冶金起重機(jī)多維健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)*

鄭惠澤 丁克勤 孫振山 趙利強(qiáng)

1 北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 北京 100029 2 中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100013

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，冶金行業(yè)也逐漸向大體量、高效率、強(qiáng)安全的方向發(fā)展。冶金起重機(jī)是冶金行業(yè)中最關(guān)鍵的設(shè)備之一，其運(yùn)行狀況會(huì)直接關(guān)系到生產(chǎn)能力與生產(chǎn)效率，故其工作安全性、可靠性、快速性以及先進(jìn)性一直受到普遍重視。冶金起重機(jī)長時(shí)間在高溫、高粉塵的環(huán)境中工作，且為保證生產(chǎn)效率長期連續(xù)運(yùn)行吊運(yùn)物料，極易引起其鋼結(jié)構(gòu)的疲勞損傷和磨損損傷，從而導(dǎo)致生產(chǎn)安全事故的發(fā)生，造成人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失[1]。對冶金起重機(jī)關(guān)鍵部位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析能有效預(yù)防其鋼結(jié)構(gòu)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(jī)作業(yè)時(shí)的管理安全性，同時(shí)也能實(shí)時(shí)監(jiān)控并管理相關(guān)的起重設(shè)備[2]。

目前，冶金起重機(jī)在健康狀態(tài)監(jiān)測方面已經(jīng)有許多相關(guān)研究。皮坤等[3]基于 PLC 系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)信號(hào)采集，通過無線傳輸+有線傳輸?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)對起重機(jī)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測；Kishore K 等[4]應(yīng)用多學(xué)科方法對冶金起重機(jī)的吊鉤故障進(jìn)行分析，利用有限元分析對槽口應(yīng)力進(jìn)行量化；此外，許多研究工作者根據(jù)冶金起重機(jī)的橋架結(jié)構(gòu)[5-7]、吊繩狀況[8，9]、振動(dòng)運(yùn)行參數(shù)[10-12]和應(yīng)力運(yùn)行參數(shù)[13，14]等方面對冶金起重機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)或建模分析，以監(jiān)控和提升冶金起重機(jī)的安全性。

以上研究分析了冶金起重機(jī)的單一故障，并應(yīng)用有限元分析、建模設(shè)計(jì)與分析等方法研究了采集數(shù)據(jù)與其相關(guān)故障之間的關(guān)系，積累了冶金起重機(jī)的故障數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)起重機(jī)的故障監(jiān)測提供了經(jīng)驗(yàn)，從而提升了起重機(jī)的運(yùn)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(jī)的部分健康狀態(tài)信息，不能對冶金起重機(jī)的整體健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測；只能預(yù)防部分事故的發(fā)生，不能對冶金起重機(jī)的整體健康進(jìn)行監(jiān)測。同時(shí)，單一維度參數(shù)的采集對故障發(fā)生后多項(xiàng)參數(shù)的聯(lián)合溯因分析造成了不便，降低了冶金起重機(jī)健康監(jiān)測的穩(wěn)定性、安全性、準(zhǔn)確性和參數(shù)多樣性。因此，需要一種能夠采集并監(jiān)測冶金起重機(jī)多維健康參數(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)。

本文設(shè)計(jì)了一種冶金起重機(jī)的多維健康監(jiān)測系統(tǒng)，對參數(shù)采集位置進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出相應(yīng)軟件設(shè)計(jì)思路，并基于多視圖一體化方法對所采集的多維健康參數(shù)進(jìn)行分析顯示并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器。

1 冶金起重機(jī)多維健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 多視圖一體化方法

冶金起重機(jī)的多維度健康監(jiān)測數(shù)據(jù)包含不同類型、不同監(jiān)測位置的多種數(shù)據(jù)，而不同數(shù)據(jù)對于冶金起重機(jī)的健康狀態(tài)表征具有不同的表示方式和不同的健康評估范圍，故應(yīng)綜合考慮多維度的數(shù)據(jù)以便對健康狀態(tài)進(jìn)行評估與展示。

多視圖一體化方法利用冶金起重機(jī)的多維度數(shù)據(jù)創(chuàng)建不同的健康狀態(tài)評估視圖評估冶金起重機(jī)的健康狀態(tài)，即多視圖一體化方法擁有極大自由性，可跟隨所輸入的經(jīng)驗(yàn)規(guī)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(dāng)在軟件中輸入多種規(guī)則時(shí)，軟件根據(jù)所輸入規(guī)則進(jìn)行參數(shù)判斷，并配置相關(guān)參數(shù)，設(shè)置相對應(yīng)的公式以實(shí)現(xiàn)對多維健康數(shù)據(jù)的評估與健康監(jiān)測，建立與規(guī)則相對應(yīng)的健康評估視圖。根據(jù)對應(yīng)規(guī)則設(shè)置相關(guān)參數(shù)分類與展示方法，從而實(shí)現(xiàn)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(yùn)行原理，多視圖一體化方法根據(jù)輸入的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則對健康狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行分類，并建立相應(yīng)的視圖來分別顯示每類數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及曲線。在每個(gè)視圖中單獨(dú)建立其曲線圖，將符合健康評估經(jīng)驗(yàn)公式的數(shù)據(jù)通過公式轉(zhuǎn)換顯示在同一張曲線圖上。此外，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式得到的數(shù)據(jù)能計(jì)算得到相應(yīng)的上下限，進(jìn)而可根據(jù)其上下限來識(shí)別當(dāng)前冶金起重機(jī)的健康狀態(tài)，并結(jié)合多個(gè)視圖同時(shí)評估冶金起重機(jī)的健康狀態(tài)，使其具有對照參考，更具準(zhǔn)確性。

圖2 多視圖一體化方法原理

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

冶金起重機(jī)多維健康監(jiān)測系統(tǒng)主要由底層傳感采集系統(tǒng)和多維健康數(shù)據(jù)監(jiān)測分析軟件組成，其主要架構(gòu)如圖3 所示。其中，底層傳感采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)了主要健康參數(shù)的采集位置，多維健康數(shù)據(jù)監(jiān)測分析軟件對多維度參數(shù)加以存儲(chǔ)、分析和顯示，并選取部分關(guān)鍵參數(shù)上傳至服務(wù)器以供遠(yuǎn)程分析診斷。

圖3 冶金起重機(jī)多維健康監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

2 冶金起重機(jī)多維健康監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

冶金起重機(jī)多維健康監(jiān)測系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、展示、查詢和上傳等功能。因此，要設(shè)計(jì)底層采集傳感器的安裝位置及采集方式，并設(shè)計(jì)冶金起重機(jī)多維健康數(shù)據(jù)監(jiān)測分析軟件來對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示和分析，利用多視圖一體化方法進(jìn)行冶金起重機(jī)多維度健康分析評估。

2.1 底層傳感采集系統(tǒng)

冶金起重機(jī)多維健康監(jiān)測系統(tǒng)針對冶金起重機(jī)的特點(diǎn)進(jìn)行了傳感器采集位置的特有設(shè)計(jì)，選擇不同的傳感器采集相關(guān)采集位置的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)多維度參數(shù)的實(shí)時(shí)采集與監(jiān)測。冶金起重機(jī)多維度參數(shù)中許多關(guān)鍵參數(shù)能夠表征冶金起重機(jī)的健康狀態(tài)，故需對該類參數(shù)采集以保證采集參數(shù)的準(zhǔn)確性與代表性（見圖4）。冶金起重機(jī)在運(yùn)行過程中涉及許多過程狀態(tài)以及參數(shù)，不同運(yùn)行參數(shù)之間有互相關(guān)聯(lián)，一個(gè)參數(shù)的變化會(huì)引起其他參數(shù)同時(shí)變化。此外，部分運(yùn)行參數(shù)的異常變化是因其健康狀態(tài)發(fā)生改變引起的，對運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)采集有利于對冶金起重機(jī)健康狀態(tài)的分析診斷，故需對冶金起重機(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集。

圖4 底層傳感采集系統(tǒng)

為了準(zhǔn)確分析冶金起重機(jī)橋架結(jié)構(gòu)以及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)主梁在載荷下的受力情況，對冶金起重機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)位置加裝應(yīng)力傳感器以便采集應(yīng)力參數(shù)，測點(diǎn)位置應(yīng)設(shè)在鋼結(jié)構(gòu)極易弱化的位置，極易由于長時(shí)間運(yùn)行磨損導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)損傷以及其結(jié)構(gòu)不連續(xù)引起結(jié)構(gòu)損傷，故其應(yīng)變的變化能夠非常靈敏地反映冶金起重機(jī)的結(jié)構(gòu)健康。

此外，減速器對整個(gè)起重機(jī)的運(yùn)行性能有直接影響，一旦其發(fā)生失效，將導(dǎo)致整機(jī)無法正常工作，故對減速器振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集至關(guān)重要。制動(dòng)器在冶金起重機(jī)的運(yùn)行過程中可能會(huì)出現(xiàn)失效，其失效主要由機(jī)械部分失效和推動(dòng)器系統(tǒng)失效2 大因素引起的，所以分別采用不同的監(jiān)測方法對2 種參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，2 種參數(shù)結(jié)合分析易于分辨制動(dòng)器失效的具體原因。

結(jié)合應(yīng)力、振動(dòng)和制動(dòng)器行程以及冶金起重機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，從多維度對冶金起重機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。通過不同方式的采集，對冶金起重機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行綜合多方面分析，使操作人員對于冶金起重機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及健康狀態(tài)有更直觀的了解。

2.2 數(shù)據(jù)采集與健康評估設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

冶金起重機(jī)多維度健康監(jiān)測軟件是整個(gè)系統(tǒng)中關(guān)鍵的一環(huán)，在連接底層傳感器與遠(yuǎn)程服務(wù)器起到了紐帶的作用，通過冶金起重機(jī)多維度健康監(jiān)測軟件對底層傳感采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取并提取相應(yīng)的特征數(shù)據(jù)，采用多視圖一體化的方法對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行多視圖的分析與顯示，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)以供查詢，為大數(shù)據(jù)分析預(yù)留了接口與豐富的數(shù)據(jù)支撐。

通過軟件開發(fā)數(shù)據(jù)采集接口與傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊從而得到所需數(shù)據(jù)，并在軟件中對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，使數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可理解的形式并進(jìn)行數(shù)據(jù)展示與存儲(chǔ)，其采集協(xié)議如表1 所示。

表1 參數(shù)采集方案

如表1 所示，運(yùn)行參數(shù)通過Datasocket 方式將數(shù)值控件和布爾控件分別與PLC 中變量所對應(yīng)的OPC 服務(wù)器的地址綁定，并在界面上實(shí)時(shí)顯示冶金起重機(jī)的運(yùn)行參數(shù)、電流參數(shù)、擋位參數(shù)和限位參數(shù)等信息，操作員可通過該界面直觀地查看起重機(jī)各機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)。

此外，通過Modbus 協(xié)議采集到的應(yīng)力數(shù)據(jù)，設(shè)置Modbus 地址和端口號(hào)連接傳感器，根據(jù)起始地址提取應(yīng)力數(shù)值，對返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)組索引和強(qiáng)制數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換，取得表2 所示冶金起重機(jī)11 個(gè)通道的應(yīng)力值。

表2 應(yīng)變參數(shù)采集位置

通過TCP/IP 協(xié)議采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)，設(shè)置TCP 服務(wù)器地址和端口號(hào)連接傳感器，輸入讀取緩沖區(qū)的指令，接受字節(jié)數(shù)據(jù)，根據(jù)起始地址提取振動(dòng)數(shù)值，對返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)組索引，獲取表3 所示冶金起重機(jī)9 個(gè)通道的振動(dòng)值。

表3 振動(dòng)測點(diǎn)位置

通過Modbus 協(xié)議采集的制動(dòng)器行程數(shù)據(jù)，設(shè)置Modbus 地址和端口號(hào)連接傳感器，根據(jù)起始地址提取制動(dòng)器行程數(shù)值，對返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行強(qiáng)制數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換得到制動(dòng)器行程，對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)曲線的繪制，并結(jié)合制動(dòng)器的彈簧標(biāo)尺圖像評估冶金起重機(jī)制動(dòng)器的健康狀態(tài)，從而得到冶金起重機(jī)的健康狀態(tài)。

通過IMAQ 方式對工業(yè)攝像機(jī)的視頻圖像進(jìn)行截圖并存儲(chǔ)和發(fā)送。拍攝正對制動(dòng)器彈簧標(biāo)尺的圖片。圖5是通過工業(yè)攝像機(jī)拍攝的制動(dòng)器彈簧標(biāo)尺的圖像，編寫程序利用圖像進(jìn)行視覺分析，當(dāng)紅色指針位于綠色區(qū)域內(nèi)時(shí)表示制動(dòng)器彈簧標(biāo)尺工作正常，當(dāng)位于紅色區(qū)域內(nèi)時(shí)表示制動(dòng)器工作異常，并對冶金起重機(jī)的健康狀態(tài)進(jìn)行評估及報(bào)警。

圖5 視覺監(jiān)控制動(dòng)器彈簧圖像

此外，冶金起重機(jī)多維度健康監(jiān)測軟件布置在工業(yè)數(shù)據(jù)采集的邊緣端，通過減少數(shù)據(jù)采集傳輸過程的時(shí)間與距離，降低了由于長距離線纜傳輸過程中造成的數(shù)據(jù)信號(hào)丟失與錯(cuò)誤，有效提高了數(shù)據(jù)采集的可靠性與效率。

2.3 歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

冶金起重機(jī)的多維度健康監(jiān)測數(shù)據(jù)要進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的存儲(chǔ)，以供健康數(shù)據(jù)的分析調(diào)用，故需建立數(shù)據(jù)庫表實(shí)時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。冶金起重機(jī)數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、類型多，實(shí)時(shí)性要求較高的特性。因此，在冶金起重機(jī)多維度健康監(jiān)測系統(tǒng)中設(shè)有實(shí)時(shí)、歷史2 種類型的數(shù)據(jù)表，分別用來存儲(chǔ)實(shí)時(shí)過程數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。

如圖6 所示，歷史數(shù)據(jù)表分為實(shí)數(shù)類型和布爾類型2 個(gè)表，考慮到數(shù)據(jù)采集速率的快速性以及表的大小問題，系統(tǒng)設(shè)計(jì)為根據(jù)日期每日建立一個(gè)表，在每日凌晨零點(diǎn)檢查數(shù)據(jù)庫表是否建立，并建立最近2 d的歷史數(shù)據(jù)表。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表主要提供給軟件界面讀取顯示，在數(shù)據(jù)表中只有一條實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在不斷更新，由此便可避免因同時(shí)讀取與寫入造成的數(shù)據(jù)損傷影響歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

圖6 歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過程

2.4 多維健康數(shù)據(jù)上傳設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

冶金起重機(jī)多維度健康監(jiān)測軟件中同時(shí)包括數(shù)據(jù)上傳模塊來實(shí)現(xiàn)多維度健康數(shù)據(jù)的服務(wù)器上傳和服務(wù)器存儲(chǔ)。

軟件中的數(shù)據(jù)上傳模塊主要負(fù)責(zé)對冶金起重機(jī)的多維度數(shù)據(jù)進(jìn)行特征數(shù)據(jù)的上傳，易于集成在冶金起重機(jī)多維健康監(jiān)測軟件中，作為一個(gè)小模塊單獨(dú)運(yùn)行。數(shù)據(jù)上傳的方式采用隊(duì)列的形式來進(jìn)行，既能保證上傳命令響應(yīng)的及時(shí)性，又能保證上傳數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，其實(shí)現(xiàn)原理如圖7 所示。

圖7 數(shù)據(jù)上傳模塊運(yùn)行原理

如圖7 所示，當(dāng)數(shù)據(jù)上傳模塊讀取冶金起重機(jī)多維度健康數(shù)據(jù)監(jiān)測分析軟件中采集間隔時(shí)間后，開始等待采集指令的發(fā)出。當(dāng)數(shù)據(jù)開始采集時(shí)，發(fā)送數(shù)據(jù)上傳通知，檢測到數(shù)據(jù)上傳通知后將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行元素入棧，然后數(shù)據(jù)上傳模塊開始應(yīng)答，得到所需發(fā)送數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)的出棧與上傳。

3 冶金起重機(jī)多維度健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用

冶金起重機(jī)多維度健康數(shù)據(jù)監(jiān)測分析系統(tǒng)軟件使用LabVIEW 開發(fā)環(huán)境進(jìn)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(wěn)定性，也有出色的底層數(shù)據(jù)采集與通信能力，是開發(fā)測量或控制系統(tǒng)軟件的理想選擇。對于冶金起重機(jī)多維度健康數(shù)據(jù)的采集具有極大地易用性與實(shí)用性。

以某工廠冶金起重機(jī)進(jìn)行軟件系統(tǒng)的測試與應(yīng)用。由于采用了一條經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，故創(chuàng)建了一個(gè)數(shù)據(jù)展示視圖。如圖8 所示，在參數(shù)總覽界面對全部運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。

圖9 為應(yīng)力參數(shù)監(jiān)控界面，在應(yīng)力參數(shù)監(jiān)測界面以數(shù)組形式顯示通道號(hào)對應(yīng)值，實(shí)時(shí)顯示多個(gè)通道應(yīng)力值曲線，操作員可勾選曲線選項(xiàng)來顯示對應(yīng)的通道曲線。

圖9 應(yīng)力參數(shù)監(jiān)控界面

圖10 為9 個(gè)通道的振動(dòng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示和歷史數(shù)據(jù)曲線繪制，通過曲線可直觀地看到數(shù)據(jù)的變化趨勢。

圖10 振動(dòng)參數(shù)監(jiān)控界面

圖11 為制動(dòng)器位移數(shù)據(jù)的顯示和曲線。最終，全部特征數(shù)據(jù)按照協(xié)議數(shù)據(jù)上傳，其中數(shù)據(jù)類數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器頻率為2 s/次；圖像文件在新的圖像文件生成時(shí)依據(jù)RFC1867 協(xié)議來發(fā)送圖像文件；若無新的圖像文件生成時(shí)，則不進(jìn)行發(fā)送。

圖11 制動(dòng)器行程監(jiān)控界面

該系統(tǒng)已配置并安裝在一臺(tái)實(shí)際的冶金起重機(jī)上進(jìn)行參數(shù)的采集與存儲(chǔ)，實(shí)際運(yùn)行結(jié)果顯示該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)冶金起重機(jī)運(yùn)行多參數(shù)的集成一體化，包括PLC監(jiān)控值、應(yīng)力、振動(dòng)和制動(dòng)器行程多種數(shù)據(jù)發(fā)實(shí)時(shí)采集與顯示，便于對冶金起重機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行綜合多角度的評估，并可將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫及上傳到服務(wù)器供數(shù)據(jù)分析人員調(diào)用，增加了系統(tǒng)軟件使用的便捷性。

4 結(jié)論

1)通過在實(shí)際冶金起重機(jī)工作狀態(tài)下的測試，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)冶金起重機(jī)多維度健康數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與顯示，并能進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，既便于操作人員實(shí)時(shí)查看，也為后續(xù)數(shù)據(jù)分析提供了足夠的數(shù)據(jù)支撐。

2)系統(tǒng)從制動(dòng)器行程圖像和數(shù)值兩方面對制動(dòng)器的狀態(tài)進(jìn)行分析，有效解決以往制動(dòng)器問題難以溯源的問題。

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