冶金起重機多維健康監(jiān)測系統(tǒng)設計及經(jīng)濟效益分析

施愷濱

（江西省檢驗檢測認證總院特種設備檢驗檢測研究院贛州檢測分院， 江西 贛州 341000）

1 冶金起重機制動器健康監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計

1.1 系統(tǒng)硬件構成

冶金起重機多維健康監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能是多維數(shù)據(jù)的采集和健康監(jiān)測，為了更好地完成需要的功能，其整體設計由數(shù)據(jù)源的設計、多維數(shù)據(jù)的采集、在線健康監(jiān)測和界面交互等4 個方面組成。其中機器視覺系統(tǒng)硬件的設計，可以實現(xiàn)對制動器參數(shù)的監(jiān)控，硬件具體包括攝像機、光學鏡頭、照明光源和圖像采集卡。

1.2 硬件選型

1）工業(yè)攝像機。工業(yè)攝像機是一種用于機械視覺系統(tǒng)的收集設備，它的功能是把被測對象的影像的光學訊號轉化成電子訊號，并通過影像采集卡轉化成數(shù)字訊號。在選擇工業(yè)攝像機時，必須確保其成像質量和分辨率都能達到要求。本文所選擇的工業(yè)攝像機是CMOS 相機MV-EM500C，其技術參數(shù)見表1。

表1 工業(yè)攝像機參數(shù)

2）光學鏡頭。光學鏡頭由一個可調(diào)（亮度）的光圈、一個對焦環(huán)以及一套透鏡組成，它的作用是把被測對象的光學影像集中到一個工業(yè)照相機的光敏表面陣列上，它的選取需要考慮到視場、焦距、光圈以及失真等多個方面，在應用過程中需要通過調(diào)節(jié)光圈和焦距來調(diào)節(jié)影像的亮度和清晰度，選用的透鏡是計算機公司M0824-MPW2 工業(yè)透鏡。

3）光源。基于發(fā)光二極管（LED）技術的成熟，同時具有使用壽命長、功耗低、發(fā)熱少且亮度穩(wěn)定的優(yōu)點，選用LED 條形光源的型號為AFT—WL25537-19W，并選用數(shù)字光源控制器為LED 供電，型號為AFT-DLP2430-02TS。

2 監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計

在硬件設計基礎上，以MATLAB 為開發(fā)工具，建立了該監(jiān)控系統(tǒng)的接口，并進行了監(jiān)控軟件的開發(fā)，同時采用計算機視覺技術對冶金吊車制動裝置進行了故障診斷，其過程是：

1）在此基礎上，利用機器視覺及起重機監(jiān)測系統(tǒng)，對制動器的制動力矩、推桿位移、制動時間、制動次數(shù)及制動裝置的設計尺寸等進行了測量，并建立了相應的數(shù)據(jù)集。

2）以制動器的狀態(tài)為基礎，對制動力矩、推桿位移量、制動時間報警閾值區(qū)間進行設定，并對數(shù)據(jù)集中的各個參數(shù)進行判定，當超過了報警值時，系統(tǒng)會發(fā)出報警。

3）將現(xiàn)有的制動系統(tǒng)數(shù)據(jù)樣本分為x 組，以y 組為訓練樣本，以x-y 組為檢驗樣本，將其輸入到人工神經(jīng)網(wǎng)絡訓練模型中，并對其進行檢驗[1-2]。

4）通過對制動過程中摩擦系數(shù)、起升重量、峰值溫度等多個物理量進行辨識，并與制動過程中產(chǎn)生的故障信息相融合，實現(xiàn)制動過程中制動過程中制動過程中制動系統(tǒng)的故障診斷。因此系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作流程如圖

3 冶金起重機多維健康監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 多維數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)

多維數(shù)據(jù)的采集收集，重點是對安全操作參數(shù)和制動器位移，振動，應變等進行了收集和分析，通過對傳感器和收集裝置的選取，如OPC，Modbus，UDP，TCP/IP 等協(xié)議。首先采用西門子S7-1500 PLC 和NIOPC 服務器實現(xiàn)了對冶金起重機安全操作參數(shù)的設置，然后采用LabVIEW 編制了一個采集程序，實現(xiàn)了操作參數(shù)的獲取，LabVIEW 采用了DataSocket 模式，對OPC 數(shù)據(jù)進行了掃描和讀取。

冶金起重機的制動器的采集數(shù)據(jù)，主要是根據(jù)兩個方面的內(nèi)容：一是根據(jù)視覺圖像來監(jiān)測制動器的彈簧力，二是根據(jù)磁致伸縮傳感器來監(jiān)測制動器液壓缸的推桿行程。利用Modbus TCP 協(xié)議，傳送和處理磁致伸縮傳感器的數(shù)據(jù)，并利用IMAQ 技術，與工業(yè)攝像機相連，實現(xiàn)監(jiān)控和定時截圖，如圖2 所示。

圖2 制動器行程數(shù)據(jù)采集

采用光纖光柵傳感器對冶金起重機鋼結構的應變數(shù)據(jù)進行采集，對其進行UDP 通信，并對其頻譜信號進行分析和提取，最終利用波長- 應變轉換公式將其轉化為結構應變數(shù)據(jù)。

3.2 健康監(jiān)測分析實現(xiàn)

結合光纖波長和應變變換的方法，獲取鋼結構的微應變值，并將其等效轉化為實際的應力，進而對其進行雨流技術，最后結合雨流計數(shù)和殘余波形處理，實現(xiàn)其健康監(jiān)測的在線分析。

在對應力數(shù)據(jù)的幅值計數(shù)結果進行分析后，將所得應力振幅數(shù)據(jù)代入到材料的S-N 曲線中，得出在該振幅下所造成的損傷，再與該振幅的總頻次相乘，得出該振幅下造成的總損傷，再通過Miner 線性疲勞損傷理論將全部振幅的損傷結果疊加，得出總的損傷結果，進而得出在歷史時間范圍內(nèi)造成的鋼結構損傷，并估算其剩余使用壽命[3-4]。

3.3 冶金起重機多維健康監(jiān)測的系統(tǒng)應用

在型號為2#200/63T 的冶金起重機上進行了多維度的健康監(jiān)控，并進行了實驗。該冶金起重機的最大起重是205 t，最大吊裝高度是35 m，起吊機構的最大速度是12.6 m/min，而車輛的最大運轉速度是8 m/min。

冶金起重機多維健康監(jiān)控系統(tǒng)，不但可以對多維參數(shù)展開實時采集，而且還可以對工作參數(shù)和制動器圖像等數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控和顯示，這樣就可以讓操作人員更容易、更直觀地了解到冶金起重機的實時狀態(tài)。除了可以對基本操作參數(shù)與狀態(tài)參數(shù)展開實時監(jiān)控和顯示之外，還可以對結構應力數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)曲線趨勢的顯示，從而對冶金起重機的結構應變與振動數(shù)據(jù)變化趨勢進行直觀的分析。另外，冶金起重機多維健康監(jiān)測系統(tǒng)，通過所采數(shù)據(jù)，可以對冶金起重機的狀態(tài)展開監(jiān)測，具體內(nèi)容如下：起重量的起重超限報警、起升高度狀態(tài)監(jiān)測、各類故障狀態(tài)監(jiān)測、設備限位報警信息，還可以通過一系列的結構應力數(shù)據(jù)分析，對冶金起重機的健康狀態(tài)展開在線監(jiān)測。

4 經(jīng)濟效益

上述冶金起重機監(jiān)測系統(tǒng)可以對冶金起重機的狀態(tài)展開監(jiān)測，通過在型號為2 號200/63T 的冶金起重機上進行了應用后，6 個月時間里，因為該設備可以對起重量的起重超限報警、起升高度狀態(tài)監(jiān)測、各類故障狀態(tài)監(jiān)測、設備限位報警信息等進行監(jiān)控，使起重機操作員工提前發(fā)現(xiàn)問題所在，總體應用效果很好。通過上述應用，降低了因各類故障引起的檢修次數(shù)，減少了零配件的損耗；并有效降低了冶金起重機的設備故障停機率，保證企業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定運行；有效延長了以前故障頻發(fā)配件的使用周期，降低了人工維修成本。通過對上述經(jīng)濟效益估算：通過上述冶金起重機監(jiān)測系統(tǒng)的應用，可以使檢修周期比以前延長50%，使以前故障頻發(fā)配件周期提升30%計算，每年可以節(jié)約檢修費用29 萬元，配件費用92 萬元，總計每年綜合節(jié)約費用121 萬元。

5 結論

1）通過對冶金起重機制動器健康監(jiān)測系統(tǒng)硬件合理設計，確定精確的硬件選型，為系統(tǒng)正常工作鋪墊了前提。

2）結合MATLAB 平臺搭建系統(tǒng)界面，完成監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計，將多維健康系統(tǒng)進行實際應用得知：冶金起重機制動器健康監(jiān)測系統(tǒng)不僅能夠實現(xiàn)對多維數(shù)據(jù)的采集，同時能夠對應力數(shù)據(jù)進行在線分析從而實現(xiàn)實時在線健康監(jiān)測，且分析結果穩(wěn)定可靠。

3）通過上述冶金起重機監(jiān)測系統(tǒng)在某企業(yè)的應用，可以使檢修周期比以前延長50%，使以前故障頻發(fā)配件周期提升30%計算，每年可以節(jié)約檢修費用29 萬元，配件費用92 萬元，總計每年綜合節(jié)約費用121 萬元。