基于虛擬儀器的鋼絲繩故障監測系統的設計

摘 要：目前鋼絲繩的故障監測手段存在效率低、可靠性差、更換浪費等現象，基于虛擬儀器技術的故障監測系統，可方便的實現鋼絲繩數據的采集、處理、故障分析等，可實現鋼絲繩斷絲、截面積損傷等故障信息的綜合判斷。

關鍵詞：鋼絲繩損傷；虛擬儀器技術；故障監測

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.23.099

鋼絲繩作為牽引、運輸、提升物件設備中的核心構件，隨著使用壽命的不斷延伸，會發生如磨損、腐蝕、斷絲等各種現象。鋼絲繩一旦發生損傷情況，直接影響設備和人員的安全，導致事故的發生。因此做好鋼絲繩的定期故障檢測對安全生產尤為重要。

根據鋼絲繩損傷的特性，鋼絲繩的損傷分為截面積損失和斷絲兩種主要的損傷類型。長期以來，人們對于鋼絲繩的故障檢測多局限在人工目測和定期更換鋼絲繩的方法來避免事故的發生，但是兩種檢測方法存在一定的缺陷，其中人工目測的檢測手段可靠性差、效率低，根據數據統計，利用定期更換的檢測方法70%更換下來的鋼絲繩損耗程度并沒有達到必須更換的程度，在一定程度上存在著浪費現象。因此，準確、可靠、實時的監測鋼絲繩的使用情況在工程實踐上具有十分重要的意義。

由此可見，針對鋼絲繩的故障特點和實際監測需要開發一套專用的集數據采集、數據處理、故障分析為一體的鋼絲繩故障監測系統在工程實際中是十分必要的。

1 系統整體框架設計

鋼絲繩故障監測系統主要由數據采集、數據處理、故障分析、人機界面等部分組成，系統整體框架構成如圖1所示。

鋼絲繩損傷檢測系統中對信號的采集和處理選用小波分析法對信號進行處理。在故障分析中將依據鋼絲繩損傷的不同特點選取不同的處理方法，如鋼絲繩截面積損傷選用電壓幅值標定法，鋼絲繩斷絲損傷選用BP神經網絡進行計算判定。人機界面的開發選用Labview軟件。

2 監測信號處理方案

2.1 鋼絲繩截面積損傷信號處理

截面積損傷信號的特點是，隨著損傷程度的不斷變化鋼絲繩截面積將隨之發生變化，因此在信號處理過程中采用主磁通檢測的原理，利用鋼絲繩截面積與磁感應強度的線性變化，即磁感應強度越強，鋼絲繩截面積越大，損傷越小的原理對鋼絲繩截面積損傷信號進行提取和分析。

2.2 鋼絲繩斷絲信號處理

鋼絲繩斷絲信號的特點是，頻率成分復雜，含有許多的尖峰和突變[1]，這就希望在信號處理的過程中能夠在多個頻率段上濾除掉更多的干擾成分，最大限度的降低噪音，因此在信號處理的過程當中選用了在時域和頻域中對信號都能夠進行有效分解和重構功能的小波分析方法對斷絲信號進行提取。

3 故障信號分析方案

3.1 鋼絲繩截面積損傷信號分析

采用電壓幅值標定的方法進行鋼絲繩截面積損傷信號的分析，具體步驟為：需要預先設定一個電壓標準值，電壓標準值是假設鋼絲繩沒有被磨損時的傳感器輸出電壓值，將與被測鋼絲繩同等型號的未使用的新鋼絲繩對應的電壓值，作為系統電壓的標準值。當進行鋼絲繩截面積損傷識別時，首先對當前鋼絲繩的電壓檢測值和電壓標準值進行比較，若電壓標準值大于當前電壓值，則利用兩者的差值與鋼絲繩截面積的比值，作為鋼絲繩截面積的損傷量，完成對鋼絲繩截面積損傷的識別[2]。

3.2 鋼絲繩斷絲信號分析

鋼絲繩斷絲信號具有隨機性，因此對采集到的斷絲的信號進行處理的時候就不能夠建立精確的數學模型，因此本系統在進行斷絲信號分析的過程中采用具有較強自學能力和自適應性的BP神經網絡方法建立定量的鋼絲繩斷絲損傷的判斷。

將采集到的鋼絲繩的數據信息通過小波分析后提取到的鋼絲繩斷絲信息作為BP神經網絡的輸入，通過BP神經網絡自身的訓練和學習來判斷斷絲的數量，進而實現對鋼絲繩斷絲數量的判斷[3]。

4 人機界面設計

鋼絲繩損傷監測系統的人機界面主要集成了用戶輸入、顯示模塊、故障報警等模塊，實現鋼絲繩損傷信號的監測。

在人機界面的軟件設計中選用了圖形編輯軟件Labview進行編制，Labview采用G語言即無需任何復雜、繁瑣的程序代碼進行編寫，即可輕松的搭建一個系統，同時Labview軟件也具有易于學習、軟件功能修改和擴展方便的特點[4]。

參考文獻：

[1]李春華，王璐.基于BP神經網絡的鋼絲繩斷絲檢測系統[J].黑龍江科技學院報，2007，17（05）：47-50.

[2]李春華，王璐.小波分析與神經網絡在鋼絲繩斷絲處理中應用[J]. 自動化儀表，2009，30（12）：61-64.

[3]王璐. 基于智能控制的鋼絲繩探傷及檢測系統的研究[D].哈爾濱：黑龍江科技學院碩士學位論文，2008

[4]馮強，李敬東，石晶.基于Labview的SMES檢測系統[J].電子測量技術，2013，36（12）：71-75.endprint