起重機下滑量檢測系統的研究與應用

溫建平

（1.山西省檢驗檢測中心（山西省標準計量技術研究院）特種設備檢驗技術研究所， 山西 太原 030006；2.安泰源特種設備檢測集團有限公司， 山西 太原 030009）

0 引言

起重機是工業領域常用到的一種機械設備，其在提高運輸效率的同時能夠極大地減輕工作人員的勞動強度。但起重機在長時間高負荷的狀態下運轉，往往會出現各種問題影響到生產安全性，因此定期檢修是提高起重機運輸效率，保障起重機安全運行的關鍵。在起重機檢修過程中，下滑量的檢測是其中最重要的一項內容，該項指標能夠客觀反映出其中設備的安全性能。目前常見的下滑量檢測方式有目測法、行程開關控制檢測法、光控繼電器檢測法、高速圖像捕捉檢測法等，這些檢測方法大部分容易受到外界因素影響，難以保證檢測精度，部分精度足夠的檢測方式需要建立輔助測量平臺，導致檢測成本增加[1]。因此，設計一種高精度、低成本、簡單操作的下滑量檢測系統成為起重機應用企業所需要思考的問題。

1 下滑量檢測系統方案設計

1.1 檢測系統結構設計

本次系統設計以功能性模塊為主，具體功能模塊包含數據采集模塊、傳輸模塊、儲存模塊、供電模塊以及數據處理模塊和顯示模塊。數據采集模塊主要利用加速度傳感器和陀螺儀傳感器對吊重的姿態進行檢測，電源模塊是為系統中的電器元件進行供電。在數據采集完成后通過傳輸模塊將相關信息傳遞給數據處理模塊，經過傳感器標定和濾波處理等工序得出具體的下滑量，將其傳遞到顯示模塊中。

1.2 檢測系統硬件設計

根據上述結構設計可以將下滑量檢測系統的硬件系統分為六部分，分別為單片機主控系統、外圍電路、數據采集系統、存儲系統、顯示系統以及電源電路系統。其中單片機主控系統采用STM32L476RG 芯片，該芯片具有功耗低、集成度高、處理速度快、接口豐富等優點，并且其具有1 GB 的FLASH，能夠滿足檢測系統的數據收集、處理、傳輸等需求。在芯片外圍有多部分IO 電路所構成，分別由電源端口，晶振端口、始終端口、復位端口以及程序下載和調試端口。電源端口與外部鋰電池相連接，為系統進行時鐘電路供電，但只有系統完全啟動后，才會輸出VDD 給系統的其他電路部分供電，供電系統電路圖如圖1 所示。時鐘電路選用16 MHz 的晶振，程序下載和調試端口選用JTAG 標準接口同時兼容SW 接口的方式，這不僅能夠作為系統的程序輸入和輸出端口，也能通過此端口對程序進行在線仿真調試。數據采集系統主要選用LIS3DSH 三軸線性加速度傳感器和L3GD2OH 三軸陀螺儀傳感器，這兩個傳感器的輸入輸出格式與芯片內置的12 bit A/D 轉換接口相匹配，并且具有低功耗、高靈敏度的特點，能夠滿足下滑量的監測需求。存儲系統是以芯片自帶的RAM和SD 卡為主，在傳感器將采集的數據傳遞到芯片當中，芯片會通過串口連接的方式將數據輸入到SD 卡中，實現數據的保存。顯示系統采用OLED 屏幕顯示的方式，通過SPI 通信方式將STM32L476RG 芯片中所采集到的數值輸出到顯示界面上，以供監測人員讀取，具體顯示系統的電路連接圖如圖2 所示。

圖1 供電系統電路圖

圖2 顯示系統的電路連接圖

1.3 檢測系統的軟件設計

下滑量檢測系統的軟件設計由主程序和多個子程序共同組成，其中主程序負責對各子程序進行調用。主程序邏輯設計結構為：

1）在系統開啟時調用各初始化子程序，例如傳感器輸出程序、通信模塊、I/O 模塊等。傳感器模塊在初始化時首先解除休眠狀態，之后將傳感器的采樣頻率設置為1 kHz，并對傳感器的測量范圍進行設置，其中加速度傳感器測量范圍設置為4 g，陀螺儀傳感器測量范圍設置為2 000 dPs。

2）在系統內部進行自檢，查驗傳輸值是否完整、格式是否正確，如果錯誤則停止系統，并在顯示界面輸出ERROR，如果正確則進行下一步。

3）搜索無線/藍牙控制設備，并與設備建立通信連接，如果通信網絡正常則調用數據檢測采集程序，開始記錄數據并將數據返回至上位機中；如果搜索到設備但沒有與之成功建立通信連接則返回上一步繼續搜索控制設備。在執行數據檢測采集程序時，首先讀取加速度傳感器所返回的數據值，將數據值與預先設置范圍進行對比，判斷數據是否合法，如果不合法則重新讀取數據，合法則進行下一步；其次讀取陀螺儀傳感器所返回的數據值，并與預設范圍進行對比，判斷數據的合法性，處理程序與加速度傳感器數據處理方式一致；最后將所檢測采集到的數據傳輸到STM32L476RG 芯片中進行保存，并通過串口的方式將數據傳遞到顯示系統中，之后進入下一循環。

2 系統測試

某企業有18 臺不同型號的起重機，其中包括懸臂起重機、橋式起重機和門式起重機。為保證生產安全性，該企業每年需投入大量資金進行下滑量檢測，對部分起重量在10 t 以下的起重機（10 臺）利用行程開關檢測法，對大于10 t 的起重機（8 臺）采用高速圖像捕捉檢測法。該種檢測方式不僅耗費時間長，部分起重機下滑量檢測結果不準確。針對此種情況，該企業根據自身起重機時間情況進行了下滑量檢測系統的設計和研發。

2.1 10 t 起重機的應用

在下滑量檢測系統設計完成后，將該系統應用于10 t 起重機中，測試載荷為5 t，下滑量檢測結果如3 所示。

由圖3 可知，利用本文所設計的下滑量檢測系統對起重機進行檢測時，所檢測的下滑量數值更加變化幅度更小，其中在空載時下滑量均值為25.84 mm，標準差為2.69 mm；負載5 t 時下滑量為36.72 mm，標準差為2.23 mm。利用行程開關檢測方式對起重機進行檢測時，空載情況下下滑量均值為28.96 mm，標準差為4.64 mm；負載5t 時下滑量為42.4 mm，標準差為6.04 mm。由此可見，利用本文所設計的下滑量檢測系統進行檢測，數據更為集中、標準差較小，從而誤差更小。

圖3 10 t 起重機下滑量檢測結果

2.2 20 t 起重機的應用

將該系統應用于20 t 起重機中，測試載荷為8 t，檢測結果如圖4 所示。

圖4 20 t 起重機下滑量檢測結果

由圖4 可知，兩種檢測方式下下滑量變化幅度相似。其中在本文所設計的下滑量檢測系統下8 t 荷重下滑量均值為67.4 mm，標準差為4.18 mm；利用高速圖像捕捉檢測法檢測下滑量均值為66.56 mm，標準差為4.12 mm。由此可見，兩組數據標準差基本一致。因此本文所設計的起重機下滑量檢測系統可用于10 t以上起重機下滑量檢測。

3 起重機下滑量檢測系統經濟性分析

某公司每年均需進行一次下滑量測試，在測試時主要通過聘請第三方檢測機構執行，經過對2018 年起重機下滑量檢測合同查驗發現，檢測費用為23 萬元，其中包括輔助設施制造安裝費用、人工費用以及檢測費用等，檢測周期為一個月，實際檢測時間為23 d，這也對企業的生產經營效率產生了一定的影響。將此系統應用于起重機下滑量檢測過程中，每年能夠節約檢測費用23 萬元，同時檢測工作僅需9 d 便可完成，大大縮短檢測時間，有效提高了企業的生產效率。經過估算，在檢測月中，2018 年整月運輸量為796 t，在2020 年應用該系統后整月運輸量為1 238 t（兩年設備運行模式和工作人員勞務模式一致，運輸量對比有意義）。每噸能夠為企業產生103 元利潤，經過計算，該系統應用后檢測月能夠為企業提高45 526 元的利潤。起重機生命周期為15 年，因此整個生命周期能夠為企業帶來約413 萬元利潤。

4 結論

1）重機下滑量檢測系統的整體結構進行設計，并對硬件系統電路和軟件程序邏輯進行設計。

2）將本文所設計的下滑量檢測系統應用于10 t和20 t 起重機中，經過與先前測試方式對比，本文所設計的下滑量檢測系統測試精確度與高速圖像捕捉檢測法精確度基本一致，能夠滿足該企業起重機下滑量檢測需求。

3）通過與2018 年起重機下滑量檢測情況相比較，2020 年減少了23 萬元的外包費用，并產生了45 526 元的利潤。在起重機全生命周期中，利用起重機下滑量檢測系統能夠為企業帶來413 萬元利潤。