起重機(jī)鋼索實(shí)時(shí)檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)

李桂英 張榮江 張?jiān)鲕?/p>

（1.張家口市安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局，河北 張家口075000；2.宣化鋼鐵工程公司，河北 張家口075000）

1 引 言

起重機(jī)鋼索在建筑及其他行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，起重機(jī)鋼索的完好情況和承載能力直接關(guān)系到人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全.目前采用的人工直觀檢測(cè)、定期強(qiáng)制更換以及無(wú)損探傷的方法來(lái)保證安全生產(chǎn)，均不具備實(shí)時(shí)檢測(cè)和報(bào)警的功能.結(jié)果是安全得不到保證，又浪費(fèi)財(cái)力物力資源.采用虛擬儀器的方法，利用必要的傳感器和A／D轉(zhuǎn)化模塊等先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)，實(shí)時(shí)檢測(cè)、報(bào)警，達(dá)到了安全生產(chǎn)的目的，節(jié)省了成本，方便了操作.

2 軟件算法設(shè)計(jì)

以下重點(diǎn)介紹實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)控算法.

起重機(jī)鋼索在工作中是按照循環(huán)往復(fù)規(guī)律運(yùn)動(dòng)的，起重機(jī)鋼索循環(huán)傳動(dòng)一周的長(zhǎng)度是固定的，對(duì)其檢測(cè)時(shí)，單次的數(shù)據(jù)采樣應(yīng)以起重機(jī)鋼索傳動(dòng)一周的長(zhǎng)度為準(zhǔn).但應(yīng)忽略在起重機(jī)鋼索的斷頭連接處檢測(cè)到的斷絲，遇此不應(yīng)該報(bào)警.圖1為實(shí)時(shí)檢測(cè)示意圖.

圖1 在線檢測(cè)示意圖

自動(dòng)監(jiān)控的算法描述如下：

設(shè)置待檢起重機(jī)鋼索的長(zhǎng)度為l，在檢測(cè)長(zhǎng)度內(nèi)的停止時(shí)間為t1，檢測(cè)長(zhǎng)度外的停止時(shí)間為t2，自動(dòng)保存時(shí)間為T(mén)1，并設(shè)置斷絲報(bào)警下限n1和斷絲數(shù)報(bào)警上限n2；

（2）當(dāng)起重機(jī)鋼索被牽引運(yùn)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始采樣，如果斷絲根數(shù)n滿(mǎn)足n1≤n2≤n3時(shí)，開(kāi)始報(bào)警，并記錄斷絲位置；

（3）如果系統(tǒng)時(shí)間到達(dá)T1，則設(shè)置Flag＝T；

（4）當(dāng)檢測(cè)速度V＝0且檢測(cè)長(zhǎng)度L＜l時(shí)，如果停留時(shí)間T＜t1，可以繼續(xù)采樣；否則，如果Flag＝T，則設(shè)置Flag＝F并自動(dòng)保存，并清除采樣數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)至第（2）步；

（5）當(dāng)檢測(cè)速度V＝0且檢測(cè)長(zhǎng)度L≥l，如果停留時(shí)間T＜t2，可以繼續(xù)采樣；否則，如果Flag＝T，則設(shè)置Flag＝F并自動(dòng)保存，清除采樣數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)至第（2）步.

3 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由3個(gè)模塊組成：傳感器模塊、A／D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸模塊以及檢測(cè)分析報(bào)警軟件.其簡(jiǎn)單工作原理如下：傳感器對(duì)起重機(jī)鋼索數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，輸出檢測(cè)信號(hào)和同步信號(hào)，在同步信號(hào)的控制下，利用A／D模塊進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)化，并通過(guò)RS232串口向PC傳輸數(shù)據(jù)，最后，檢測(cè)分析報(bào)警軟件接收數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，分析數(shù)據(jù)對(duì)安全隱患及時(shí)報(bào)警，同時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù).

3.1 傳感器模塊

目前世界上的主流起重機(jī)鋼索無(wú)損檢測(cè)儀器均基于磁性無(wú)損檢測(cè)方法，本文也采用該原理進(jìn)行檢測(cè).先通過(guò)永久磁鐵把起重機(jī)鋼索磁化至飽和，原理如圖2所示.

圖2 傳感器檢測(cè)原理圖

在局部損傷（LF）檢測(cè)中，起重機(jī)鋼索中的斷絲和銹蝕損傷會(huì)產(chǎn)生向外泄露的漏磁場(chǎng)，環(huán)狀聚磁器將空間分布的強(qiáng)弱漏磁信號(hào)聚集，并將其引導(dǎo)到多個(gè)LF檢測(cè)霍爾元件組成的檢測(cè)回路中.在金屬截面積損耗（LMA）檢測(cè)中，起重機(jī)鋼索中的銹蝕和磨損引起的金屬截面積的變化使磁橋路的平衡破壞，磁橋路的磁通量發(fā)生變化，由于LMA檢測(cè)霍爾元件置于磁橋路的平衡點(diǎn)，它能接受磁通量微小變化的信號(hào).通過(guò)檢測(cè)霍爾元件電壓的變化，可以間接測(cè)得LF和LMA信號(hào)，霍爾元件的輸出電勢(shì)表示為：

公式中，KH為霍爾元件的靈敏度系數(shù)，取決于霍爾元件的材料及其厚度；

I為霍爾元件的驅(qū)動(dòng)電流，

B為沿霍爾元件表面法向的漏磁感應(yīng)強(qiáng)度.

傳感器前端與起重機(jī)鋼索緊密接觸處有導(dǎo)輪，導(dǎo)輪中安裝有編碼器，與導(dǎo)輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，并產(chǎn)生脈沖信號(hào)，作為檢測(cè)的同步信號(hào)，通過(guò)導(dǎo)輪與起重機(jī)鋼索的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可以反映出已測(cè)起重機(jī)鋼索的長(zhǎng)度.

3.2 A／D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸模塊

A／D轉(zhuǎn)換器件采用的是MAXl86，MAXl86將8通道模擬開(kāi)關(guān)、大帶寬跟蹤、保持電路、A／D轉(zhuǎn)換器和移位寄存器集成到一片20腳雙列直插芯片上，消除了傳輸誤差，大大提高了采樣精度和轉(zhuǎn)換精度.它用5 V單電源或土5 V雙電源供電，模擬輸入可由軟件設(shè)置為單或雙極性和單端或差分兩種輸入轉(zhuǎn)換方式.DIN用作串行信號(hào)輸入，DOUT用作串行信號(hào)輸出.

模塊與PC機(jī)的通信采用RS232通信標(biāo)準(zhǔn)，其中RS232電平和TTL電平間的轉(zhuǎn)換通過(guò)MAX202［4］芯片完成.MAX202是一種低功耗、單電源雙RS232發(fā)送／接收器.適用于各種EIA—232E和V.28／V.24的通信接口.MAX202芯片有一個(gè)電源變換器，可以把輸入的＋5 V電源變換成RS232輸出電壓所需的土10 V電壓.TIN、ROUT分別作為T(mén)TL電平輸入和輸出，它的RIN引腳和TOUT引腳分別作為RS232標(biāo)準(zhǔn)電平輸入和輸出.

單片機(jī)采用 W78E58B［6］，它是8位單片機(jī)，內(nèi)含32KB Flash／EEPROM，其引腳功能與8051系列單片機(jī)完全兼容.系統(tǒng)原理圖如圖3所示.

圖3 系統(tǒng)原理圖

3.3 分析報(bào)警軟件

軟件主要包括以下幾個(gè)功能模塊：

（1）實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)控.在實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)控時(shí)，操作員可以預(yù)先設(shè)置檢測(cè)的起重機(jī)鋼索長(zhǎng)度，在檢測(cè)長(zhǎng)度的范圍內(nèi)外各設(shè)置一個(gè)時(shí)間.在檢測(cè)過(guò)程中，傳感器導(dǎo)輪中間可以停止轉(zhuǎn)動(dòng)，但當(dāng)停止時(shí)間超過(guò)預(yù)先設(shè)置的時(shí)間值時(shí)便開(kāi)始下一次采樣，操作員可預(yù)先設(shè)置保存的時(shí)間，當(dāng)系統(tǒng)時(shí)間到達(dá)該時(shí)間時(shí)進(jìn)行自動(dòng)保存，自動(dòng)監(jiān)控適合循環(huán)不間斷檢測(cè).監(jiān)控中，當(dāng)檢測(cè)的斷絲根數(shù)超過(guò)閾值時(shí)，系統(tǒng)都會(huì)進(jìn)行報(bào)警.當(dāng)然，該軟件也可以實(shí)現(xiàn)人工監(jiān)控功能.

（2）視頻瀏覽.通過(guò)瀏覽可以對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行人工觀測(cè)，了解起重機(jī)鋼索總體的特性.視頻瀏覽有兩種：全屏瀏覽和分屏瀏覽.在全屏瀏覽中，操作員可以能夠?qū)λ胁蓸訑?shù)據(jù)，包括鋼索局部損傷評(píng)估數(shù)據(jù)和金屬截面積損耗評(píng)估數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要對(duì)視圖進(jìn)行移動(dòng)、放大和打??；分屏瀏覽只對(duì)局部損傷評(píng)估數(shù)據(jù)做分屏的詳細(xì)瀏覽，每屏中有足夠多個(gè)數(shù)據(jù)用來(lái)分析使用.

（3）局部損傷評(píng)估報(bào)告.該功能模塊是根據(jù)用戶(hù)預(yù)先設(shè)置的起重機(jī)鋼索參數(shù)來(lái)對(duì)起重機(jī)鋼索斷絲情況進(jìn)行評(píng)估，判斷斷絲的位置和根數(shù)，操作員可以根據(jù)實(shí)際情況選擇自動(dòng)分析或人工分析，分析結(jié)束后，軟件可以根據(jù)分析的結(jié)果自動(dòng)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)化報(bào)告.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在實(shí)驗(yàn)中選取一根φ24（6×7）結(jié)構(gòu)的起重機(jī)鋼索樣繩，并在一特定位置做出斷絲和磨損，指定每天25點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)保存，在線檢測(cè)60天，然后使用該系統(tǒng)測(cè)定、分析.局部損傷統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示.

表1 局部損傷評(píng)估統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表中，正號(hào)表示錯(cuò)判，負(fù)號(hào)表示漏判.不難看出，當(dāng)要求無(wú)錯(cuò)判時(shí)，斷絲定量準(zhǔn)判率為94%；當(dāng)允許誤差為1根時(shí)，斷絲定量準(zhǔn)判率為100%，符合設(shè)計(jì)與實(shí)際要求.同時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)也對(duì)斷絲進(jìn)行了實(shí)時(shí)報(bào)警.

5 結(jié) 論

針對(duì)起重機(jī)鋼索可能出現(xiàn)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)，并對(duì)斷絲進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)，該系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)起重機(jī)鋼索的局部損傷評(píng)估并作出相應(yīng)的報(bào)告，同時(shí)系統(tǒng)還提供了視頻瀏覽等功能.實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)具有準(zhǔn)確的局部損傷評(píng)估，符合設(shè)計(jì)要求，操作方便，可以應(yīng)用在起重機(jī)鋼索檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)中.

［1］周寧.起重機(jī)鋼索無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究［D］.北京：北京郵電大學(xué)，2007

［2］陳輝，王新虎，馮耀榮，等.起重機(jī)鋼索無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀［J］.石油工程建設(shè)，2006，62～65

［3］趙繼文.傳感器與應(yīng)用電路設(shè)計(jì)［M］.北京：科學(xué)出版社，2002：11～15

［4］顏榮江，詹樹(shù)仁.MAXIM熱門(mén)集成電路使用手冊(cè)［Z］.北京：人民郵電出版社，1999

［5］張盛福，王喜斌，張鵬.華邦51單片機(jī)原理及應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005：31～67

［6］王長(zhǎng)龍，陳鵬，劉美全，等.漏磁信號(hào)特征提取及檢測(cè)研究［J］.軍械工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，1～4

［7］張小全，劉云翔，肖立中.鋼絲繩在線不間斷檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)研究［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2009，2413～2416