冶金起重機多維健康監測系統設計及實現*

鄭惠澤 丁克勤 孫振山 趙利強

1 北京化工大學信息科學與技術學院 北京 100029 2 中國特種設備檢測研究院 北京 100013

0 引言

隨著現代工業的發展，冶金行業也逐漸向大體量、高效率、強安全的方向發展。冶金起重機是冶金行業中最關鍵的設備之一，其運行狀況會直接關系到生產能力與生產效率，故其工作安全性、可靠性、快速性以及先進性一直受到普遍重視。冶金起重機長時間在高溫、高粉塵的環境中工作，且為保證生產效率長期連續運行吊運物料，極易引起其鋼結構的疲勞損傷和磨損損傷，從而導致生產安全事故的發生，造成人員傷亡與財產損失[1]。對冶金起重機關鍵部位進行實時監測和分析能有效預防其鋼結構突然斷裂以及人為誤操作等引起的安全事故，不僅能有效提高起重機作業時的管理安全性，同時也能實時監控并管理相關的起重設備[2]。

目前，冶金起重機在健康狀態監測方面已經有許多相關研究。皮坤等[3]基于 PLC 系統進行狀態信號采集，通過無線傳輸+有線傳輸的方式實現對起重機狀態實時監測；Kishore K 等[4]應用多學科方法對冶金起重機的吊鉤故障進行分析，利用有限元分析對槽口應力進行量化；此外，許多研究工作者根據冶金起重機的橋架結構[5-7]、吊繩狀況[8，9]、振動運行參數[10-12]和應力運行參數[13，14]等方面對冶金起重機進行設計或建模分析，以監控和提升冶金起重機的安全性。

以上研究分析了冶金起重機的單一故障，并應用有限元分析、建模設計與分析等方法研究了采集數據與其相關故障之間的關系，積累了冶金起重機的故障數據庫，為后續起重機的故障監測提供了經驗，從而提升了起重機的運行安全性。然而，對于單一故障位置的分析只能反映冶金起重機的部分健康狀態信息，不能對冶金起重機的整體健康狀態進行監測；只能預防部分事故的發生，不能對冶金起重機的整體健康進行監測。同時，單一維度參數的采集對故障發生后多項參數的聯合溯因分析造成了不便，降低了冶金起重機健康監測的穩定性、安全性、準確性和參數多樣性。因此，需要一種能夠采集并監測冶金起重機多維健康參數的監測系統。

本文設計了一種冶金起重機的多維健康監測系統，對參數采集位置進行設計，提出相應軟件設計思路，并基于多視圖一體化方法對所采集的多維健康參數進行分析顯示并實現數據上傳服務器。

1 冶金起重機多維健康監測系統設計

1.1 多視圖一體化方法

冶金起重機的多維度健康監測數據包含不同類型、不同監測位置的多種數據，而不同數據對于冶金起重機的健康狀態表征具有不同的表示方式和不同的健康評估范圍，故應綜合考慮多維度的數據以便對健康狀態進行評估與展示。

多視圖一體化方法利用冶金起重機的多維度數據創建不同的健康狀態評估視圖評估冶金起重機的健康狀態，即多視圖一體化方法擁有極大自由性，可跟隨所輸入的經驗規則自由生成所需視圖，并可在多種視圖間自由切換查看。

如圖1 所示，當在軟件中輸入多種規則時，軟件根據所輸入規則進行參數判斷，并配置相關參數，設置相對應的公式以實現對多維健康數據的評估與健康監測，建立與規則相對應的健康評估視圖。根據對應規則設置相關參數分類與展示方法，從而實現健康評估的直觀化展示。

圖1 多視圖一體化方法

圖2 為多視圖一體化方法的基本運行原理，多視圖一體化方法根據輸入的經驗規則對健康狀態參數進行分類，并建立相應的視圖來分別顯示每類數據的實時數據及曲線。在每個視圖中單獨建立其曲線圖，將符合健康評估經驗公式的數據通過公式轉換顯示在同一張曲線圖上。此外，根據經驗公式得到的數據能計算得到相應的上下限，進而可根據其上下限來識別當前冶金起重機的健康狀態，并結合多個視圖同時評估冶金起重機的健康狀態，使其具有對照參考，更具準確性。

圖2 多視圖一體化方法原理

1.2 系統架構設計

冶金起重機多維健康監測系統主要由底層傳感采集系統和多維健康數據監測分析軟件組成，其主要架構如圖3 所示。其中，底層傳感采集系統設計了主要健康參數的采集位置，多維健康數據監測分析軟件對多維度參數加以存儲、分析和顯示，并選取部分關鍵參數上傳至服務器以供遠程分析診斷。

圖3 冶金起重機多維健康監測系統架構

2 冶金起重機多維健康監測系統實現

冶金起重機多維健康監測系統要實現對數據的采集、存儲、展示、查詢和上傳等功能。因此，要設計底層采集傳感器的安裝位置及采集方式，并設計冶金起重機多維健康數據監測分析軟件來對采集到的數據進行實時數據展示和分析，利用多視圖一體化方法進行冶金起重機多維度健康分析評估。

2.1 底層傳感采集系統

冶金起重機多維健康監測系統針對冶金起重機的特點進行了傳感器采集位置的特有設計，選擇不同的傳感器采集相關采集位置的參數，實現多維度參數的實時采集與監測。冶金起重機多維度參數中許多關鍵參數能夠表征冶金起重機的健康狀態，故需對該類參數采集以保證采集參數的準確性與代表性（見圖4）。冶金起重機在運行過程中涉及許多過程狀態以及參數，不同運行參數之間有互相關聯，一個參數的變化會引起其他參數同時變化。此外，部分運行參數的異常變化是因其健康狀態發生改變引起的，對運行參數的實時采集有利于對冶金起重機健康狀態的分析診斷，故需對冶金起重機的運行參數進行實時的采集。

圖4 底層傳感采集系統

為了準確分析冶金起重機橋架結構以及關鍵結構主梁在載荷下的受力情況，對冶金起重機的關鍵結構位置加裝應力傳感器以便采集應力參數，測點位置應設在鋼結構極易弱化的位置，極易由于長時間運行磨損導致的結構損傷以及其結構不連續引起結構損傷，故其應變的變化能夠非常靈敏地反映冶金起重機的結構健康。

此外，減速器對整個起重機的運行性能有直接影響，一旦其發生失效，將導致整機無法正常工作，故對減速器振動數據的采集至關重要。制動器在冶金起重機的運行過程中可能會出現失效，其失效主要由機械部分失效和推動器系統失效2 大因素引起的，所以分別采用不同的監測方法對2 種參數進行監測，2 種參數結合分析易于分辨制動器失效的具體原因。

結合應力、振動和制動器行程以及冶金起重機的運行參數，從多維度對冶金起重機進行實時監測。通過不同方式的采集，對冶金起重機的運行狀態進行綜合多方面分析，使操作人員對于冶金起重機的運行狀態及健康狀態有更直觀的了解。

2.2 數據采集與健康評估設計及實現

冶金起重機多維度健康監測軟件是整個系統中關鍵的一環，在連接底層傳感器與遠程服務器起到了紐帶的作用，通過冶金起重機多維度健康監測軟件對底層傳感采集系統數據獲取并提取相應的特征數據，采用多視圖一體化的方法對所得數據進行多視圖的分析與顯示，并對數據進行存儲以供查詢，為大數據分析預留了接口與豐富的數據支撐。

通過軟件開發數據采集接口與傳感器進行數據通訊從而得到所需數據，并在軟件中對數據進行解析，使數據轉換成可理解的形式并進行數據展示與存儲，其采集協議如表1 所示。

表1 參數采集方案

如表1 所示，運行參數通過Datasocket 方式將數值控件和布爾控件分別與PLC 中變量所對應的OPC 服務器的地址綁定，并在界面上實時顯示冶金起重機的運行參數、電流參數、擋位參數和限位參數等信息，操作員可通過該界面直觀地查看起重機各機構的工作狀態。

此外，通過Modbus 協議采集到的應力數據，設置Modbus 地址和端口號連接傳感器，根據起始地址提取應力數值，對返回的數據進行數組索引和強制數據類型轉換，取得表2 所示冶金起重機11 個通道的應力值。

表2 應變參數采集位置

通過TCP/IP 協議采集的振動數據，設置TCP 服務器地址和端口號連接傳感器，輸入讀取緩沖區的指令，接受字節數據，根據起始地址提取振動數值，對返回的數據進行數組索引，獲取表3 所示冶金起重機9 個通道的振動值。

表3 振動測點位置

通過Modbus 協議采集的制動器行程數據，設置Modbus 地址和端口號連接傳感器，根據起始地址提取制動器行程數值，對返回的數據進行強制數據類型轉換得到制動器行程，對得到的數據進行數據曲線的繪制，并結合制動器的彈簧標尺圖像評估冶金起重機制動器的健康狀態，從而得到冶金起重機的健康狀態。

通過IMAQ 方式對工業攝像機的視頻圖像進行截圖并存儲和發送。拍攝正對制動器彈簧標尺的圖片。圖5是通過工業攝像機拍攝的制動器彈簧標尺的圖像，編寫程序利用圖像進行視覺分析，當紅色指針位于綠色區域內時表示制動器彈簧標尺工作正常，當位于紅色區域內時表示制動器工作異常，并對冶金起重機的健康狀態進行評估及報警。

圖5 視覺監控制動器彈簧圖像

此外，冶金起重機多維度健康監測軟件布置在工業數據采集的邊緣端，通過減少數據采集傳輸過程的時間與距離，降低了由于長距離線纜傳輸過程中造成的數據信號丟失與錯誤，有效提高了數據采集的可靠性與效率。

2.3 歷史數據存儲設計與實現

冶金起重機的多維度健康監測數據要進行數據庫的存儲，以供健康數據的分析調用，故需建立數據庫表實時存儲數據。冶金起重機數據具有數據量大、類型多，實時性要求較高的特性。因此，在冶金起重機多維度健康監測系統中設有實時、歷史2 種類型的數據表，分別用來存儲實時過程數據和歷史數據。

如圖6 所示，歷史數據表分為實數類型和布爾類型2 個表，考慮到數據采集速率的快速性以及表的大小問題，系統設計為根據日期每日建立一個表，在每日凌晨零點檢查數據庫表是否建立，并建立最近2 d的歷史數據表。實時數據表主要提供給軟件界面讀取顯示，在數據表中只有一條實時數據在不斷更新，由此便可避免因同時讀取與寫入造成的數據損傷影響歷史數據的存儲。

圖6 歷史數據存儲過程

2.4 多維健康數據上傳設計與實現

冶金起重機多維度健康監測軟件中同時包括數據上傳模塊來實現多維度健康數據的服務器上傳和服務器存儲。

軟件中的數據上傳模塊主要負責對冶金起重機的多維度數據進行特征數據的上傳，易于集成在冶金起重機多維健康監測軟件中，作為一個小模塊單獨運行。數據上傳的方式采用隊列的形式來進行，既能保證上傳命令響應的及時性，又能保證上傳數據不會丟失，其實現原理如圖7 所示。

圖7 數據上傳模塊運行原理

如圖7 所示，當數據上傳模塊讀取冶金起重機多維度健康數據監測分析軟件中采集間隔時間后，開始等待采集指令的發出。當數據開始采集時，發送數據上傳通知，檢測到數據上傳通知后將要傳輸的數據進行元素入棧，然后數據上傳模塊開始應答，得到所需發送數據后進行數據的出棧與上傳。

3 冶金起重機多維度健康監測系統應用

冶金起重機多維度健康數據監測分析系統軟件使用LabVIEW 開發環境進行軟件的編寫。LabVIEW 編程方式不采用文字性代碼而采取圖形化方式，是一種圖形化的編程語言，也被稱為G 語言[15]。LabVIEW 不僅具有簡便性和穩定性，也有出色的底層數據采集與通信能力，是開發測量或控制系統軟件的理想選擇。對于冶金起重機多維度健康數據的采集具有極大地易用性與實用性。

以某工廠冶金起重機進行軟件系統的測試與應用。由于采用了一條經驗規則，故創建了一個數據展示視圖。如圖8 所示，在參數總覽界面對全部運行參數進行了詳細數據的實時顯示。

圖9 為應力參數監控界面，在應力參數監測界面以數組形式顯示通道號對應值，實時顯示多個通道應力值曲線，操作員可勾選曲線選項來顯示對應的通道曲線。

圖9 應力參數監控界面

圖10 為9 個通道的振動數據的實時數據展示和歷史數據曲線繪制，通過曲線可直觀地看到數據的變化趨勢。

圖10 振動參數監控界面

圖11 為制動器位移數據的顯示和曲線。最終，全部特征數據按照協議數據上傳，其中數據類數據上傳服務器頻率為2 s/次；圖像文件在新的圖像文件生成時依據RFC1867 協議來發送圖像文件；若無新的圖像文件生成時，則不進行發送。

圖11 制動器行程監控界面

該系統已配置并安裝在一臺實際的冶金起重機上進行參數的采集與存儲，實際運行結果顯示該系統能實現冶金起重機運行多參數的集成一體化，包括PLC監控值、應力、振動和制動器行程多種數據發實時采集與顯示，便于對冶金起重機的運行狀態進行綜合多角度的評估，并可將采集的數據實時存儲到數據庫及上傳到服務器供數據分析人員調用，增加了系統軟件使用的便捷性。

4 結論

1)通過在實際冶金起重機工作狀態下的測試，該系統能實現冶金起重機多維度健康數據的實時采集與顯示，并能進行數據的存儲，既便于操作人員實時查看，也為后續數據分析提供了足夠的數據支撐。

2)系統從制動器行程圖像和數值兩方面對制動器的狀態進行分析，有效解決以往制動器問題難以溯源的問題。

3)系統軟件能夠滿足現場操作人員的使用情況，對冶金起重機的各運行參數有直觀地顯示，極大地提高了軟件的適用性和簡便性。