“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下基于傳感器構建的輸送皮帶智能維護建設系統(tǒng)

王 凱

（山西汾西工程建設有限責任公司， 山西 介休 032000）

引言

隨著工業(yè)領域技術的高速發(fā)展，很多關鍵部件逐步開始向高智能化的方向轉變。很多工程項目會用到皮帶傳輸系統(tǒng)，所以可靠的傳送帶和軸承對于提高工程效率有很重要的影響[1]。帶式運動傳動系統(tǒng)具有多種可能的失效模式。這些包括磨損或污染表面的貝爾滑移、張力層故障（如彈性模量分布不均勻）等。研究表明，隨著滑移量的增大，帶振動的傅里葉分解會發(fā)生變化。帶縫等形式的張拉不均勻性影響皮帶的振動特性。相關研究還表明，在與系統(tǒng)滑輪接觸的金屬帶上存在以焊接形式存在的物體對皮帶振動產(chǎn)生影響，所述的失效模式均對安裝滑輪的振動產(chǎn)生影響[2]。

狀態(tài)監(jiān)測（CM）通過不斷獲取和分析過程中的信號來診斷故障。一般來說，CM被認為是一種有效的維護策略自動化策略，因為它可以提前或在機器其部件達到臨界狀態(tài)之前提供機器故障信息，以便及時采取適當?shù)木S護措施[3]。特別是由于這一技術高效、有效的特點，移動帶更是實施CM策略的幾個重要途徑之一[4]。本研究的重點是帶的CM及其張力的變化，工程和科學正朝著各個方向發(fā)展。與工程的大多數(shù)領域一樣，狀態(tài)監(jiān)測的新技術正在出現(xiàn)，許多機構一直積極投入人力和財力，致力于開發(fā)更好、更智能的對角線測量系統(tǒng)，以監(jiān)測過程的惡化，并預測其失效可能。與僅使用一種方法來改進現(xiàn)有系統(tǒng)的情況相比，組合許多解決方案和技術通常可以產(chǎn)生更有效的系統(tǒng)。特別是在CM中，可以通過將各種傳感器集成在一起來實現(xiàn)更智能的維護系統(tǒng)。本文通過橫向集成各種非同構技術來擴展此思想，以實現(xiàn)更智能的配置管理系統(tǒng)和一個更智能的維護系統(tǒng)。

1 檢測皮帶張力的變化的理論基礎

在設計和傳動皮帶維護時，固定帶內的張力（即“初始張力”）是一個重要的因素。如果初始張力太高那么組件連接到驅動程序可能由于接觸過大的壓力而被損壞。如果初始張力過低限制了最大功率，可以通過皮帶傳動，這可能會導致過度滑移的發(fā)生，打滑會加速帶表面的磨損，同時也會影響帶的使用壽命和能效。為了執(zhí)行帶傳動的狀態(tài)檢修，一旦檢測到帶傳動變量（如初始張力）的變化，就有必要對這些變化進行及時分析，并據(jù)此安排檢修任務。研究表明，皮帶傳動的橫向振動特性受多種變量的影響。為了方便準確地測量初始皮帶張力，開發(fā)了一種測量固定帶的共振頻率的裝置。該方法要求激發(fā)帶的共振頻率。帶跨的共振振動可以通過使帶近似于單位脈沖來實現(xiàn)。單位脈沖近似是通過一個跨越和一個對象之間的分割產(chǎn)生的，例如螺線管的往復元件。當帶在運動時，帶的橫向振動是通過參數(shù)化等方法產(chǎn)生的。

2 基于互聯(lián)網(wǎng)的綜合狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)框架

如下頁圖1所示，該系統(tǒng)是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的狀態(tài)監(jiān)測（e-CM）原型，它成功地識別了移動帶中的異常張力。從光學傳感器獲得的信號描述了自動分揀機中傳送帶的振動。結果表明，運動帶中張力的變化是可以改變的，不需要應用現(xiàn)有的技術就可以檢測到，這些技術需要將傳動帶激活到它們的固有頻率。因此，不像現(xiàn)有的技術，需要干擾傳動帶的固有工作，本文的方法允許傳送帶保持運動。這是應用通過檢測來自光學傳感器的信號來確定皮帶張力狀態(tài)而得到的。對于連接系統(tǒng)組件、處理器、數(shù)據(jù)獲取板和傳感器，使用XML為傳感器信息創(chuàng)建單一標準格式的工業(yè)網(wǎng)絡通信。這種安排允許傳感器通過互聯(lián)網(wǎng)與過程控制器連接。它還需要少量的電纜連接傳感器到個人電腦運行軟件。最后，為了進一步降低成本，一個新的通用低成本微控制器板被用于數(shù)據(jù)采集，而另一個低成本微控制器板與一個內置的以太網(wǎng)鏈路被用于直接連接互聯(lián)網(wǎng)。

圖1 基于互聯(lián)網(wǎng)的狀態(tài)監(jiān)測（e-CM）系統(tǒng)

系統(tǒng)的主要組成部分包括以下幾部分：用于監(jiān)測皮帶張力的傳感器群；用于獲取和預處理傳感器值的微控制器板；一個連接到因特網(wǎng)的微控制器板；一個PC預裝了MATLAB軟件，實現(xiàn)了軟件的檢測和連接到互聯(lián)網(wǎng)。

由英國智能工程系統(tǒng)（IENSYS）有限公司生產(chǎn)的A030601型微控制器板是用于數(shù)據(jù)采集和控制的通用板。該板是基于231PIC18F458單片機。該微控制器有多達8個模擬輸入通道和一個10位分辨率的A/D轉換器。該板具有34個數(shù)字輸入/輸出（1/O）引腳，還包括RS232和CAN支持，符合ISO CAN一致性測試。該微控制器可以使用微芯片在線調試器（CD2）進行編程。開發(fā)環(huán)境為單片機MPLAB，程序可采用匯編語言或C語言編寫。該板還具有一個達拉斯單線總線和一個嵌入式單線達拉斯DS2438Z電池監(jiān)控芯片。使用這種芯片來監(jiān)測其溫度用于自診斷的直流輸入電壓和調節(jié)直流電壓。另一個微控制器板，由瑞典axis通信公司開發(fā)，用于與嵌入式Linux操作系統(tǒng)進行互聯(lián)網(wǎng)連接。該板由兩個RS232、兩個并行和一個RS485接口組成，并帶有一個支持通用網(wǎng)關接口（CGI）的web服務器，用于合并動態(tài)內容。MATLAB程序通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送對傳感器數(shù)據(jù)的請求。一個用C語言編寫的CGI程序在開發(fā)板上接收這個請求并從CAN主機獲取傳感器數(shù)據(jù)，CAN主機通過RS232從傳感器收集數(shù)據(jù)。所有傳感器數(shù)據(jù)更新后，CGI程序將其合并到XML文檔中（見圖2）。XML被用來描述傳感器的特性，這是HTML做不到的。該系統(tǒng)的一個優(yōu)點是，即使切換到其他工業(yè)網(wǎng)絡，也會創(chuàng)建相同的XML文檔。這意味著唯一需要改變的是數(shù)據(jù)采集部分，而剩下的軟件和硬件將都是統(tǒng)一使用的。

圖2 皮帶系統(tǒng)中用于傳感器的基本表示的XML標記

一旦準備就緒，XML文檔將被發(fā)送到MATLAB程序進行解析，以便提取傳感器數(shù)據(jù)并將其提供給算法進行進一步處理。如果請求是由web瀏覽器發(fā)送的，那么web瀏覽器上的響應將類似于圖2所示的快照。唯一的區(qū)別是，圖2中斜體顯示的變量將被實際的最近值替換。大量的工業(yè)網(wǎng)絡可以用來實現(xiàn)自動化的狀態(tài)監(jiān)測和控制，例如CAN現(xiàn)場總線等。所有這些網(wǎng)絡都有不同的協(xié)議，因此它們不能互相通信。業(yè)界越來越認識到，必須有一個開放的標準來支持不同工業(yè)網(wǎng)絡之間的互操作性。市場上已有的解決方案提供了有限的功能和支持。這里使用XML作為各種工業(yè)網(wǎng)絡之間信息集成的解決方案，特別是對于e-CM。通過這種方法，來自不同行業(yè)的傳感器數(shù)據(jù)可以轉換成一個標準的XML文檔，以便定義傳感器和傳感器提供的信息。

3 結論

使用了e-CM的各種新技術，在不激勵帶跨固有頻率的情況下，對運動帶跨的橫向振動進行了新穎檢測。通過巧妙地結合合適的振動傳感器、振動特性、低成本的數(shù)據(jù)采集和通信XML標準，獲得了一種經(jīng)濟有效的維護解決方案。由此產(chǎn)生的皮帶檢測維護方法更有效率。因為，它不僅可以最小化過程中斷造成的時間浪費，直接檢驗并獲得高檢測精度（99.67%）；而且可以提供在線遠程監(jiān)測，在一個廣闊的區(qū)域內可伸縮地安排相對大量的傳感器。這種改進在應用關鍵組件時尤為重要。