“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下基于傳感器構(gòu)建的輸送皮帶智能維護(hù)建設(shè)系統(tǒng)

王 凱

（山西汾西工程建設(shè)有限責(zé)任公司， 山西 介休 032000）

引言

隨著工業(yè)領(lǐng)域技術(shù)的高速發(fā)展，很多關(guān)鍵部件逐步開(kāi)始向高智能化的方向轉(zhuǎn)變。很多工程項(xiàng)目會(huì)用到皮帶傳輸系統(tǒng)，所以可靠的傳送帶和軸承對(duì)于提高工程效率有很重要的影響[1]。帶式運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)具有多種可能的失效模式。這些包括磨損或污染表面的貝爾滑移、張力層故障（如彈性模量分布不均勻）等。研究表明，隨著滑移量的增大，帶振動(dòng)的傅里葉分解會(huì)發(fā)生變化。帶縫等形式的張拉不均勻性影響皮帶的振動(dòng)特性。相關(guān)研究還表明，在與系統(tǒng)滑輪接觸的金屬帶上存在以焊接形式存在的物體對(duì)皮帶振動(dòng)產(chǎn)生影響，所述的失效模式均對(duì)安裝滑輪的振動(dòng)產(chǎn)生影響[2]。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)（CM）通過(guò)不斷獲取和分析過(guò)程中的信號(hào)來(lái)診斷故障。一般來(lái)說(shuō)，CM被認(rèn)為是一種有效的維護(hù)策略自動(dòng)化策略，因?yàn)樗梢蕴崆盎蛟跈C(jī)器其部件達(dá)到臨界狀態(tài)之前提供機(jī)器故障信息，以便及時(shí)采取適當(dāng)?shù)木S護(hù)措施[3]。特別是由于這一技術(shù)高效、有效的特點(diǎn)，移動(dòng)帶更是實(shí)施CM策略的幾個(gè)重要途徑之一[4]。本研究的重點(diǎn)是帶的CM及其張力的變化，工程和科學(xué)正朝著各個(gè)方向發(fā)展。與工程的大多數(shù)領(lǐng)域一樣，狀態(tài)監(jiān)測(cè)的新技術(shù)正在出現(xiàn)，許多機(jī)構(gòu)一直積極投入人力和財(cái)力，致力于開(kāi)發(fā)更好、更智能的對(duì)角線測(cè)量系統(tǒng)，以監(jiān)測(cè)過(guò)程的惡化，并預(yù)測(cè)其失效可能。與僅使用一種方法來(lái)改進(jìn)現(xiàn)有系統(tǒng)的情況相比，組合許多解決方案和技術(shù)通?？梢援a(chǎn)生更有效的系統(tǒng)。特別是在CM中，可以通過(guò)將各種傳感器集成在一起來(lái)實(shí)現(xiàn)更智能的維護(hù)系統(tǒng)。本文通過(guò)橫向集成各種非同構(gòu)技術(shù)來(lái)擴(kuò)展此思想，以實(shí)現(xiàn)更智能的配置管理系統(tǒng)和一個(gè)更智能的維護(hù)系統(tǒng)。

1 檢測(cè)皮帶張力的變化的理論基礎(chǔ)

在設(shè)計(jì)和傳動(dòng)皮帶維護(hù)時(shí)，固定帶內(nèi)的張力（即“初始張力”）是一個(gè)重要的因素。如果初始張力太高那么組件連接到驅(qū)動(dòng)程序可能由于接觸過(guò)大的壓力而被損壞。如果初始張力過(guò)低限制了最大功率，可以通過(guò)皮帶傳動(dòng)，這可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)度滑移的發(fā)生，打滑會(huì)加速帶表面的磨損，同時(shí)也會(huì)影響帶的使用壽命和能效。為了執(zhí)行帶傳動(dòng)的狀態(tài)檢修，一旦檢測(cè)到帶傳動(dòng)變量（如初始張力）的變化，就有必要對(duì)這些變化進(jìn)行及時(shí)分析，并據(jù)此安排檢修任務(wù)。研究表明，皮帶傳動(dòng)的橫向振動(dòng)特性受多種變量的影響。為了方便準(zhǔn)確地測(cè)量初始皮帶張力，開(kāi)發(fā)了一種測(cè)量固定帶的共振頻率的裝置。該方法要求激發(fā)帶的共振頻率。帶跨的共振振動(dòng)可以通過(guò)使帶近似于單位脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)。單位脈沖近似是通過(guò)一個(gè)跨越和一個(gè)對(duì)象之間的分割產(chǎn)生的，例如螺線管的往復(fù)元件。當(dāng)帶在運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶的橫向振動(dòng)是通過(guò)參數(shù)化等方法產(chǎn)生的。

2 基于互聯(lián)網(wǎng)的綜合狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架

如下頁(yè)圖1所示，該系統(tǒng)是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)（e-CM）原型，它成功地識(shí)別了移動(dòng)帶中的異常張力。從光學(xué)傳感器獲得的信號(hào)描述了自動(dòng)分揀機(jī)中傳送帶的振動(dòng)。結(jié)果表明，運(yùn)動(dòng)帶中張力的變化是可以改變的，不需要應(yīng)用現(xiàn)有的技術(shù)就可以檢測(cè)到，這些技術(shù)需要將傳動(dòng)帶激活到它們的固有頻率。因此，不像現(xiàn)有的技術(shù)，需要干擾傳動(dòng)帶的固有工作，本文的方法允許傳送帶保持運(yùn)動(dòng)。這是應(yīng)用通過(guò)檢測(cè)來(lái)自光學(xué)傳感器的信號(hào)來(lái)確定皮帶張力狀態(tài)而得到的。對(duì)于連接系統(tǒng)組件、處理器、數(shù)據(jù)獲取板和傳感器，使用XML為傳感器信息創(chuàng)建單一標(biāo)準(zhǔn)格式的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信。這種安排允許傳感器通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與過(guò)程控制器連接。它還需要少量的電纜連接傳感器到個(gè)人電腦運(yùn)行軟件。最后，為了進(jìn)一步降低成本，一個(gè)新的通用低成本微控制器板被用于數(shù)據(jù)采集，而另一個(gè)低成本微控制器板與一個(gè)內(nèi)置的以太網(wǎng)鏈路被用于直接連接互聯(lián)網(wǎng)。

圖1 基于互聯(lián)網(wǎng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)（e-CM）系統(tǒng)

系統(tǒng)的主要組成部分包括以下幾部分：用于監(jiān)測(cè)皮帶張力的傳感器群；用于獲取和預(yù)處理傳感器值的微控制器板；一個(gè)連接到因特網(wǎng)的微控制器板；一個(gè)PC預(yù)裝了MATLAB軟件，實(shí)現(xiàn)了軟件的檢測(cè)和連接到互聯(lián)網(wǎng)。

由英國(guó)智能工程系統(tǒng)（IENSYS）有限公司生產(chǎn)的A030601型微控制器板是用于數(shù)據(jù)采集和控制的通用板。該板是基于231PIC18F458單片機(jī)。該微控制器有多達(dá)8個(gè)模擬輸入通道和一個(gè)10位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器。該板具有34個(gè)數(shù)字輸入/輸出（1/O）引腳，還包括RS232和CAN支持，符合ISO CAN一致性測(cè)試。該微控制器可以使用微芯片在線調(diào)試器（CD2）進(jìn)行編程。開(kāi)發(fā)環(huán)境為單片機(jī)MPLAB，程序可采用匯編語(yǔ)言或C語(yǔ)言編寫(xiě)。該板還具有一個(gè)達(dá)拉斯單線總線和一個(gè)嵌入式單線達(dá)拉斯DS2438Z電池監(jiān)控芯片。使用這種芯片來(lái)監(jiān)測(cè)其溫度用于自診斷的直流輸入電壓和調(diào)節(jié)直流電壓。另一個(gè)微控制器板，由瑞典axis通信公司開(kāi)發(fā)，用于與嵌入式Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)連接。該板由兩個(gè)RS232、兩個(gè)并行和一個(gè)RS485接口組成，并帶有一個(gè)支持通用網(wǎng)關(guān)接口（CGI）的web服務(wù)器，用于合并動(dòng)態(tài)內(nèi)容。MATLAB程序通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的請(qǐng)求。一個(gè)用C語(yǔ)言編寫(xiě)的CGI程序在開(kāi)發(fā)板上接收這個(gè)請(qǐng)求并從CAN主機(jī)獲取傳感器數(shù)據(jù)，CAN主機(jī)通過(guò)RS232從傳感器收集數(shù)據(jù)。所有傳感器數(shù)據(jù)更新后，CGI程序?qū)⑵浜喜⒌絏ML文檔中（見(jiàn)圖2）。XML被用來(lái)描述傳感器的特性，這是HTML做不到的。該系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，即使切換到其他工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，也會(huì)創(chuàng)建相同的XML文檔。這意味著唯一需要改變的是數(shù)據(jù)采集部分，而剩下的軟件和硬件將都是統(tǒng)一使用的。

圖2 皮帶系統(tǒng)中用于傳感器的基本表示的XML標(biāo)記

一旦準(zhǔn)備就緒，XML文檔將被發(fā)送到MATLAB程序進(jìn)行解析，以便提取傳感器數(shù)據(jù)并將其提供給算法進(jìn)行進(jìn)一步處理。如果請(qǐng)求是由web瀏覽器發(fā)送的，那么web瀏覽器上的響應(yīng)將類(lèi)似于圖2所示的快照。唯一的區(qū)別是，圖2中斜體顯示的變量將被實(shí)際的最近值替換。大量的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和控制，例如CAN現(xiàn)場(chǎng)總線等。所有這些網(wǎng)絡(luò)都有不同的協(xié)議，因此它們不能互相通信。業(yè)界越來(lái)越認(rèn)識(shí)到，必須有一個(gè)開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)支持不同工業(yè)網(wǎng)絡(luò)之間的互操作性。市場(chǎng)上已有的解決方案提供了有限的功能和支持。這里使用XML作為各種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)之間信息集成的解決方案，特別是對(duì)于e-CM。通過(guò)這種方法，來(lái)自不同行業(yè)的傳感器數(shù)據(jù)可以轉(zhuǎn)換成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的XML文檔，以便定義傳感器和傳感器提供的信息。

3 結(jié)論

使用了e-CM的各種新技術(shù)，在不激勵(lì)帶跨固有頻率的情況下，對(duì)運(yùn)動(dòng)帶跨的橫向振動(dòng)進(jìn)行了新穎檢測(cè)。通過(guò)巧妙地結(jié)合合適的振動(dòng)傳感器、振動(dòng)特性、低成本的數(shù)據(jù)采集和通信XML標(biāo)準(zhǔn)，獲得了一種經(jīng)濟(jì)有效的維護(hù)解決方案。由此產(chǎn)生的皮帶檢測(cè)維護(hù)方法更有效率。因?yàn)?，它不僅可以最小化過(guò)程中斷造成的時(shí)間浪費(fèi)，直接檢驗(yàn)并獲得高檢測(cè)精度（99.67%）；而且可以提供在線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，在一個(gè)廣闊的區(qū)域內(nèi)可伸縮地安排相對(duì)大量的傳感器。這種改進(jìn)在應(yīng)用關(guān)鍵組件時(shí)尤為重要。