電重點，內置的可充電電池依然可以確保節點繼續工作10h左右[2]。無線傳感節點的性能指標見表1。

無線傳感節點作為無線傳感系統的構成要素，包含了電源、處理器、傳感器、實時時鐘等模塊，考慮能源限制，在對元件進行選擇時，應該在滿足功能的前提下，盡量降低能耗。例如，在對節點電源進行選擇時，采用了低功耗線性穩壓器TPS73633，電源電壓降為75mV，最大輸出電流400mA，靜態電流0.4mA；處理器采用了ATMEGA328P-AU，在正常運行狀態下，工作電流為0.2mA，節能狀態下僅為0.75μA，能夠極大地降低能耗。從避免外界電磁干擾的角度，可以將無線傳感節點放在金屬屏蔽盒中。想要保證無線傳感節點的正常運行，還需要重視軟件設計，在確保節點有效運行的情況下，對工作時間和休眠時間進行分配，通過遠程控制實現工作狀態與休眠狀態的自動切換，有效減少節點能耗[3]。一般情況下，無線傳感節點的能源供應采用的是可充電電池，在運行環節的能耗集中在數據接收與發送過程中，而如果外部環境存在干擾，數據傳輸的可靠性會受到一定影響，在這種情況下，可以將數據拆分后，打包成幀進行傳輸。考慮每一個無線傳感節點都存在獨立的本地時鐘，受節點晶振頻率偏差及外部干擾的影響，本地時鐘可能出現偏差，從而對監測系統的正常運作造成負面影響，因為如果本地時鐘不同步，得到的結果也就無法保證準確性，從這個角度分析，時間同步在檢測系統中發揮著重要作用。

2.2 數據采集網關系統

數據采集網關能夠對無線傳感節點傳輸的數據信息進行接收、整理和分類，然后在利用互聯網將分類后的數據傳輸到數據處理系統中。數據采集網關系統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據傳輸的持續進行，在網關內部，配備了具備較大容量的數據存儲設備，這樣即便因為特殊原因導致網絡斷線或者鏈接錯誤，數據無法順利傳輸，也能夠將數據存儲在網關內，避免了數據的丟失。數據采集網關系統中，數據包格式采用的是IEEE802.15.4，支持點對點、星型、線型、網狀以及樹型網絡拓撲結構，采用2.4GDSSS無線射頻，存在16條可用信道，可以根據實際情況自主選擇，空中最大數據傳輸率為250kbps，同步精度能夠達到0.1ms[4]。

2.3 數據處理系統

數據處理系統的核心為網絡服務器，其能夠通過互聯網完成對數據網絡傳輸數據的有效接收，從而實現對于大型起重機械的在線監測，不僅能夠對接收到的數據進行永久存儲，也兼具了分析計算、信息發表、數據管理等多樣化功能，服務器本身的數據庫清理、數據庫優化以及修復等能力使得其能夠對接收的數據進行二次處理，去除數據中的無用信息和校驗信息，對數據進行壓縮處理后，傳輸到后續的健康評估系統中，為開展大型起重機械的健康評估提供必要的數據支撐。

2.4 健康評估系統

健康評估系統是監測系統的核心組成部分，其主要構成部分是專家評估軟件，可以針對采集到的數據信息進行處理和分析，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構損傷的識別、預警工作，在此基礎上完成對于大型起重機械的壽命及安全性能評估。健康評估系統能夠利用數據采集網關傳輸的設備關鍵位置應變及溫度等信息的分析，對照相應的起重機械狀況數據庫，保證監測及信息的可視化，及時發現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在設計開發階段采用了模塊化結構，可以根據實際需要進行功能模塊的添加，其主要模塊有：負責傳感器以及數據采集方式設置的基本參數模塊，負責監測數據實時顯示和存儲的數據采集模塊，負責對應力進行實時監測及顯示，針對異常信息作出預警判斷的數據處理模塊，負責數據庫管理和歷史數據回收的數據顯示及回放模塊，負責大型起重機械結構損傷預警和健康狀況分析評價的數據診斷模塊，以及負責設備檢驗、分類管理，兼顧作業人員培訓的設備信息管理模塊[5]。

3 監測系統應用

為了針對本身開發的以無線傳感技術為支撐的大型起重機械檢測系統的運行效果進行檢驗，選擇某港口一臺15t級的橋式起重機，開展相應的加卸載試驗。起重機軌道高度達到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行監測分析，在主梁跨中蓋板上設置12個無線傳感節點負責數據采集工作。應力試驗結果如圖1所示。

結合試驗結果分析，本文開發設計的大型起重機械健康監測系統能夠完成對起重機結構應力狀態的實時監測，監測結果準確可靠，系統運行穩定，能夠滿足實際生產過程中的監測需求。而在試驗過程中發現，無線傳感節點的最大傳輸距離容易受到外界環境的影響，如果將接收端設置在中控機房、將發送節點設置在主梁最前端，雖然可以保證正常通信，但是由于兩節點之間金屬結構的阻擋，通信過程中的丟包率較大，無法得到完整的數據信息。針對這個問題，在機械臂絞點位置，增加了轉發路由節點，再次進行數據傳輸試驗，丟包率大大降低，數據傳輸的穩定性得到了明顯改善[6]。

結束語

總而言之，大型起重機械在建筑、交通、物流、工業等領域有著相當廣泛的應用，而其在長期運行過程中，金屬結構可能會出現疲勞損傷等問題，如果無法及時發現和處理，就可能引發嚴重的安全事故。基于此，從大型起重機械安全監測的實際需求出發，基于無線傳感技術，設計開發了相應的監測系統，以港口的15t橋式起重機為例進行了現場應用試驗，結果表明，監測系統運行穩定，可以完成對起重機金屬結構的實時監測，也可以對其健康狀況進行診斷，保證大型起重機械的穩定可靠運行。

參考文獻：

[1]劉大洋，趙偉，楊恒.大型起重機械在線監測的無線傳感器網絡節點設計[J].傳感器與微系統，2015，34（9）：76-79.

[2]徐夢，凌張偉，王黎明，等.大型起重機分布式安全監控管理系統的設計[J].現代機械，2016，（4）：91-93.

[3]李鋒，馬溢堅，凌張偉，等.大型造船門式起重機安全監控管理系統的改造[J].起重運輸機械，2017，（5）：100-102.