基于LabVIEW 的大型起重機應變監測系統的設計

周浩丞，黃曉華，劉志良，鄭曲飛，湯寶生

（1.南京理工大學，江蘇 南京 210094；2.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院蘇州分院，江蘇蘇州 215031）

大型起重機作為建筑、冶金、水利電力、機械、港口、石油化工等行業中不可缺少的重要設備之一，正在高參數、大型化地發展，同時，起重機機構的運轉速度和起升高度也隨之提高。大型起重機的設計壽命和實際壽命也不盡相同，甚至會出現較大的誤差，這是由于實際工作時所受的負荷和設計時所承受的負荷存在較大的差異[1]。另外，我國引入大量國外起重機，有些大型起重機大多數時刻都在高強度的應力下工作，甚至超出其允許使用的應力范圍，至今尚無起重機設備使用期限的規范，現有的起重機大部分都已經服役多年，對于企業來說非常關心，非常迫切需要解決的就是其使用年限的預測[2]。但鑒于大型起重機購置成本較高，相關生產制造企業無法頻繁更換大型起重設備，往往只是根據工程技術人員的主觀經驗進行一些簡單的維護，到現在為止，還沒有準確的方法對大型起重機的剩余壽命進行的預測。該文提出了一種大型起重機專用應變數據采集系統，實現對應變信號的采集、儲存、顯示等功能，以便得出在使用大型起重機時危險點的應變值，從而計算出其疲勞壽命，判斷其是否需要修理及維護[3]。

1 需求分析和方案設計

該文以橋式雙梁起重機為例，根據圖紙分別對該起重機各部件進行建模，再按照裝配關系完成結構裝配體，起重機三維建模如圖1 所示。

圖1 起重機三維模型圖

該文選用映射網格劃分法對該起重機三維模型進行網格劃分，結果如圖2 所示。

圖2 網格劃分結果

模擬大型起重機的典型工況，橋式起重機運作時會受到自重載荷、起升載荷和風載荷，可通過有限元分析得到的應力云圖，如圖3 所示。

圖3 起重機典型工況下應力云圖

從云圖可以看出起重機的危險點分布較廣，且其中的大多數都處于距離地面較遠的位置，測量設備要能夠同時對距離較遠的多個測量電位進行測量，接收其傳輸回來的數據，且在用起重機工況復雜多變，且其工作過程中也存在著一定程度的危險性，傳統的有線數據傳輸的測量方式受到了很大限制，很難在這種情況下發揮作用[4]。因此，該文設計的大型起重機專用應變數字采集系統將采用無線熱點（WiFi）的數據傳輸方式，采用串口轉WiFi 模塊，同時滿足大跨度、遠距離、多測點的測量需要，其數據傳輸模式如圖4 所示[5]。

圖4 專用應變數據采集系統信號傳輸模式

該應變數據采集系統由上位機和下位機兩部分構成。下位機主要功能包括數據生成模塊和數據發送模塊；上位機則主要由數據接收模塊、數據存儲模塊、數據處理模塊這幾個部分組成[6]。系統的總體設計框架如圖5 所示。

圖5 系統總體框架

2 系統采集端設計

2.1 應變片的選擇

所謂應變就是物體受到的作用力導致物體發生形變的程度，其定義是物體受到力后，其長度發生變化的變化量和最初或者最終長度的比值。應變片即是能夠實現應變測量的傳感器，也被稱為應變計[7]。應變片原理如下：

式中，Ks為金屬絲的靈敏系數，即應變因子，其物理意義為單位應變引起的電阻相對變化。實踐表明，許多金屬在塑性變形區內，泊松比μs=0.5，應變因子Ks=2。

箔式應變片由網格狀的箔導體構成，在絕緣的基底上粘合這些箔片。測量時應將應變片放置在物體上，被測物體的形變會直接反應到應變片上，其結構如圖6 所示。

圖6 應變片結構

為測量電阻的微小變化，應變片必須使用專門的電路，最常使用的電路是惠斯通電橋，其帶有電壓或電流激勵源，如圖7 所示。四個橋臂由電阻R1、R2、R3、R4組成。VEX是電壓激勵，從電橋的頂點接入，一般為5 V 或12 V 的直流電壓。該激勵電壓會對應變測量的結果產生較大的影響。VIN從電橋的另兩個頂點引出，為電橋輸出電壓，也就是測量電壓[8]。

圖7 惠斯通橋電路

2.2 單片機的選擇

考慮系統對網口等外設和計算能力的需求，選用STM32F407ZET6 單片機。該單片機主要包括ARM32-bit Cortex-M4 的CPU，主頻可達168 MHz，內部集成512 kb 的Flash 存儲器、192 kb 的SRAM 存儲器，具有四個USART、一個10/100 M 以太網MAC接口和三個交錯式12 位ADC。

系統利用單片機STM32F407ZET6的USART外擴RS485接口電路連接應變片，以太網MAC接口經RMII連接以太網PHY 層芯片實現以太網通信。該單片機集成了12位ADC，可以滿足振動信號采集的要求[9]。

2.3 串口通信

該文的串口轉WiFi 模塊選用的是ATK-RM04模塊，ATK-RM04 是ALTENTEK 推出的一款高性能UART-ETH-WiFi(串口—以太網—無線網)模塊，其原理圖如圖8 所示[10]。

圖8 ATK-RM04模塊原理圖

該模塊支持路由器模式，可以作為一款無線寬帶路由器來使用。作為無線寬帶路由器，ATKRM04 將有線和無線網結合起來，支持網關、橋接、以太網等多種功能；它支持11n/b/g 的無線通信標準，最高可達到150 Mbps 的數據流，ATK-RM04 的功能架構如圖9 所示[11]。該系統采用的是ATK-RM04 模塊的串口轉WiFi的功能。

圖9 ATK-RM04功能結構

2.4 ADC采樣電路

選擇16 位分辨率、200 ks/s 采樣率的同步采樣模數轉換器AD7606-4 實現應變片信號的采集，其具有四個采樣通道，內置電壓基準源，能接受±5 V、±10 V 的雙極性信號，具有輸入鉗位保護和高輸入阻抗的特點[12]。

AD7606-4 支持并口、SPI 等接口方式連接，為了簡化程序設計、提高速度，采用并行連接的方式，AD7606-4 通過FSMC 總線與單片機連接，ADC 接口電路如圖10所示。ADC電路采用內置的電壓基準，考慮信號的特點通過OS0、OS0、OS02 引腳設置過采樣率為4，起到了均值濾波的效果，16位數據總線和讀寫等信號通過FSMC總線時序進行控制，實現模數轉換。

圖10 ADC采樣電路

3 系統軟件設計

系統軟件分為單片機和上位計算機部分，通過Modbus TCP 協議交換數據。Modbus TCP 采用的是主從通信策略，需要由主設備對從設備發起通信要求，系統將上位計算機設為主機。單片機按一定的頻率要求獲取應變數值，儲存在指定區域，當上位機發起請求時，回傳測量得到的數據[13]。

上位計算機軟件采用NI 公司的LabVIEW 虛擬儀器平臺進行開發，LabVIEW 具有豐富的信號處理函數和模塊，與Matlab 等軟件調用也比較方便，有利于軟件的快速開發。基于LabVIEW 的上位機程序后面板，上位機與單片機之間的通信通過LabVIEW 中數據記錄和監控(DSC)模塊中的Modbus TCP 函數實現，將相關控件放入程序后面板，設置好IP 地址、功能碼、起始地址和寄存器數量等參數即可完成通信模塊的配置，接入顯示控件進行顯示[14]。

通過運行該LabVIEW 程序，可以同時顯示出兩個不同的監測界面，可以實現同時對兩個不同的無線應變傳感器所傳輸上來的數據進行監測及顯示。當在處于更加復雜的工況，需要傳輸更多組數據，用到數量更多的應變傳感器時，可以按照需要用到的應變傳感器數量來設置更多的顯示界面來實現[15]。另外該系統還增加了警報功能，在下位機測得的實時應變值過大時警報燈會轉變為紅色，及時發出警報。

儲存傳輸數據的方法，是使用LabVIEW 建立一個路徑控制項來建立一個新表格，下位機傳輸上來的所有數據都會被儲存在表格中，程式控制項可以將表格儲存在程式的同一路線中[16]。在每一次按下運行鍵以獲取應變數據時，程式就會自動開始儲存傳感器所傳輸過來的數據，并與運行狀況保持一致。

另外也為該系統也設置了歷史數據查詢功能，由于收集到的數據都是儲存在數據庫中的，因此要從數據庫中提取數據，只需要根據特定的條件，從數據庫中檢索即可，儲存數據的表格主鍵已設為保存時間，因此每個數據在時間上是唯一的，因而檢索條件可設制為儲存數據的時間[17]。

4 實驗驗證

采用Q235鋼制試件的單邊應變實驗來驗證上述系統的可行性。如圖11所示，試件的尺寸為300 mm×45 mm×2 mm，使用線切割的方法在中線處預設置3 mm×0.2 mm×2 mm 的垂直缺口來測試試件發生疲勞破壞后的應變值。

圖11 試件尺寸

在通過串口轉WiFi 模塊將系統上位機與下位機進行連接之后，準備好下位機兩個遠程應變傳感器，將兩個傳感器分別放置于試件缺口附近以及另一沒有缺口的試件表面的，得到應變的應變數據曲線。

從應變數據曲線可以看出有預置缺口的試件應變數值明顯高于完好試件的應變數值，可以證明該應變采集系統是可行的，可以對機構的應變值數據進行遠程采集并傳輸。

5 結束語

該文應變數據采集系統的設計方案是在掌握虛擬儀器技術原理的基礎上，結合實際情況與相應的設計要求，利用程序開發軟件LabVIEW 實現的對大型起重機進行應變監測的方案。該文設計的應變數據采集系統實現了對應變數據的精確采集，以及對采集到的應變數據的顯示，所設置的串口轉無線模塊流程簡化，整個程序的結構也比較簡潔。因為是模塊式的數據采集系統，所以該系統是可搭建的，靈活性很強，可以根據使用者的需求隨時進行調整，以適應不同工況下的各種起重機。該系統在功能上，還存在進一步開發和研究的空間，可以利用互聯網技術，同時連接多個起重機表面的應變計，實現一臺上位機同時測量多個在用起重機的疲勞壽命值，此時將會進一步提高該系統的工程應用價值。