基于載荷狀態監測的起重機制動下滑量檢測儀的研究與設計

戴文駿， 馬向華， 張未坤

(上海應用技術大學 電氣與電子工程學院， 上海 201418)

起重機制動環節的性能會對整個起吊系統產生舉足輕重的影響。制動性能直接和整個系統的安全性和可靠性掛鉤，而制動下滑量是評定制動性能的重要標準，所以對下滑量的研究自然地成為了重中之重[1]。

起重機在制動后，吊鉤在自重或者載荷的狀態下，受重力和慣性的雙重影響，沿垂直方向滑動一段距離，這個距離量就是制動下滑量[2-3]。現在列舉出市面上常見的幾種測量下滑量的方法以及它們各自存在的不足。

目測法：即在額定載荷狀態下，檢驗人員在視線可及范圍內，觀察起重機制動下滑量產生的過程，大致評估出一個下滑量的近似值[4]。該方法測量精度低，測量結果完全依賴檢測人員的主觀判斷，易受施工環境、天氣條件、觀測站位點等外在因素影響。

行程開關控制的檢測法：取極細的鋼絲繩，細繩的一端連接固定的觸點閉合的行程開關，常閉觸點與控制下降回路的控制器相連，另一端掛上一個重量足以閉合、斷開下降電路的小秤砣，測量時小秤砣放在載荷上，額定載荷低速下降到某一位置時，小秤砣從載荷上脫落，與此同時，下降電路被切斷，從載荷立刻下降制動直到載荷靜止時間節點內，通過測量小秤砣和載荷之間的垂直距離，獲取制動下滑量的數據[5]。此法存在以下缺點：選取的小秤砣的質量很難保證；從行程開關與小秤砣接觸到起重機斷電制動的時間節點內，存在一個很短的延時段的下移距離；在下滑量讀取時，還需測量小秤砣和載荷的位置，實際操作時受測量環境條件制約；最突出的缺點是二次測量時要對行程開關復位，不利于保障檢測人員的人身安全。

光控繼電器檢測法：將原來的行程開關用光控繼電器替換掉，實現對起重機下降回路的控制。把鋼尺固定在負載砝碼的一側，通過讀取鋼尺刻度獲得下滑量[6]。此法測量一次產生的偏差較大，需多次測量，取平均值。

綜合旋轉編碼器與光電計數器的檢測法：該方法是在起升機構高速級軸線上的一個傳動件器件上，對圓形傳動器件的側面進行12等分(等分的個數越多測量的結果也就越精確)，并且做好等分標記線。將光電計數器與起升機構控制系統建立聯鎖，控制系統斷電的瞬間光電計數器開始計數。將等分標記線的側頭與計數器的測量探頭對準重合，起升機構慢檔低速穩定運行，下降制動停止后下滑量的讀取通過對所測得的計數器計數值進行換算獲得[7]。此法在現場檢測時很難對傳動器件的側平面絕對等分；對等分線的標記也很難實際操作；而且光電計數器在計數過程中不一定準確。

激光測距的檢測法：該方法將激光測距儀放置在負載正下方來檢測距離信息數據，利用無線通信計數，將測得的距離數據發送給上位機。上位機軟件具有強大的數據處理能力和數據分析能力，自動計算出制動下滑量并實時顯示下滑量隨時間的變化曲線圖[8]。此法雖智能化程度較高，測量精度較高，但由于激光測量設備處于負載正下方，對負載和激光測量設備都會存在一定的安全隱患。

高速圖像捕捉設備的檢測法：利用手持式控制器控制吊重系統抱閘制動，載荷制動時間節點處的位置高度值h1被高速圖像捕捉設備快速精確地記載下來，接著在制動載荷下降直到處于穩定狀態的時間節點處的高度值h2捕捉記錄下來。結合特定行業開發的專門軟件，快速精確地計算出下降過程中的高度差Δh=h1-h2，即起重機的制動下滑量[9]。此法對捕捉圖像的設備性能要求極高，無形之中提高了測量的成本，而且測量距離有限，具體距離視高速圖像捕捉設備的性能而定。

為了彌補上述方法中的缺陷，本文采用結構化的設計思維兼顧高效節能的設計理念，設計了一種攜帶方便、現場操作簡單、自動化程度高、測量精度優良的制動下滑量檢測系統[10]。

1 系統結構及原理

1.1 系統總體設計方案

本文研究并設計了一種起重機制動下滑量檢測系統，其主要構成有：用于安裝在起重機吊鉤表面上的磁力基座、內置數據采集SD卡的下滑量檢測儀、手持式檢測儀無線控制器以及安裝上位機軟件的計算機[11]。下滑量檢測儀內置數據采集功能的加速度傳感器、陀螺儀傳感器、磁力傳感器，將采集的數據保存到單片機數據存儲單元，藍牙模塊發射端與上位機相連，接收到手持式檢測儀無線控制器的數據采集指令，將傳感器捕捉到的數據傳輸到上位機。上位機軟件對采集的原始數據進行處理與分析，計算出起重機制動下滑量的結果，同時生成制動過程中加速度、速度、位移隨時間變化的曲線圖并對數據進行信息化管理。系統總體設計圖，如圖1所示。

圖1 系統總體設計圖Fig.1 System overall design

下滑量檢測系統的工作流程，如圖2所示。該檢測系統的手持式檢測儀無線控制器可以完成信號的接收、發射以及檢測儀的狀態切換。檢測儀的狀態分為以下3種模式：開始測量前的初始化狀態、測量開始狀態、測量結束狀態。當手持式檢測儀無線控制器的測量啟動按鈕被觸發時，發送檢測信號以開始測量，下位機接收到采集的數據后，執行隨后的數據處理。

圖2 下滑量檢測系統的工作流程圖Fig.2 Work flow chart of the slide distance detector system

基于VB6.0設計開發的上位機數據處理系統，利用藍牙通信模塊實現對制動下滑量檢測儀的遠程控制，經過對加速度傳感器的數據積分處理以獲得制動下滑量數據值[12]。檢測結果的下滑量值與上位機軟件設定的標準范圍對比，判斷它是否滿足相關標準，并對數據進行加工處理，數據采集加工系統，如圖3所示。

圖3 數據采集加工系統Fig.3 Data acquisition and processing system

1.2 系統工作原理

加速度傳感器、陀螺儀傳感器及磁力傳感器本身就是敏感元件，它們檢測加速度、角速度以及磁場強度物理量并輸出與該物理量有確定關系的信號，轉換元件將這些輸入的物理量信號轉換為電信號輸出，電信號經過變換電路的放大調制，輸出易于測量的電信號量[13]。只要使用 ADC 測量出電壓值，并參照轉換關系即可求得實際物理量，如圖4所示。

圖4 傳感器工作原理圖Fig.4 Sensor working principle diagram

其中，陀螺儀傳感器和磁力傳感器的引入起到校正姿態角的作用，增強了系統的抗干擾能力。

數據采集處理模塊對原始的加速度數據進行去噪音處理之后，再進行積分運算得到載荷的速度信息，即

(1)

式中，A為下滑量檢測儀采集到的對應時刻的下滑量數值。

起重機運動的理想過程為:靜止(AB段)—勻加速下降(BC段)—勻速下降(CD段)—勻減速下降(DE段)—停止(EF段)。采用最小二乘法對求得的實際速度曲線進行分段擬合，獲得各速度區域的速度函數，其理想速度曲線，如圖5所示。

圖5 理想速度曲線圖Fig.5 Ideal speed graph

圖中:

式(2)中K1為靜止狀態前，負載速度擬合后，結果為零的速度數值；式(3)中K2、K3為起重機勻加速下降的速度擬合過程中，建立速度與時間關系的2個參數；式(4)中K4為勻速下降速度。而

式(5)中K5、K6為起重機下降制動的速度擬合過程中，建立速度與時間關系的2個參數；式(6)中K7為制動停止后起重機的運行速度，其數值為0。

起重機制動下滑量就是起重機在下降制動過程中，勻減速下降到完全靜止，這一時間段下滑的距離，根據上述公式分析可得，制動下滑量為

(7)

化簡后的下滑量可表達為：

(8)

2 系統硬件設計

系統的主控制芯片選用ST公司的STM32L476RG芯片。該系統主要由STM32L476RG單片機及外圍電路、數據采集模塊、通信管理模塊、OLED顯示模塊、數據存儲模塊、鋰電池模塊等整合而成。構成數據模塊的加速度傳感器采集加速度數據，陀螺儀傳感器采集角速度數據，磁力傳感器采集磁場強度數據量。通信模塊主要涉及到傳感器和主控芯片之間的連接，主控芯片數據存儲單元和無線發射端的連接以及無線發射端與上位機的連接。整個硬件系統由節能環保重復利用率較高的鋰電池提供電能。

STM32L476RG單片機外圍電路設計包括時鐘電路、復位電路以及JTAG調試接口電路。電源管理模塊由鋰電池供電，為系統提供持續穩定的電源；數據采集模塊涉及到加速度計、陀螺儀等傳感器電路；通信管理模塊主要采用無線藍牙通信。數據采集系統的硬件部分，如圖6所示。

圖6 數據采集系統硬件圖Fig.6 Data acquisition system hardware diagram

3 系統軟件設計

上位機測試軟件系統通過總線接口與下位機的加速度等傳感器串聯成一個整體，能對整個下滑量檢測系統進行控制，也可以利用手持式下滑量檢測儀的控制器進行。用戶在人機交互的測試界面上發布指令，經過總線接口的控制模塊向起重機的起升機構傳達指令，起重機接收指令，做出相應動作。緊隨其后，系統經過總線接口的數據采集模塊，采集加速度等傳感器的輸出信號。上位機具有的強大的數據加工處理能力，將處理所得的數據結果顯示在測試軟件系統的人機交互界面上[14]。檢測系統工作原理，如圖7所示。

圖7 檢測系統工作原理圖Fig.7 Fundamental diagram of the detection system

上位機的測試軟件系統監控整個測試過程，對于采集到的數據進行處理，最終在人機交互界面顯示測量過程中的加速度、速度、位移隨時間的變化曲線以及制動下滑量的數據結果，用戶根據測試軟件設定的標準范圍，觀察測得的數據量是否超過國家相關標準。

下位機軟件主要涉及系統初始化、通信管理、數據采集等。下位機配置好各種輸入設備，進行數據采集。主程序首先完成系統初始化，接著控制加速度傳感器、陀螺儀傳感器和磁力傳感器的主控芯片STM32L476RG中寄存器WHO_AM_I的值，與數據手冊中的寄存器參數0x73比對，若參數相同，則表明傳感器處于正常工作狀態。此時可以對傳感器的數據進行采集和讀取[15]。若參數不同，則表明傳感器處于異常工作狀態。具體流程如圖8所示。

圖8 下位機軟件的工作流程圖Fig.8 Work flow chart of the lower computer software

若檢測到傳感器處于正常工作狀態，就可以讀取數據寄存器，獲取采樣數據。利用固件庫函數分別讀取三軸加速度、角速度以及磁場強度的數值。把讀取得的 ADC值除以各自的分辨率，即可求得各自實際物理量數值。這僅是采集的原始的數據，可以利用卡爾曼濾波算法，去除不需要的隨機噪聲干擾，得到所需的真實數據[16]。

4 實驗結果與分析

表1中數據是在結構與安全工程實驗室，通過現場實驗測得。一共測得30組數據。其中10組是負載為空載時測得的下滑量；10組是負載為200 kg時測得的下滑量；剩余10組是負載為400 kg時測得的下滑量。

表1 下滑量數據表Tab.1 Slide distance data sheet mm

表2數據反映了實驗數據的計量值，相對于計量值，所設計的測試裝置的測量精度及波動值大小。

表2 下滑量數據對比表Tab.2 Slide distance data comparison table mm

由表1實驗數據可知，通過測量儀檢驗測得的多組數據比較集中，可反映出該檢測儀檢測下滑量的穩定性。由表2的數據結果可以看出，檢測得的數據同計量值相比，誤差較小，測量值的準確性較高。

5 結 語

檢測系統的加速度檢測裝置固定在滑輪吊鉤頸部，外形小巧，安裝拆卸簡單，測量精度高且抗干擾能力強。使用人員可以遠距離操縱，減少了因制動失效而導致重物墜落等危及生命安全的事故發生，使得檢測過程中測量人員的工作安全得到保障。