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起重機遠程狀態監測系統應用于工業無線的開發和研究

來源:愷德爾起重機安全監控管理系統專家 發表日期: 2016-07-14 13:45:00

0引言

隨著國民經濟的快速發展和對外貿易的不斷增加,起重機械行業朝著大型化、連續化和自動化方向發展]。對起重設備的安全性、可靠性提出了嚴格的要求,為確保起重設備的安全運行,提高起重機的使用壽命和利用率,從起重機的歷史數據中找到起重機運行的客觀規律,為起重機的現代化管理提供可靠的依據成為現代化起重機安全監控系統的新方向]。國家“十二五”特種設備科技發展規劃規定開展適應特種設備安全檢測監測需要的現代檢測監測技術研究、標準制定和設備研制,提高特種設備安全檢測監測技術水平l4]。當前起重機仍采取定期檢測制度,缺乏在相對惡劣條件下長期穩定的在線監測系統,這顯然不能滿足對現代起重設備安全可靠工作的要求。隨著社會的發展,企業和社會對起重機設備性能要求越來越高,各行各業廣泛重視促進狀態監測技術的進一步發展和應用。


從80年代起,國外公司如N公司、亞特蘭大公司、IRD公司、日本的安川公司和住友公司利用移動通信技術、智能傳感技術以及超高速交換路由等技術開發一些裔陛能的起重機狀態監測系統【。從2000年開始,國內一些科研單位及

高等院校如上海交通大學、華中科技大學等相繼研制了多種起重機狀態監測和故障診斷系統l。這些都針對的是起重機的整體機械、材料方面的狀態監測,沒有針對起重機電動機作系統的狀態監測基于物聯網工業無線模塊設計了起重機電動機的遠距離狀態監測系統,針對起重機電動機的轉速、振動等設計出其狀態監測系統。


1狀態監測系統檢測電路的硬件設計

本研究的主要內容是起重機電動機的狀態監測,首先設計出狀態監測所需要的軟硬件系統。狀態監測硬件系統主要包括信息采集單元、信號處理單元、信息發送和信息發布單元這四個部分。而信息采集單元的硬件電路又包括振動檢測單元與電機轉速檢測單元這兩個檢測單元。信息處理單元和信息發送單元采用物聯網工業無線模塊對各單元傳感器采集的數據進行處理,通過監控軟件實時顯示起重機電動機的狀態。


I.I硬件系統框架

檢測電路包括轉速傳感器獲取電機的轉速,振動傳感器檢測機座的振動情況。其系統結構框圖如圖1所示。匿霍;圖1系統結構框圖檢測電路通過PLC進行連接,電機的運行參數(轉速、振動等)通過物聯網工業無線模塊進行傳輸,送到上位機中進行處理分析。根據不同的現場情況,如果信息采集模塊到基站節點的距離較遠,當傳輸的距離超出了物聯網工業無線模塊的傳輸范圍(通常在1000米內),那么可以選擇使用中繼節點接力完成f~'g-的傳輸。


系統結構框圖


1.2采集傳輸模塊設計

采集傳輸模塊主要的任務是完成測量信號的采集以及將所采集的數據信息發送出去。視不同的應用情況選擇不同的模塊,如可用于溫濕度采集、轉速采集、振動檢測等。


1.2.1轉速檢測電路

SC12-20K的速度傳感器采用專門用于轉速測量的霍爾芯片,輸出采用集電極開路的輸出方式,可將輸出直接接入到PLC的高速脈沖計數器輸入接口,特別適用于傳輸要求苛刻的場合或要求速度精確、距離精密的變速箱等產品中。內置高磁力磁鐵,性能穩定,最高可檢測轉速為200000轉/秒。系統轉速檢測原理圖如圖2所示,其中,最左側方框中的部分是SC12—20K轉速傳感器的結構示意圖。轉速傳感器的有效輸出最大為20kHz,為減小噪聲對轉速采樣的干擾,在對轉速數據采樣前先進行濾波。圖2中的運算放大器U1A、電阻R以及電容c組成了一階低能阻容(RC)濾波器,其截止頻率可由式(1)計算得出。

轉速檢測電路

此一階RC濾波器的作用是濾除轉速傳感器輸出中無用的高次諧波,提高轉速檢測的準確度。圖2中的電阻R、運算放大器U2A組成了電壓比較電路,為滑動變阻器,用于調節比較器的基準電壓。通過調節電阻可使SPout輸出的波形更理想。在PLC梯形圖主程序中,用10.0的下降沿調用高速計數器初始化子程序,然后做一個高速計數器初始化的子程序,定義為加計數更新當前值,高速計數器中斷,然后激活高速計數器,設置定時中斷0的時間間隔為100mS,建立中斷程序和中斷事件中斷連接,并全局允許中斷。中斷程序為100ms的定時中斷,每100ms執行一次中斷程序。用100ms計算的脈沖個數即可算出電機轉速。其捕獲單元示意圖如圖3所示


捕獲單元示意圖

1.2.2振動檢測電路

振動是一種特殊形式的機械運動,大多數機械振動都是有害的,這些振動不僅對設備造成危害而且對人身健康也會產生危害,所以對機器振動的檢測就非常必要。文中振動檢測電路的主要作用是檢測機座的振動狀態,當振動量大于振動開關的閾值時電路報警從而引起在場人員的注意。選用SW-18010P型振動開關,其內部結構與安裝圖如圖4所示。



將振動開關安裝到機座上就可以用來檢測機座的振動情況。此振動開關在無振動或是振動量較小的情況下,電路處于開路狀態。當有外力作用或是振動量大于振動開關的作用閾值時,電路就會產生瞬間導通。電路導通后P07就會被置為高電平,P07連接到PLC數字輸入口,產生中斷請求,觸發中斷程序時進行處理。當外力消失或是振動量小于振動開關的作用閥值時,開關恢復為開路狀態,中斷信號消失。振動檢

測原理圖如圖5所示。


振動檢測電路

在圖5中,S2是振動傳感器,P07接到PLC數字量輸入口。當S2閉合時,中斷產生,CPU響應中斷后對事件進行處理,根據需要在中斷處理函數中做出不同等級的預設處理事項,根據機座不同部位或不同個數的振動傳感器產生的中斷,系統將產生報警提示。


2狀態監測系統檢測系統軟件設計

文中的傳感器節主要有振動檢測節與轉速檢測節。分別介紹不同節點的軟件設計方法。


2.1轉速檢測

SC12—20K速度傳感器采用三線制,輸出端采用集電極開路輸出。當電機的卡銷將轉過轉速傳感器時,轉速傳感器就會輸出一個脈沖波形。使用PLC高速脈沖計數器來完成轉速傳感器輸出波形的檢測。由于選用的速度傳感器輸出為低電平有效,所以使用PLC高速脈沖計數器的下降沿,當出現兩個下降沿時就說明電機轉過了一轉,兩個下降沿所用時間的倒數就是電機轉速。圖6所示為電機轉速檢測的軟件流程。程序首先初始化定時器,將定時器輸入捕獲單元對應的引腳設置為定時器捕獲功能引腳;接著初始化PLC的定時器,設置為遞增計數、輸入捕獲模式;清除定時器的計數寄存器的值;當轉速傳感器輸出(捕獲單元的輸入)電平出現下降沿時,產生捕獲事件。捕獲單元向CPU發出中斷請求,在中斷處理函數中通過讀取定時器的計數寄存器的值,就可以獲得捕獲時刻計時器的時間。相鄰兩次捕獲事件發生的時間間隔為電機轉過一周所用的時間,其倒數即為電機的轉速。




2.2振動檢測SW.

18010P振動傳感器的輸出是布爾量,當振動量超過閾值時輸出1,沒超過閾值則輸出為0??蓪⒋肆孔鳛镻LC的中斷輸入,圖6轉速檢測軟件流程轉速,并將所得數據進行比較,從而驗證物聯網工業無線模塊的性能。為方便物聯網工業無線模塊的檢測結果與示波器所觀測的結果進行比較,將轉速傳感器的輸出連接到PLC的高速計數器輸入端,觀察物聯網工業無線模塊所采集到的數據。分析電機的卡銷將要轉到轉速傳感器至將要轉過轉速傳感器之間時刻波形的數據(波形變化部分的數據),將此部分數據保留2位有效數字,轉速傳感器輸出電壓突變時的數據見表1所列,將表1中數據繪制成如圖8所示的電機轉速數據連接圖。分析表1和圖8,從電機的卡銷將要轉到轉速傳感器至表1轉速傳感器輸出電壓當輸入為1時,觸發外部中斷,在中斷服務程序中進行振動檢測結果的顯示。振動檢測軟件流程圖如圖7所示。在圖7中,點劃線左側為系統軟件部分,點劃線右側為振動檢測(中斷)軟件部分,右側用虛線畫出的部分可以放在系統初始化部分完成。在系統正常運行情況下,當振動量超出閾值時,系統軟件就會停下正在處理的任務,保存現場準備處理中斷事件,處理完成中斷后,恢復現場,繼續執行之前的任務。




3實驗數據分析

3.1轉速檢測

同時分別使用物聯網工業無線模塊和示波器采集電機的轉速,并將所得數據進行比較,從而驗證物聯網工業無線模塊的性能。為方便物聯網工業無線模塊的檢測結果與示波器所觀測的結果進行比較,將轉速傳感器的輸出連接到PLC的高速計數器輸入端,觀察物聯網工業無線模塊所采集到的數據。分析電機的卡銷將要轉到轉速傳感器至將要轉過轉速傳感器之間時刻波形的數據(波形變化部分的數據),將此部分數據保留2位有效數字,轉速傳感器輸出電壓突變時的數據見表1所列,將表1中數據繪制成如圖8所示的電機轉速數據連接圖。分析表1和圖8,從電機的卡銷將要轉到轉速傳感器至將要轉過轉速傳感器之間時刻的波形和數據可以得出,如果轉速傳感器的輸出電壓從高電平到低電平突變(下降沿)時,就可以判定電機轉過卜轉。將傳感器輸出經過濾波和比較電路后接到PLC高速計數器輸入接口,當捕獲單元捕獲到下降沿時,則電機轉過一周從表2電機三種不同轉速時的檢測數據的分析結果來看,物聯網工業無線模塊電機轉速的測量結果最大誤差的絕對值為0.20%,具有很高的測量精度。



3.2振動檢測

SW一18010P振動傳感器的輸出是布爾量,若其值超過閾值為則1,不超過閿值則為0。振動檢測實驗共設置四種情況,

分別為:

(1)在電機正常運行時;

(2)電機加上非平衡負載時;

(3)電機底座緊固螺絲松動時;

(4)將設備旋轉于實驗室的三軸搖擺實驗臺。分別對這四種情況進行100次實驗,其結果見表3所列。從表3可以看出,本裝置對振動檢測誤差最大的是第3種情況,即電機基座的緊固螺絲松動時,但也僅為5%。由此可知,本裝置具有較高的準確度。



4結語

開展了對起重機的遠距離無線狀態監測系統的研究,通過多參數監測的方式,實現了對起重機電動機的狀態進行遠距離無線監測的目的。系統具有結構簡單,對原有設備和歷史數據充分利用等特點,對起重機電動機狀態監測取得了良好的效果。監控系統主機采用控制電路,使控制系統和監測系統成為真正統一的整體,增強了監測系統的穩定性、可靠性,有利于實現閉環控制,具有推廣價值。通過上位機能夠實現起重機的智能控制、遠程控制、生產管理、歷史數據的記錄,為智能監測開辟了一條思路。今后將開發更加科學合理的監測技術和裝置,拓寬起重機狀態監測的范疇,使之向縱深方向延伸,為提升設備管理層次作出更大貢獻。




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