起重機下滑量檢測系統(tǒng)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(shù)研究院）特種設備檢驗技術(shù)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(yè)領(lǐng)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(tài)下運轉(zhuǎn)，往往會出現(xiàn)各種問題影響到生產(chǎn)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(guān)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(nèi)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(guān)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(tǒng)成為起重機應用企業(yè)所需要思考的問題。

1 下滑量檢測系統(tǒng)方案設計

1.1 檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

本次系統(tǒng)設計以功能性模塊為主，具體功能模塊包含數(shù)據(jù)采集模塊、傳輸模塊、儲存模塊、供電模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊和顯示模塊。數(shù)據(jù)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(tài)進行檢測，電源模塊是為系統(tǒng)中的電器元件進行供電。在數(shù)據(jù)采集完成后通過傳輸模塊將相關(guān)信息傳遞給數(shù)據(jù)處理模塊，經(jīng)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(tǒng)硬件設計

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)設計可以將下滑量檢測系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)分為六部分，分別為單片機主控系統(tǒng)、外圍電路、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)以及電源電路系統(tǒng)。其中單片機主控系統(tǒng)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(yōu)點，并且其具有1 GB 的FLASH，能夠滿足檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集、處理、傳輸?shù)刃枨?。在芯片外圍有多部分IO 電路所構(gòu)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(diào)試端口。電源端口與外部鋰電池相連接，為系統(tǒng)進行時鐘電路供電，但只有系統(tǒng)完全啟動后，才會輸出VDD 給系統(tǒng)的其他電路部分供電，供電系統(tǒng)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(diào)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(tǒng)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(diào)試。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(nèi)置的12 bit A/D 轉(zhuǎn)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(jiān)測需求。存儲系統(tǒng)是以芯片自帶的RAM和SD 卡為主，在傳感器將采集的數(shù)據(jù)傳遞到芯片當中，芯片會通過串口連接的方式將數(shù)據(jù)輸入到SD 卡中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存。顯示系統(tǒng)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(shù)值輸出到顯示界面上，以供監(jiān)測人員讀取，具體顯示系統(tǒng)的電路連接圖如圖2 所示。

圖1 供電系統(tǒng)電路圖

圖2 顯示系統(tǒng)的電路連接圖

1.3 檢測系統(tǒng)的軟件設計

下滑量檢測系統(tǒng)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(diào)用。主程序邏輯設計結(jié)構(gòu)為：

1）在系統(tǒng)開啟時調(diào)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(tài)，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(tǒng)內(nèi)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(tǒng)，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(wǎng)絡正常則調(diào)用數(shù)據(jù)檢測采集程序，開始記錄數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)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(xù)搜索控制設備。在執(zhí)行數(shù)據(jù)檢測采集程序時，首先讀取加速度傳感器所返回的數(shù)據(jù)值，將數(shù)據(jù)值與預先設置范圍進行對比，判斷數(shù)據(jù)是否合法，如果不合法則重新讀取數(shù)據(jù)，合法則進行下一步；其次讀取陀螺儀傳感器所返回的數(shù)據(jù)值，并與預設范圍進行對比，判斷數(shù)據(jù)的合法性，處理程序與加速度傳感器數(shù)據(jù)處理方式一致；最后將所檢測采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TM32L476RG 芯片中進行保存，并通過串口的方式將數(shù)據(jù)傳遞到顯示系統(tǒng)中，之后進入下一循環(huán)。

2 系統(tǒng)測試

某企業(yè)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(chǎn)安全性，該企業(yè)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(guān)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(jié)果不準確。針對此種情況，該企業(yè)根據(jù)自身起重機時間情況進行了下滑量檢測系統(tǒng)的設計和研發(fā)。

2.1 10 t 起重機的應用

在下滑量檢測系統(tǒng)設計完成后，將該系統(tǒng)應用于10 t 起重機中，測試載荷為5 t，下滑量檢測結(jié)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(tǒng)對起重機進行檢測時，所檢測的下滑量數(shù)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(guān)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(tǒng)進行檢測，數(shù)據(jù)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(jié)果

2.2 20 t 起重機的應用

將該系統(tǒng)應用于20 t 起重機中，測試載荷為8 t，檢測結(jié)果如圖4 所示。

圖4 20 t 起重機下滑量檢測結(jié)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(tǒng)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(shù)據(jù)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(tǒng)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(tǒng)經(jīng)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(gòu)執(zhí)行，經(jīng)過對2018 年起重機下滑量檢測合同查驗發(fā)現(xiàn)，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(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營效率產(chǎn)生了一定的影響。將此系統(tǒng)應用于起重機下滑量檢測過程中，每年能夠節(jié)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(yè)的生產(chǎn)效率。經(jīng)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(tǒng)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(yè)產(chǎn)生103 元利潤，經(jīng)過計算，該系統(tǒng)應用后檢測月能夠為企業(yè)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(yè)帶來約413 萬元利潤。

4 結(jié)論

1）重機下滑量檢測系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)進行設計，并對硬件系統(tǒng)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(tǒng)應用于10 t和20 t 起重機中，經(jīng)過與先前測試方式對比，本文所設計的下滑量檢測系統(tǒng)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(yè)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(chǎn)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(tǒng)能夠為企業(yè)帶來413 萬元利潤。