橋式起重機(jī)作業(yè)狀態(tài)智能化監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用研究

靳海峰

（廣汽豐田汽車有限公司， 廣東 廣州 511455）

引言

橋式起重機(jī)作為常用的起重吊裝設(shè)備，屬于特種設(shè)備，對其工作的安全性和可靠性要求極高，現(xiàn)已被使用企業(yè)高度重視[1-2]。安全保護(hù)裝置作為橋式起重機(jī)的重要組成部分，相較于西方發(fā)達(dá)國家，我國保護(hù)裝置的技術(shù)水平相對較低，還在使用超載斷電裝置和限制位置裝置，屬于機(jī)械結(jié)構(gòu)安全保護(hù)措施，包括起重量限制器、起升高度限制器、大車和小車行程限制器等[3-4]。機(jī)械結(jié)構(gòu)安全保護(hù)裝置不具備起重機(jī)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測功能，工作時(shí)容易出現(xiàn)故障，排查較為困難，需要投入大量的人力和物力方可完成修復(fù)[5-6]。針對汽車廠服役中的橋式起重機(jī)安全保護(hù)技術(shù)薄弱的現(xiàn)狀，開展作業(yè)狀態(tài)智能化監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用研究，對于提高橋式起重機(jī)的工作安全性和可靠性具有重要意義。

1 橋式起重機(jī)概述

橋式起重機(jī)又稱作“天車”，是一種常用起重設(shè)備，工作在高空吊車梁的導(dǎo)軌上，實(shí)現(xiàn)起重吊物的水平移動(dòng)與升降運(yùn)動(dòng)。某汽車廠正在使用的吊裝設(shè)備為橋式起重機(jī)，主要由大車、小車、主梁和端梁組成，大車騎在高空的軌道上，具有水平前后運(yùn)動(dòng)功能；小車騎在主梁軌道上，具有橫向左右運(yùn)動(dòng)功能；通過小車上的電機(jī)減速機(jī)帶動(dòng)卷筒旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)起重吊物的升降運(yùn)動(dòng)功能。橋式起重機(jī)能夠使起重吊物在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)空間位置的搬運(yùn)，不受地面設(shè)備的影響和阻礙，是重要的機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)的重要設(shè)備。目前使用的橋式起重機(jī)安全保護(hù)技術(shù)落后，一旦出現(xiàn)故障嚴(yán)重影響其工作效率，因此有必要引進(jìn)先進(jìn)的保護(hù)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。

2 總體方案

基于服役中橋式起重機(jī)的基本情況和存在的問題，完成了一套橋式起重機(jī)工作狀態(tài)安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作，匯集了傳感器、微控制器、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)顯示等先進(jìn)技術(shù)。系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測起重質(zhì)量，大車、小車、減速機(jī)、卷筒驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸承溫度和振動(dòng)情況，大車、小車行程，吊鉤起升高度與速度、吊架防傾斜拉的監(jiān)測及地面行人安全警示范圍等信息，同時(shí)，監(jiān)控人員可以根據(jù)橋式起重機(jī)的狀態(tài)參數(shù)控制調(diào)整其運(yùn)行狀態(tài)，確保其工作在可靠的狀態(tài)中，能夠借助GPRS模塊將故障類型、數(shù)據(jù)及時(shí)間發(fā)送給遠(yuǎn)端監(jiān)控系統(tǒng)。橋式起重機(jī)作業(yè)狀態(tài)智能化監(jiān)測系統(tǒng)方案如圖1 所示，主要包括傳感器、GPRS 模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、狀態(tài)參數(shù)顯示等。

圖1 智能化監(jiān)測系統(tǒng)方案

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 傳感器選型

起吊質(zhì)量傳感器選擇型號為XZBC-Tc20t 的軸銷式傳感器，由寧波科力公司制備，用于檢測橋式起重機(jī)的起重重量。大小車運(yùn)行位置、吊鉤起升高度、起升速度傳感器選擇型號為ATM60 的多圈絕對值編碼器，由Sick 公司制備，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測大車和小車的運(yùn)行實(shí)時(shí)位置、吊鉤起升實(shí)時(shí)高度及其起升速度顯示。起升電機(jī)軸承溫度選擇PWZD 型號的軸承溫度傳感器，振動(dòng)傳感器選擇型號為TYHN-3A 的一體化軸振動(dòng)變送器。

3.1.2 數(shù)據(jù)采集模塊

橋式起重機(jī)作業(yè)狀態(tài)智能化監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊的工作任務(wù)較為簡單，重點(diǎn)任務(wù)是實(shí)時(shí)采集各個(gè)傳感器的信號數(shù)據(jù)，經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換之后將采集得到的模擬量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號，發(fā)送至數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行處理。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊中的MCU 采用了STC89C52RC 單片機(jī)，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力、較低的能源消耗和超強(qiáng)的抗干擾能力，功能比不了ARM、DSP 系列芯片，可性價(jià)比很好，能夠滿足監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集功能要求。

3.1.3 數(shù)據(jù)處理模塊

橋式起重機(jī)作業(yè)狀態(tài)智能化監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理模塊要求較高，其中處理過程較為復(fù)雜，涉及數(shù)據(jù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)接收與發(fā)送等。例如大車行走位置數(shù)據(jù)的處理需要依據(jù)大車行走編碼器大量的輸出數(shù)據(jù)，完成大車行走位置的計(jì)算，之后需要將位置信息顯示與操作面板，同時(shí)，對位置信息進(jìn)行存儲，以便后續(xù)橋式起重機(jī)出現(xiàn)問題時(shí)的數(shù)據(jù)查詢；獲取的大車行走位置信息還要借助GPRS 發(fā)送至遠(yuǎn)端監(jiān)控系統(tǒng)。鑒于上述較為復(fù)雜的處理過程，像數(shù)據(jù)采集模塊一樣選擇單片機(jī)是不能滿足要求的，故而選擇了更加高端的ARM 芯片。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊軟件設(shè)計(jì)基于其實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集功能開展，其工作過程中主要完成軸銷式傳感器、多圈絕對值編碼器、重量傳感器、溫度傳感器等數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)采集的方式選擇的是循環(huán)采集模式。完成傳感器數(shù)據(jù)采集之后由STC89C52 型號的單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的整合，之后由UART 二次傳輸至數(shù)據(jù)處理模塊中型號為S3C6410 的CPU 中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)采集模塊軟件設(shè)計(jì)編程語言選擇的是C 語言，在Keil C51 環(huán)境下完成，主程序流程如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集主程序流程圖

3.2.2 數(shù)據(jù)處理模塊

系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理模塊主要處理的對象是數(shù)據(jù)采集模塊輸出的橋式起重機(jī)作業(yè)狀態(tài)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理工作首先需要確定數(shù)據(jù)對應(yīng)的參數(shù)類型，之后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將參數(shù)數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換為與之對應(yīng)的實(shí)際數(shù)值。采集得到的參數(shù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)需要顯示在橋式起重機(jī)的液晶屏中，同時(shí)要借助GPRS 技術(shù)實(shí)時(shí)傳輸至遠(yuǎn)端監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。當(dāng)起重機(jī)某個(gè)檢測參數(shù)實(shí)測數(shù)值接近或者超出系統(tǒng)設(shè)置的閾值時(shí)，經(jīng)GPRS 技術(shù)會將故障信息及時(shí)傳輸至遠(yuǎn)端監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警，提示運(yùn)維人員及時(shí)排除故障。數(shù)據(jù)處理模塊主程序流程如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)處理主程序流程圖

3.2.3 人機(jī)交互界面

監(jiān)控系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)基于智能化IOT 技術(shù)完成，如下頁圖4 給出了系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面，其中涉及八個(gè)通道，采集得到八組不同的數(shù)據(jù)。各個(gè)通道由0～7 分別代表了吊鉤起重質(zhì)量、起升電機(jī)軸承溫度、起升電機(jī)軸承振動(dòng)幅值、起升電機(jī)承載能力、大小車行走位置、吊鉤起升高度、吊鉤起升速度。

4 應(yīng)用效果分析

為了驗(yàn)證橋式起重機(jī)作業(yè)狀態(tài)智能化監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性和效果，將其應(yīng)用于汽車廠橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)當(dāng)中進(jìn)行試運(yùn)行，跟蹤記錄系統(tǒng)運(yùn)行情況。應(yīng)用結(jié)果表明，智能化監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了橋式起重機(jī)工作狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測與遠(yuǎn)程控制的功能。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用，提高了橋式起重機(jī)的安全保護(hù)技術(shù)水平，增加了近12%的有效利用時(shí)間，減少了近10%的故障排除時(shí)間，為企業(yè)節(jié)約起重機(jī)運(yùn)維人員2～3 名，提高了橋式起重機(jī)的安全性和可靠性，取得了很好的應(yīng)用效果。