冶金起重机多维健康监测系统设计及经济效益分析

施恺滨

（江西省检验检测认证总院特种设备检验检测研究院赣州检测分院， 江西 赣州 341000）

1 冶金起重机制动器健康监测系统硬件设计

1.1 系统硬件构成

冶金起重机多维健康监测系统的主要功能是多维数据的采集和健康监测，为了更好地完成需要的功能，其整体设计由数据源的设计、多维数据的采集、在线健康监测和界面交互等4 个方面组成。其中机器视觉系统硬件的设计，可以实现对制动器参数的监控，硬件具体包括摄像机、光学镜头、照明光源和图像采集卡。

1.2 硬件选型

1）工业摄像机。工业摄像机是一种用于机械视觉系统的收集设备，它的功能是把被测对象的影像的光学讯号转化成电子讯号，并通过影像采集卡转化成数字讯号。在选择工业摄像机时，必须确保其成像质量和分辨率都能达到要求。本文所选择的工业摄像机是CMOS 相机MV-EM500C，其技术参数见表1。

表1 工业摄像机参数

2）光学镜头。光学镜头由一个可调（亮度）的光圈、一个对焦环以及一套透镜组成，它的作用是把被测对象的光学影像集中到一个工业照相机的光敏表面阵列上，它的选取需要考虑到视场、焦距、光圈以及失真等多个方面，在应用过程中需要通过调节光圈和焦距来调节影像的亮度和清晰度，选用的透镜是计算机公司M0824-MPW2 工业透镜。

3）光源。基于发光二极管（LED）技术的成熟，同时具有使用寿命长、功耗低、发热少且亮度稳定的优点，选用LED 条形光源的型号为AFT—WL25537-19W，并选用数字光源控制器为LED 供电，型号为AFT-DLP2430-02TS。

2 监测系统软件设计

在硬件设计基础上，以MATLAB 为开发工具，建立了该监控系统的接口，并进行了监控软件的开发，同时采用计算机视觉技术对冶金吊车制动装置进行了故障诊断，其过程是：

1）在此基础上，利用机器视觉及起重机监测系统，对制动器的制动力矩、推杆位移、制动时间、制动次数及制动装置的设计尺寸等进行了测量，并建立了相应的数据集。

2）以制动器的状态为基础，对制动力矩、推杆位移量、制动时间报警阈值区间进行设定，并对数据集中的各个参数进行判定，当超过了报警值时，系统会发出报警。

3）将现有的制动系统数据样本分为x 组，以y 组为训练样本，以x-y 组为检验样本，将其输入到人工神经网络训练模型中，并对其进行检验[1-2]。

4）通过对制动过程中摩擦系数、起升重量、峰值温度等多个物理量进行辨识，并与制动过程中产生的故障信息相融合，实现制动过程中制动过程中制动过程中制动系统的故障诊断。因此系统工作流程如图1所示。

图1 系统工作流程如图

3 冶金起重机多维健康监测系统实现

3.1 多维数据采集实现

多维数据的采集收集，重点是对安全操作参数和制动器位移，振动，应变等进行了收集和分析，通过对传感器和收集装置的选取，如OPC，Modbus，UDP，TCP/IP 等协议。首先采用西门子S7-1500 PLC 和NIOPC 服务器实现了对冶金起重机安全操作参数的设置，然后采用LabVIEW 编制了一个采集程序，实现了操作参数的获取，LabVIEW 采用了DataSocket 模式，对OPC 数据进行了扫描和读取。

冶金起重机的制动器的采集数据，主要是根据两个方面的内容：一是根据视觉图像来监测制动器的弹簧力，二是根据磁致伸缩传感器来监测制动器液压缸的推杆行程。利用Modbus TCP 协议，传送和处理磁致伸缩传感器的数据，并利用IMAQ 技术，与工业摄像机相连，实现监控和定时截图，如图2 所示。

图2 制动器行程数据采集

采用光纤光栅传感器对冶金起重机钢结构的应变数据进行采集，对其进行UDP 通信，并对其频谱信号进行分析和提取，最终利用波长- 应变转换公式将其转化为结构应变数据。

3.2 健康监测分析实现

结合光纤波长和应变变换的方法，获取钢结构的微应变值，并将其等效转化为实际的应力，进而对其进行雨流技术，最后结合雨流计数和残余波形处理，实现其健康监测的在线分析。

在对应力数据的幅值计数结果进行分析后，将所得应力振幅数据代入到材料的S-N 曲线中，得出在该振幅下所造成的损伤，再与该振幅的总频次相乘，得出该振幅下造成的总损伤，再通过Miner 线性疲劳损伤理论将全部振幅的损伤结果叠加，得出总的损伤结果，进而得出在历史时间范围内造成的钢结构损伤，并估算其剩余使用寿命[3-4]。

3.3 冶金起重机多维健康监测的系统应用

在型号为2#200/63T 的冶金起重机上进行了多维度的健康监控，并进行了实验。该冶金起重机的最大起重是205 t，最大吊装高度是35 m，起吊机构的最大速度是12.6 m/min，而车辆的最大运转速度是8 m/min。

冶金起重机多维健康监控系统，不但可以对多维参数展开实时采集，而且还可以对工作参数和制动器图像等数据进行实时监控和显示，这样就可以让操作人员更容易、更直观地了解到冶金起重机的实时状态。除了可以对基本操作参数与状态参数展开实时监控和显示之外，还可以对结构应力数据进行数据曲线趋势的显示，从而对冶金起重机的结构应变与振动数据变化趋势进行直观的分析。另外，冶金起重机多维健康监测系统，通过所采数据，可以对冶金起重机的状态展开监测，具体内容如下：起重量的起重超限报警、起升高度状态监测、各类故障状态监测、设备限位报警信息，还可以通过一系列的结构应力数据分析，对冶金起重机的健康状态展开在线监测。

4 经济效益

上述冶金起重机监测系统可以对冶金起重机的状态展开监测，通过在型号为2 号200/63T 的冶金起重机上进行了应用后，6 个月时间里，因为该设备可以对起重量的起重超限报警、起升高度状态监测、各类故障状态监测、设备限位报警信息等进行监控，使起重机操作员工提前发现问题所在，总体应用效果很好。通过上述应用，降低了因各类故障引起的检修次数，减少了零配件的损耗；并有效降低了冶金起重机的设备故障停机率，保证企业生产的稳定运行；有效延长了以前故障频发配件的使用周期，降低了人工维修成本。通过对上述经济效益估算：通过上述冶金起重机监测系统的应用，可以使检修周期比以前延长50%，使以前故障频发配件周期提升30%计算，每年可以节约检修费用29 万元，配件费用92 万元，总计每年综合节约费用121 万元。

5 结论

1）通过对冶金起重机制动器健康监测系统硬件合理设计，确定精确的硬件选型，为系统正常工作铺垫了前提。

2）结合MATLAB 平台搭建系统界面，完成监测系统软件设计，将多维健康系统进行实际应用得知：冶金起重机制动器健康监测系统不仅能够实现对多维数据的采集，同时能够对应力数据进行在线分析从而实现实时在线健康监测，且分析结果稳定可靠。

3）通过上述冶金起重机监测系统在某企业的应用，可以使检修周期比以前延长50%，使以前故障频发配件周期提升30%计算，每年可以节约检修费用29 万元，配件费用92 万元，总计每年综合节约费用121 万元。