冶金起重機(jī)多維健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及經(jīng)濟(jì)效益分析

施愷濱

（江西省檢驗(yàn)檢測(cè)認(rèn)證總院特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院贛州檢測(cè)分院， 江西 贛州 341000）

1 冶金起重機(jī)制動(dòng)器健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

冶金起重機(jī)多維健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要功能是多維數(shù)據(jù)的采集和健康監(jiān)測(cè)，為了更好地完成需要的功能，其整體設(shè)計(jì)由數(shù)據(jù)源的設(shè)計(jì)、多維數(shù)據(jù)的采集、在線健康監(jiān)測(cè)和界面交互等4 個(gè)方面組成。其中機(jī)器視覺系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)器參數(shù)的監(jiān)控，硬件具體包括攝像機(jī)、光學(xué)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(jī)。工業(yè)攝像機(jī)是一種用于機(jī)械視覺系統(tǒng)的收集設(shè)備，它的功能是把被測(cè)對(duì)象的影像的光學(xué)訊號(hào)轉(zhuǎn)化成電子訊號(hào)，并通過(guò)影像采集卡轉(zhuǎn)化成數(shù)字訊號(hào)。在選擇工業(yè)攝像機(jī)時(shí)，必須確保其成像質(zhì)量和分辨率都能達(dá)到要求。本文所選擇的工業(yè)攝像機(jī)是CMOS 相機(jī)MV-EM500C，其技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 工業(yè)攝像機(jī)參數(shù)

2）光學(xué)鏡頭。光學(xué)鏡頭由一個(gè)可調(diào)（亮度）的光圈、一個(gè)對(duì)焦環(huán)以及一套透鏡組成，它的作用是把被測(cè)對(duì)象的光學(xué)影像集中到一個(gè)工業(yè)照相機(jī)的光敏表面陣列上，它的選取需要考慮到視場(chǎng)、焦距、光圈以及失真等多個(gè)方面，在應(yīng)用過(guò)程中需要通過(guò)調(diào)節(jié)光圈和焦距來(lái)調(diào)節(jié)影像的亮度和清晰度，選用的透鏡是計(jì)算機(jī)公司M0824-MPW2 工業(yè)透鏡。

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

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，以MATLAB 為開發(fā)工具，建立了該監(jiān)控系統(tǒng)的接口，并進(jìn)行了監(jiān)控軟件的開發(fā)，同時(shí)采用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)對(duì)冶金吊車制動(dòng)裝置進(jìn)行了故障診斷，其過(guò)程是：

1）在此基礎(chǔ)上，利用機(jī)器視覺及起重機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)制動(dòng)器的制動(dòng)力矩、推桿位移、制動(dòng)時(shí)間、制動(dòng)次數(shù)及制動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)尺寸等進(jìn)行了測(cè)量，并建立了相應(yīng)的數(shù)據(jù)集。

2）以制動(dòng)器的狀態(tài)為基礎(chǔ)，對(duì)制動(dòng)力矩、推桿位移量、制動(dòng)時(shí)間報(bào)警閾值區(qū)間進(jìn)行設(shè)定，并對(duì)數(shù)據(jù)集中的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行判定，當(dāng)超過(guò)了報(bào)警值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警。

3）將現(xiàn)有的制動(dòng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)樣本分為x 組，以y 組為訓(xùn)練樣本，以x-y 組為檢驗(yàn)樣本，將其輸入到人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練模型中，并對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)[1-2]。

4）通過(guò)對(duì)制動(dòng)過(guò)程中摩擦系數(shù)、起升重量、峰值溫度等多個(gè)物理量進(jìn)行辨識(shí)，并與制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的故障信息相融合，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)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(jī)多維健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 多維數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)

多維數(shù)據(jù)的采集收集，重點(diǎn)是對(duì)安全操作參數(shù)和制動(dòng)器位移，振動(dòng)，應(yīng)變等進(jìn)行了收集和分析，通過(guò)對(duì)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(wù)器實(shí)現(xiàn)了對(duì)冶金起重機(jī)安全操作參數(shù)的設(shè)置，然后采用LabVIEW 編制了一個(gè)采集程序，實(shí)現(xiàn)了操作參數(shù)的獲取，LabVIEW 采用了DataSocket 模式，對(duì)OPC 數(shù)據(jù)進(jìn)行了掃描和讀取。

冶金起重機(jī)的制動(dòng)器的采集數(shù)據(jù)，主要是根據(jù)兩個(gè)方面的內(nèi)容：一是根據(jù)視覺圖像來(lái)監(jiān)測(cè)制動(dòng)器的彈簧力，二是根據(jù)磁致伸縮傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)制動(dòng)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(shù)，與工業(yè)攝像機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和定時(shí)截圖，如圖2 所示。

圖2 制動(dòng)器行程數(shù)據(jù)采集

采用光纖光柵傳感器對(duì)冶金起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，對(duì)其進(jìn)行UDP 通信，并對(duì)其頻譜信號(hào)進(jìn)行分析和提取，最終利用波長(zhǎng)- 應(yīng)變轉(zhuǎn)換公式將其轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)應(yīng)變數(shù)據(jù)。

3.2 健康監(jiān)測(cè)分析實(shí)現(xiàn)

結(jié)合光纖波長(zhǎng)和應(yīng)變變換的方法，獲取鋼結(jié)構(gòu)的微應(yīng)變值，并將其等效轉(zhuǎn)化為實(shí)際的應(yīng)力，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行雨流技術(shù)，最后結(jié)合雨流計(jì)數(shù)和殘余波形處理，實(shí)現(xiàn)其健康監(jiān)測(cè)的在線分析。

在對(duì)應(yīng)力數(shù)據(jù)的幅值計(jì)數(shù)結(jié)果進(jìn)行分析后，將所得應(yīng)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(guò)Miner 線性疲勞損傷理論將全部振幅的損傷結(jié)果疊加，得出總的損傷結(jié)果，進(jìn)而得出在歷史時(shí)間范圍內(nèi)造成的鋼結(jié)構(gòu)損傷，并估算其剩余使用壽命[3-4]。

3.3 冶金起重機(jī)多維健康監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)應(yīng)用

在型號(hào)為2#200/63T 的冶金起重機(jī)上進(jìn)行了多維度的健康監(jiān)控，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。該冶金起重機(jī)的最大起重是205 t，最大吊裝高度是35 m，起吊機(jī)構(gòu)的最大速度是12.6 m/min，而車輛的最大運(yùn)轉(zhuǎn)速度是8 m/min。

冶金起重機(jī)多維健康監(jiān)控系統(tǒng)，不但可以對(duì)多維參數(shù)展開實(shí)時(shí)采集，而且還可以對(duì)工作參數(shù)和制動(dòng)器圖像等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。除了可以對(duì)基本操作參數(shù)與狀態(tài)參數(shù)展開實(shí)時(shí)監(jiān)控和顯示之外，還可以對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)曲線趨勢(shì)的顯示，從而對(duì)冶金起重機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)變與振動(dòng)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)進(jìn)行直觀的分析。另外，冶金起重機(jī)多維健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)所采數(shù)據(jù)，可以對(duì)冶金起重機(jī)的狀態(tài)展開監(jiān)測(cè)，具體內(nèi)容如下：起重量的起重超限報(bào)警、起升高度狀態(tài)監(jiān)測(cè)、各類故障狀態(tài)監(jiān)測(cè)、設(shè)備限位報(bào)警信息，還可以通過(guò)一系列的結(jié)構(gòu)應(yīng)力數(shù)據(jù)分析，對(duì)冶金起重機(jī)的健康狀態(tài)展開在線監(jiān)測(cè)。

4 經(jīng)濟(jì)效益

上述冶金起重機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)冶金起重機(jī)的狀態(tài)展開監(jiān)測(cè)，通過(guò)在型號(hào)為2 號(hào)200/63T 的冶金起重機(jī)上進(jìn)行了應(yīng)用后，6 個(gè)月時(shí)間里，因?yàn)樵撛O(shè)備可以對(duì)起重量的起重超限報(bào)警、起升高度狀態(tài)監(jiān)測(cè)、各類故障狀態(tài)監(jiān)測(cè)、設(shè)備限位報(bào)警信息等進(jìn)行監(jiān)控，使起重機(jī)操作員工提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在，總體應(yīng)用效果很好。通過(guò)上述應(yīng)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(jī)的設(shè)備故障停機(jī)率，保證企業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行；有效延長(zhǎng)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(guò)對(duì)上述經(jīng)濟(jì)效益估算：通過(guò)上述冶金起重機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，可以使檢修周期比以前延長(zhǎng)50%，使以前故障頻發(fā)配件周期提升30%計(jì)算，每年可以節(jié)約檢修費(fèi)用29 萬(wàn)元，配件費(fèi)用92 萬(wàn)元，總計(jì)每年綜合節(jié)約費(fèi)用121 萬(wàn)元。

5 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)冶金起重機(jī)制動(dòng)器健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件合理設(shè)計(jì)，確定精確的硬件選型，為系統(tǒng)正常工作鋪墊了前提。

2）結(jié)合MATLAB 平臺(tái)搭建系統(tǒng)界面，完成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，將多維健康系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用得知：冶金起重機(jī)制動(dòng)器健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多維數(shù)據(jù)的采集，同時(shí)能夠?qū)?yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行在線分析從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線健康監(jiān)測(cè)，且分析結(jié)果穩(wěn)定可靠。

3）通過(guò)上述冶金起重機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在某企業(yè)的應(yīng)用，可以使檢修周期比以前延長(zhǎng)50%，使以前故障頻發(fā)配件周期提升30%計(jì)算，每年可以節(jié)約檢修費(fèi)用29 萬(wàn)元，配件費(fèi)用92 萬(wàn)元，總計(jì)每年綜合節(jié)約費(fèi)用121 萬(wàn)元。