（机械电子工程专业论文）基于无线传输的起重机结构应力在线监测系统研究.pdf

摘要 起重机作为一种装卸设备，广泛应用于工厂、货场、港口等场所，而且也 朝着大型化、重型化和高速化发展，在货运行业发挥着重要的作用。作为起重 机械的金属结构承受着机构传动部分的自重及外载荷，其工作状态直接关系到 整机的工作性能、安全性和可靠性，一旦发生故障会带来巨大的直接和间接损 失。起重机传统的应力监测系统，应变信号使用导线进行长距离的传输或者是 由工作人员直接到几十米高的机械设备上进行采集监测信号，过长的传输线不 仅使成本增加，如果测量点在运动物体上或被隔离区域内，使用导线传输信号 会带来很大不便。 长期的实时在线监测，个重要的问题是信号数据的传输问题。随着无线 通信技术在诸多领域的广泛应用，许多原本独立的设备和系统开始与无线局域 网互联，使越来越多的设备进行远距离传输信息成为可能。起重机在线监测系 统就为这种设备信息资源的共享提供了物质手段。它在工业控制领域有着迫切 的需求和广阔的市场，因此越来越多的企业和个人致力于这方面的研究。近年 来，也给信号的传输提供了很大的便利。作为检测系统中重要环节的数据采集 和传输技术也发生了巨大的变化。相比于传统的数据传输方式，无线传输方式 不考虑长距离传输线缆的安装问题，节省了大量线缆，并且降低施工难度和系 统成本，特别适合人员很不方便到达的区域，应用前景巨大。 起重机在线监测系统实现了对起重机的无线实时在线监测，改变了以前的 传统的监测手段，大大的提高了起重机监测的自动化程度。提高了对起重机的 结构损坏和突发事件的反应速度，缩短故障监测和维修时间，做到了早发现、 早维修，增加了正常的工作时间，提高了生产效率。通过将现代自动化控制、 计算机网络技术、无线通讯等多种技术相结合，改变了原来的自我封闭的单一 控制方式，实现起重机联网自动监测控制的智能化和管理网络化。通过网络技 术，采集起重机械的信号或信息，结合多媒体技术，实现起重机电控系统的全 面计算机图形化监控、故障监控和跟踪，例如各机构的运行状况、故障类型和 故障点等。 本论文以起重机械结构应力为对象，从起重机械的金属结构的特点出发， 结合机械的具体工作条件，对起重机械金属结构应力的在线监测系统进行研究， 以现代机械测试与试验技术为研究手段，采用传统的应变电测法，提出了基于 无线数据传输的在线监测系统的设计方案，进行了该系统的硬件配置和软件编 程。利用现有的网络资源，发挥网络覆盖率高、传输特性好等优势，为数据采 集提供一种便捷的无线数据传输方式，能够随时掌握起重机械承载结构工作时 的技术状态，实现了对起重机械金属结构长期的在线监测。这样不但可以提高 监测的自动化程度，还可以节约大量的人力和资金，方便快捷，有较高的实用 价值和经济价值。 本论文主要分为四个部分，第一部分阐述了无线局域网络的通信技术及其 监测应用；第二部分研究了起重机无线应力监测系统的功能，分析了应变电测 的原理以及方法；第三部分研究起重机在线监测的硬件设施；第四部分对该系 统的软件部分进行了编程开发，数据采集和存储。 关键词：起重机，无线局域网，应力测量，在线监测 a b s t r a c t c r a n ea sa h a n d l i n ge q u i p m e n t , w i d e l yu s e di nf a c t o r i e s ，t h ef r e i g h ty a r d , p o r t s a n do t h e rp l a c e s ，a n di tb e c o m i n gl a r g e r , h e a v i e ra n df a s t e ra c c o r d i n g l y ；p l a y sa n i m p o r t a n tr o l ei nt h ec a r g oi n d u s t r y a saf r a m eo fb q a n em a c h i n e r y , m e t a ls t r c t u r ei s e n d u r i n gt h ew e i g h to ft r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mi t s e l fa n do t h e rl o a d m e t a l s t r u c t u r e sw o r k i n gc o n d i t i o nr e l a t e sd i r e c t l yt ot h ew h o l em a c h i n e s o p c r a t i o n p e r f o r m a n c e ，s a f e t ya n dr e l i a b i l i t y m a l f u n c t i o mc o u l dc a u s eg r e a td i r e c ta n di n d i r o c t l o s s t r a d i t i o n a ls t r e s sm o n i t o r i n gs y s t e mo fc r a n e s t r e s ss i g n a ll o n gt r a s s m i tu s i n g w i r e ，o rs t a f fd i r e c t l yt ot e n so fm e t e r sh i g ho nm a c h i n e r ya n de q u i p m e n ta c q u i s i t i o n t om o n i t o rt h es i g n a l l o n gt r a n s m i s s i o nl i n e sn o to n l yi n c r e a s et h ec o s t , i ft h e m e a s u r e r n e n to fo b j e c t si nt h em o v e m e n ta r e ao ri s o l a t i o n , t h eu s eo fw i r e t r a n s m i s s i o n sw i l lb r i n gal o to fi n c o n v e n i e n c e l o n g - t e r mr e a l t i m eo n l i n em o n i t o r i n ga ni m p o r t a n ti s s u ei st h ei s s u eo fd a t a t r a n s m i s s i o ns i g n a l s e t h e m e ti nm a n yf i e l d s 、析血a 砸d cr a n g eo fa p p l i c a t i o n s ，m a n y o ft h eo r i g i n a le q u i p m e n ta n ds y s t e m si n d e p e n d e n t 硒t he t h o r a c tc o n n e c t i v i t y , s o m o r ea n dm o r e l o n g - d i s t a n c e t r a n s m i s s i o no fi n f o r m a t i o n e q u i p m e n t p o s s i b l e c r a n e - l i n em o n i t o r i n gs y s t e mf o rs u c he q u i p m e n t 0 1 1t h es h a r i n go f i n f o r m a t i o nr e s o u r c 嚣t op r o v i d et h em a t e r i a lm e a l 坞i nt h ef 矗e l do fi n d u s t r i a lc o n t r o l h a su r g e n tn e e d sa n dab r o a dm a r k e t , s om o r ea n dm o r ee n t e r p r i s e sa n di n d i v i d u a l s c o m m i t t e dt or e s e a r c hi nt h i sa r e a i nr e c e n ty e a r s ，t h es i g n a lt r a n s m i s s i o np r o v i d e s g r e a tc o n v e n i e n c e d e t e c t i o ns y s t e ma sa ni m p o r t a n tl i n ki nt h ed a t aa c q u i s i t i o na n d t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yh a sc h a n g e dd r a m a t i c a l l y c o m p a r e dt ot h et r a d i t i o n a lw a y o fd a t at r a n s m i s s i o n , w i r e l e s st r a n s m i s s i o no v e rl o n gd i s t a n c e sw i t h o u tc o n s i d e r i n g t h ei n s t a l l a t i o no ft r a n s m i s s i o nc a b l e s ，s a v i n gal a r g en u m b e ro fc a b l e sa n ds y s t e m s t or e d u c et h ed i f f i c u l t ya n dc o s to fc o n s t r u c t i o n , i np a r t i c u l a r , i sv e r yc o n v e n i e n tf o r s t a f ft or e a c ht h er e g i o n , ag r e a tp r o s p e c t c r a n e l i n em o n i t o r i n gs y s t e mo ft h ec r r n ew i r e l e s sr e a l - t i m eo n l i n em o n i t o t i n g , h a sc h a n g c dt h et r a d i t i o no fp r e v i o u sm o n i t o r i n gt o o l s ，g r e a t l yi n c r e a s e dt h ed e g r e e o fa u t o m a t i o n , m o n i t o r i n gb r 盔 l e t oi m p r o v et h es t r u o t u 尬o ft h eo r a l l ed a m a g e da n d i l l e m e r g e n c yr e s p o n s e s p e e d a n ds h o r t e nt h et i m ef o rf a u l t m o n i t o r i n g a n d m a i n t e n a n c et oa l s u 坞t h ee a r l yd e t e c t i o n , e a r l ym a i n t e n a n c e ，趾i n c r e a s eo fn o r m a l w o r k i n gh o u r s ，i n c r e a s e dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y t h ea d o p t i o no fm o d e r na u t o m a t i o n a n dc o n t r o l ，c o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g y , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sa n do t h e r t e c h n o l o g y , c h a n g e si nt h eo r i g i n a ls e l f - i s o l a t i o no fas i n g l ec o n t r o l ，a u t o m a t i c m o n i t o r i n gn e t w o r kt o a c h i e v eac r a l l cc o n t r o la n dm a n a g e m e n to fi n t e l l i g e n t n e t w o r k t h e a d o p t i o n o fn e t w o r kt e c h n o l o g y , a c q u i s i t i o no fs i g n a lc r a l l oo r i n f o r m a t i o n , c o m b i n e d 、以mm u l t i m e d i at e c h n o l o g y , t h er e a l i z a t i o no faa 黜 e l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e mo fc o m p u t e rg r a p h i c so fac o m p r e h e n s i v em o n i t o r i n g , f a u l t m o n i t o r i n ga n dt r a c k i n gt h eo p e r a t i o no fa g e n c i e ss u c ha ss t a t u s ，f a u l tt y p ea n df a u l t p o i n t s i nt h i sp a p e r , t h em e c h a n i c a ls t r u c t u r ei no r d e rt ol i t t i n gs t r e s sf o rt h eo b j e c t , f r o mt h el i f t i n go fm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fm e t a ls t r u c t u r e s ，c o m b i n e d 谢mt h e s p e c i f i cw o r k i n gc o n d i t i o n sm a c h i n e r y , m e t a ls t r u c t u r c s f o rs t r e s s l i l t i n g - l i n e m o n i t o r i n gs y s t e mt o u n d e r t a k eas t u d yt ot e s ta n dt e s to fm o d e mm e c h a n i c a l t e c h n o l o g yt os t u d yt h em c 雒 t l so ft r a d i t i o n a ls t r a i nm c a s t t r e m e n tm e t h o d , b a s e do n w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o nl i n em o n i t o r i n gs y s t e md e s i g nf o rt h es y s t e mh a r d w a r e c o n f i g u r a t i o na n ds o t t w a r ep r o g r a m l m g u s eo fe x i s t i n gn e t w o r ki e s o u i c i g s ，e n g a g e i np l a yn e t w o r kc o v c l a g l ：, s u c ha si r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fag o o da d v a n t a g e f o rd a t ae o u e c t i o nt op r o v i d eaw i r e l e s sd a t at r a n s f e ra n dc o n v e n i e n tw a yt ok e e pt h e s l z u e t t t r eo ft h ew o r kl o a dl i f t i n ge q u i p m e n tt e c h n i c a ls t a t eo ft h er e a l i z a t i o no ft h e e f f e c th e a v ym a c h i n e r ym e t a l $ 1 1 u c t t d eo n l i n ol o n g - t e r mm o n i t o r i n g t h i sw i l ln o t o n l yi m p r o v et h em o n i t o r i n go f t h ed e g r e eo fa u t o m a t i o n , y o uc a ns a v cal o to f h u m a na n df i n a n c i a lr e s o u r c e s , c o n v e n i e n ta n dh a v eah i 。g hp r a c t i c a lv a l u ea n d e c o n o m i cv a l u e t h i sp a p e ri sd i v i d e di n t of o u rp a r t s , t h ef i r s tp a r to faw i r e l e s sl o c a l8 1 i e l l n e t w o r ka n di t sm o n i t o r i n go fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya p p l i c a t i o n s ；t h es e c o n d p a r to f t h es t u d ys t r e s sc r 柚ew i r e l e s sm o n i t o r i n gs y s t e m , a l la n a l y s i so ft h ep r i n c i p l e o f $ 1 1 a i l lm e a s u r e m e n ta n dm e t h o d ；t h et h i r dp a r to fr e s e a r e l ae r a n e - l i n em o n i t o r i n g o ft h eh a r d w a r ef a c i l i t i e s ；a r t i c l ef o u rp a r t so ft h es y s t e mp a r to ft h ep r o g r a m m i n g s o f t w a r ed e v e l o p m e n t ，d a t ac o l l e c t i o na n ds t o r a g e k e yw o r d s ：e r a n e , w l a n ；s t r a i nm 或哪r e ，o n - l i n em o n i t o r i v 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ：年日期：! 竺 兰i 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印和其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并 向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：纽导师( 签名) ： 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第1 章绪论 武钢三炼钢桥式起重机状态监测在线监测系统的设计 1 2 研究的背景及意义 1 2 1 研究的背景 近几年，随着我国工业的快速发展，作为特种设备的起重机行业也发展迅 速，2 0 0 1 年到2 0 0 4 年连续4 年工程起重机行业销量增幅在3 0 以上，仅2 0 0 6 年销售额就达近7 0 亿元。起重机作为一种装卸设备，广泛应用于货场、港口、 厂矿等场所，在货运行业发挥着重要的作用，其工作性质要求其结构及零部件 具有高可靠性。 金属结构是装卸机械的支持构架，支承着各工作机构自重以及外部载荷。 大型机械荷载运动空间高、移动范围大、载荷量重的特点使其安全可靠性尤为 重要，从而对结构强度提出更高要求。应力应变测试是研究大型机械结构强度 的重要手段。采取相应措施对港口大型机械的金属结构应力状态实行有效监测 和诊断预测，保证设备运行安全，提高装卸作业效率，对于保证机械运作效率， 提高设备工作利用率，具有十分重要的意义。 起重机的失效事故后果往往非常严重。其中钢结构的安全性尤其重要，钢 结构的破坏会带来巨大的经济损失甚至人员伤亡事故。如：1 9 9 0 年秦皇岛港1 台门机转台以上结构件整体断裂造成灾难性破坏，1 9 9 7 年3 月山东日照港1 台 1 6 2 5 吨门机突然臂架折断造成严重事故，每次造成的事故少则几十万多则几百 万的巨大经济损失和人员伤亡，而且事故大部分发生在正常的工作状态下【l 】。 所以为了保证起重机械金属结构在服役期内的安全性，实时了解结构的工作状 况，即时调整结构的运行条件或采取适当的养护、维修措施，已成为设备制造 厂和使用单位所关注的重点。 随着人类社会的不断进步，人们的安全意识不断增强，为了减少安全事故 武汉理工大学硕士学位论文 和经济损失，应在生产设备上安装相应的实时安全监测装置，保证设备的安全 运行。监测设备金属结构故障时有很多方法，其中应力检测是其中一种很重要 的方法。可以通过检测设备的应力，通过分析来预测和防止设备的事故发生率。 从而保证生产和生活的正常进行，降低事故发生的可能性。 起重机械的监测的方法也有很多种。从有线到无线，从单一监测到联网监 测。无线监测突破了有线监测布线难的困惑，联网监测也增加了监测工作人员 的工作效率。早期的远程监测是利用小型大功率无线电台、低压电力载波、 m o d e m 、等专线或专业网络将设备现场和控制中心连接起来，传感器采集到的 状态信息按照预定的协议传送给控制中心。有单片机过程的数据采集系统和p c 机通过串行口构成的多处理器系统，大多采用r s - 2 3 2 ，r s - 4 8 5 或是有线m o d e m 的通信方式。这种方式的特点是自成系统，数据传送快速、安全、经济实用， 但是有线数据传输方式在很大程度上限制了应用场合的拓展，其缺点是需要单 独布设通信线路，当距离很远时将大大增加工程的成本。随着起重机行业的迅 速发展，用户对起重机的监测技术提出了更高的要求，起重机械的监测方式也 发生了巨大的变化；需要用先进的控制理论和技术消除作业中存在的问题和缺 陷，提高起重机的安全性和稳定性。随着计算机技术的发展，利用计算机实时 状态监控能够大幅度的降低设备故障率，缩短故障监测与维修时间，增加正常 运转时数，提高生产效率。据统计利用计算机监测数据进行起重机视情维修， 可使事故率减少7 5 ，设各维修费用降低( 2 5 5 0 ) 。据估算，若全面采用计 算机监测与诊断技术代替传统的设备维修方式，我国每年新增效益将达到数百 亿人民币。因此，该技术问世以来，在全世界范围内得到了迅速发展，目前应 用相当广泛。可见起重机的安全监测装置在保证起重机安全生产中充当非常重 要的角色，直接关系到起重机的安全生产，应该引起各方面人员的重视。 近年来，随着计算机网络技术的发展。无线技术的发展给信息的传输提供 了很大的便利。能够更好的实现起重机械结构的远程、实时、在线、自动监测。 作为检测系统中重要环节的数据采集和传输技术也发生了巨大的变化。相比于 传统的有线数据传输方式，无线传输方式节省了大量线缆，并且降低了施工难 度和系统成本，特别适合布置在电源供给困难的区域或人员到达的区域，应用 前景巨大。本文介绍一种无线监测系统在起重机监测中的应用。 无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。从专业角度讲，无 线局域网利用了无线多址信道的一种有效方法来支持计算机之间的通信，并为 2 武汉理工大学硕士学位论文 通信的移动化、个性化和多媒体应用提供了可能。通俗地说，无线局域网 ( w i r e l e s s l o c a l a r e an e t w o r k ，w l a n ) 就是在不采用传统缆线的同时，提供各种 网络通信模式的一种网络通信功能。它成功的原因在于，在过去2 0 年里，其标 准一直随着网络的需求不断改进。作为i p 网络的一种极具吸引力的解决方案， 无线局域网具有下列关键特性：可扩充性；灵活的部署距离，支持从短程局域 网( 大约l o o m ) 到长距离城域网( 4 0 k i n 以上) 的各种网络应用；成本低；灵活性和 互操作性；易于使用和管理。这些因素使无线局域网成为目前组网建设的重要 实现技术。 1 2 2 研究的意义 随着科学技术的进步，现代化工程技术系统正朝着大规模、复杂化的方向 发展。系统的复杂程度和自动化水平越来越高，使得影响系统运行的因素增加， 产生故障或失效的可能性增大，一旦出现故障，就会产生链式反应，导致整个 系统损坏，不仅造成巨大的经济损失，而且严重地危及到人身安全。因此，在 做好可靠性设计、管理等工作的基础上，系统状态的自动检测以及故障的准确 诊断、定位与预测得到广泛重视。大型设备状态监测与故障诊断技术在近十年 内得到了前所未有的发展，它对工业部门重要设备的管理维护、提高企业生产 能力、保证安全生产、改进产品质量都具有重要意义。 设备状态监测和故障诊断是从医学检验和诊断受到启发。有经验的人员利 用耳听机器运转发出的声音，就可能知道设备运行是否正常。而现代状态监测 与故障诊断技术，则是随着系统工程、信息论、控制论、电子技术、计算机技 术、通讯技术等的发展而发展起来的，是多种学科和技术交叉与渗透而产生的 一门新兴综合性高科技技术。其研究内容涉及故障机理、传感器与测量技术、 数据采集、数字信号处理、数据库、专家系统、计算机软硬件、通讯等领城。 状态监测和故障诊断技术在航天航空、能源电力、石油化工、交通运输、 机械加工等行业都有应用。例如航空发动机与飞机，核反应堆，汽轮发电机组， 冶金设备，石油化工设备，船舶发动机及其汽轮机，车辆发动机，矿山机械与 矿井设备，以及大型结构的无损探伤及故障诊断。其作用主要表现在： ( 1 ) 早期预报，防止事故发生； ( 2 ) 预知性维修，提高设备管理水平； ( 3 ) 提高设备的设计、制造水平，改进产品质量： 3 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 确定复杂机器的最佳工作参数，提高效率； ( 5 ) 降低噪声、泄漏等污染，保护环境。 随着起重装卸机械设备朝着大型化、连续化、高速化和自动化方向发展， 使得设备的组成与结构变得越来越复杂。这一方面满足提高装卸效率，降低生 产成本等客观要求。但另一方面，机械设备发生故障的机会越来越多，造成停 工停产所带来的经济损失也越来越大。因此各个厂矿部门对机械设备工作的可 靠性都提出了严格的要求。为确保各种装卸机械设备的安全运行，提高其可靠 性和安全运转率，必须采取相应措施对港口装卸机械的运行状态实行有效监测 和控制，以便及时发现异常情况，采取措施减少或避免突发性故障，保证设备 安全可靠，提高货物装卸效率，这对提高工作效率节省不必要的开支，促进经 济发展，都具有非常重要的意义。 现阶段我国起重机械都处于超期服役状态，工况也比较恶劣，我国目前仍 然主要沿用传统的。定期保养，事后维修 制度，故障检测与修复的设备和手 段也较落后，导致整机可靠性差、安全隐患多、停机待修时间长，严重影响了 装卸效率和整机工作潜力的发挥。因此，为保证起重机的安全可靠运行，对其 进行状态监测显得尤为重要和紧迫。特别是金属结构的疲劳载荷时间历程对起 重机整机质量的影响很大，相关数据的有效采集和分析处理，更是设备管理人 员进行维修决策和估算剩余寿命所必不可少的重要科学依据。 但是起重机械大都属于大型机械，起升、运行、旋转、变幅等各工作机构 一般都布置在离地几十米高的主机房里，装卸设备的上下楼梯又都很陡峭和狭 窄，携带电荷放大器、磁带记录仪、示波器等监测仪器进行设备的监测比较困 难，在需要多次测试的时候，就更使测试人员疲于奔命。 然而到目前为止，对起重机械的监测都是通过实验人员定期带仪器设备到 工作环境复杂的大型机械上进行检测，测试人员的工作危险而且繁琐，并且得 到的数据只是我们所选取的时间点的状况，并不能完全说明整台机械设备长期 以来的工作状态。而且无法长期监测机械结构点的故障状态，无法在结构可能 处于危险工作状态的第一时间提醒工作人员进行维护。 远程监测技术，是利用远程数据传输网络系统在异地对现场设备实施监视、 测试。1 9 9 7 年1 月，斯坦福大学和麻省理工学院联合主办了首届基于i n t e r n e t 的工业远程监测研讨会，标志着远程监测技术的诞生，国内外很多企业、研究 院所和高校都开展了这方面的研究，如美国n a s a 的用于复杂设备的远程监测诊 4 武汉理工大学硕+ 学位论文 断服务系统；德克萨斯m o n i c o 公司开发的发动机远程监控和i n t e r n e t 信息服 务系统；清华大学以大型电站设备为对象，开展了远程在线监测研究；同济大 学在中德合作项目的资助下，开展了制造企业远程服务系统的研究；华中科技 大学提出了基于i n t e r n e t 的远程协作故障诊断的相关理论；武汉理工大学以港 口机械金属结构为对象也进行了大量的研究工作。 一般来讲，凡是采用无线传输媒体的计算机局域网都可称为无线局域网。 这里的无线媒体可以是无线电波、红外线或激光。无线局域网的基础还是传统 的有线局域网，是有线局域网的扩展和替换。它是在有线局域网的基础上通过 无线、无线访问节点、无线网桥、无线网卡等设备使无线通信得以实现。 因此，一种能长期稳定实时在线监测起重机械状态的测试系统对于企业来 说，是极其重要的。它无须频繁让检测人员到机械设备上进行检测，能随时提 供机械结构一段时期以来的工作状态。检测人员只需在控制室的主控机上便可 得到机械结构工作状态的详细数据，从而使的工作人员随时能掌握机械结构的 工作状态，有利于从根本上改变我国现行的“事后维修”和。定期维修 体制， 并逐步走向“视性维修一或“状态维修一体制。 1 3 起重机监测的国内外发展概况 近年来，机械故障诊断技术迅速发展，并在机械、化工、电力、航天、核 能等多个领域取得了大量的应用成果。 1 ) 国外研究现状 美国最早开展状态监测与诊断技术研究，1 9 6 7 年，在美国宇航局和海军研 究所的倡导和组织下，成立了美国机械故障预防小组。其后，美国的b t e n l y 、 l i p 、s c i e n t i f i ca t l a n t a 等公司也都成立了诊断技术研究中心，各自开发了高 水平的诊断系统；英国对设备故障诊断技术的研究开始于2 0 世纪6 0 年代末。 目前，英国在摩擦磨损、汽车、飞机发动机监测和诊断方面具有领先优势。日 本在钢铁、化工、铁路等民用工业中的诊断技术也具有较高水平【2 】。 ( 1 ) 日本大型机械监控技术应用研究 日本安川公司的基于无线接入技术的起重机监控系统( c r a n em o n i t o r i n g s y s t e m ，c m s ) 利用移动通信技术与智能传感技术相结合，实现了对集装箱装卸设 备的远程监控。借助于远程监控可以将企业内部的信息网与控制网有效地连接 5 武汉理工大学硕士学位论文 起来，实现对生产状况的随时掌握，把生产状况同企业的经营管理策略紧密结 合，从而实现企业的综合自动化可以建立网络范围内的监控信息、数据、知识 的资源库可以实现现场运行数据的实时采集，为远程故障诊断提供依据技术； 人员无需亲临现场或恶劣坏境就可及时监视现场设备状况并控制生产系统，实 现无人或少人值守。 日本住友公司开发的包括金属结构应力在内的大型起重机械监控系统应用 超高速交换路由技术实现其遍布全世界的机械产品在线状态检测。在结构应力 检测中，住友主要使用可靠性高的焊接式电阻应变计，为其国际化、网络化、 高品质服务提供有力依据。 ( 2 ) 马来西亚港口设备监控与调度管理系统 马来西亚的j o h o r 港口利用无线接入技术实现装卸机械、集装箱、船舶与 监控中心的实时数据通信，并借助o r a c l e 数据库软件和相应计算机硬件完成实 时在线数据交换，利用美国n a v i s 公司的s p r c s 和e x p r e s s 软件系统，进行统 一监控与调度，实现了集装箱自动化作业。 ( 3 ) 德国基于非线性神经网络的钢板厚度监控系统 德国戴姆勒一奔驰一公司为实现板厚的精确控制，通过四个厚度传感器， 应用径向基函数网络的特殊形式g a u s s i a n 网络，建立冷轧机板厚控制模型。通 过对比逆模型开环闭环控制的评价指标，得出控制器与控制对象逆模型闭环控 制灵敏度较高的结论，并用内模控制和模型预测控制获得较好的结果。该系统 为神经网络在过程控制中的应用奠定了基础。 ( 4 ) 荷兰基于g i s 和无线通信的港口智能化信息管理系统 荷兰鹿特月一港的智能信息管理系统包括三个子系统：港区地理信息系统、 港区箱管信息系统、港区监控调度系统。采用2 4 g 微波扩频技术提供信息交换 平台，使三个系统无缝连接。港区地理信息平台是收集、存储、管理、综合分 析和处理空间信息和港区车辆交通信息的计算机系统，是g i s 技术在港口车辆 调度系统中的延伸。港区信息系统建设在通讯网络和地理信息平台的基础上， 将港区现场的各种机械( 岸桥、场桥、叉车、集卡) 等相关信息一方面实时地反 映到电子地图，另一方面送入监控调度系统。港区监控调度系统把整个港区的 设备集成到一个网络中，实现作业信息和设备状态的一体化管理。 2 ) 国内研究现状 监测与诊断技术在我国广泛的研究开始于2 0 世纪8 0 年代，目前，国内有 6 武汉理工大学硕士学位论文 多家科研院所和高校正在进行故障诊断技术的研究，清华大学、西安交通大学、 华中科技大学、东南大学、同济大学、武汉理工大学等高校都有自己非常有特 色的研究成果。 ( 1 ) 东南大学，设备监控与故障诊断研究所 东南大学的研究重心在旋转机械的工况监视与诊断方面，目前研制开发了 机械设备工况监视与故障诊断系统系列 i f d 产品。产品利用振动、温度、压力 等传感器在线获取机组运行状态信息。信号采集部分根据转速信号实现整周期 并行采集多路振动信号实时监视部分一天2 4 小时实时显示各种快变信号如( 振 动) 和缓变信号( 如压力、温度) 的数字和图表，运用振幅、振幅增加速率和分频 振幅值等多种方法判别机组运行是否正常，实现异常工况自动报警，并有在不 可预见事故发生时保存现场信息的“黑匣子一功能；在线故障诊断部分定时接 收数据采集实时监视系统传来的振动、振动相关信号及特征数据。利用逻辑推 理、数值分析，结合领域专家知识和机组历史档案进行综合分析，并采用人工 智能技术，把人工神经网络融入逻辑推理专家系统的推理机制，通过全局逻辑 推理、局部人工神经网络并行计算的推理机制，模拟人类形象思维和逻辑思维 相结合的过程，给出故障信息和解决问题的对策。 ( 2 ) 上海交通大学基于移动通信技术的港口起重机远程监控系统 上海交通大学系统的现场监控采用的是g e 9 0 3 0 系列p l c ，利用无线网关连 接现场起重设备和监控中心，通过t c p i p 协议实现检测数据的无线传输。系统 可对码头的任一台设备进行在线监测，必要时可对故障设备进行远程诊断。但 是，该系统监控对象仅为设备电控信号，且在港口恶劣环境下的实时性、可靠 性和稳定性有待进一步提高。 ( 3 ) 天津港基于短信平台的起重机动态监测装置 天津港起重机动态监测装置安装在港口门式起重机上，于2 0 0 1 年投入使 用，可以动态地测出门式起重机的吊装重量、电源的工作电压、耗用的电能、 各运行电机的三相定子与转子电流、卷扬系统齿轮箱的冷却油温、起重机旋转 的角度、起重钩头的高度及桥臂前后运动的限度等，可将测得的主要信息记录 在i c 卡、磁卡或其他记录媒体上，定时将上述信息以无线通讯方式发送到局域 网。该装置除缺少金属结构监测外，因其使用特殊记录载体，较适合于生产经 营管理监督，而不利于操作人员管理人员及时、直观地掌握设备状况日。 c 4 ) 华中科技大学网络化远程监控 7 武汉理工大学硕士学位论文 以华中科技大学为代表的国内科研机构将i n t e r n e t 技术引入设备远程监 控系统中，实现了基于i n t e r n e t 的远程监控。目前正在向嵌入式i n t e r n e t 接 入技术和基于m u l t i a g e n t 的分布式智能测控方向作进一步研究。在分布式监 控领域，目前，m a s 的研究在国外逐渐增多，国内也在起步，但大多这些研究 或者停留在理论层面，或者只具备不多的a g e n t 特性，并且缺少与控制算法有 机融合。基于m a s 的分布式智能监控技术与一般智能信息系统中的m a s 技术相 比具有一定的特殊性，它要求高的实时性和可靠性，同时要考虑其强的资源受 限性。 ( 5 ) 武汉理工大学光纤光栅大坝健康监控系统 该系统应用光纤光栅传感器，建立结构应变监测系统，目前在武汉长江二 桥、水布娅大坝等重要设施的监控中发挥巨大作用。 ( 6 ) 南京长江大桥结构在线健康监测系统 南京长江大桥健康监测系统于2 0 0 4 年投入使用，由传感系统、信号分析与 处理系统、监测与评估系统组成。为了满足采样速率和数据实时处理的要求， 系统将信号分为三类由三台计算机分别控制，三类信号分别是应变类传感器采 用金属电阻应变计、振动类传感器主要有加速度传感器、拾振器和位移环境类 传感器。设备运行的可靠性、被测信号的真实性和有效性特别是识别雷击、周 边环境等各种干扰在该系统中得到较好的解决。为了保证采集箱数据远距离传 送的可靠性，采用统一标准接口为了防止扩展时前级机箱故障对后级系统的影 响，扩展采用分别中继，保证了公里范围内所有数据安全可靠的传送。数据进 入控制室后，经一转换器传入计算机，为提高数据传输的快速和可靠，后期改 为用火线口或直接使用口。转换器内设置的单片机，负责控制数据采集和将数 据直接传送到计算机内存，保证了计算机的有足够的时间对信号进行预处理、 存硬盘、显示以及将有效数据传送至土位机，实现了对数据的实时处理，避免 了大量监测数据得不到妥善处理和利用，无用数据造成数据库的堵塞【3 4 】。 控制中心利用获取的信息分析结构的工作状态，评估结构的可靠性，为大 桥的管理和维护提供科学的决策依据。 目前，国内外在设备监控和故障诊断领域已经取得卓有成效的应用，从监 控系统硬件开发到故障诊断分析算法到工程远程网络监控的实现，为进一步的 研究工作提供了丰富的资源。 8 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 起重机在线监测的发展趋势 由于起重机是一种大型的机械设备，起升、运行、回转、变幅等各工作机 构一般都布置在离地几十米高的主机房里，装卸设备的上下楼梯又都很陡峭和 狭窄，布片、布置电缆、携带测试仪器进行设备的监测比较困难，在需要多次 测试的时候，就更使测试人员疲于奔命。现今起重机在线监测的主要从以下几 个方面发展： ( 1 ) 整体系统 高度集成的信息化系统：随着计算机技术、自动控制技术、传感器技术 的进一步发展，出于提高起重机工作效率和保证施工安全的要求，起重机安全 监控系统将具有更高的信息采集和数据处理能力，以大大降低作业者的劳动强 度，保障人身、设备安全。 一体化起重机监测控制系统：特别对于大型起重机系统，由于其设备昂 贵、结构复杂，对于监测控制系统要求更高，一体化的起重机监测控制系统更 是其发展方向，所谓的体化起重机监测控制系统集成了运行控制系统、安全 监控系统和自诊断监控系统的功能，统一控制起重机设备和监视起重机运行状 态，其基本结构将是一种集中分布式结构，即以高性能的计算机系统做中央控 制单元，履行状态、故障信息的集中显示与存储并监视各个智能监测控制单元 的工作，大量的智能监测控制单元则监控起重机的某部分，并将获得的某些 重要信息通过总线技术传送到中央控制单元，这些智能控制单元可以由单片机、 d s p 处理器、p l c 等为主组成，这种总体解决方案能够降低系统的设计成本并 提高系统性能。 ( 2 ) 软件 优良的人机交互环境：人机界面将追求更加简单的操作，更大信息量的 显示，更美观漂亮的界面，很多系统将具有起重机工作过程动态图形模拟显示 功能，显示器将根据系统性能的要求和工作环境的情况，使用l e d 数码管显 示器、字符式液晶显示器、点阵图形式液晶显示器