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塔式起重机智能监控及故障诊断系统 摘要 塔式起重机( 简称塔机) 是工业和民用建筑施工中完成重物吊装工作的主要 设备，具有工作效率高，使用范围广，操作容易，安装拆卸简便等特点。近年来， 建筑业的迅速发展，为塔式起重机的发展创造了前所未有的发展机会，但同时也 提出了挑战，塔机安全事故随着起重机数量的猛增而频繁发生。减少塔机事故，提 高塔机安全性能和作业效率迫在眉睫。为此。本文以传感器技术、计算机技术和 测控技术为基础，研制开发塔机状态实时监控系统，使其更安全、更有效、更平 稳地作业。 本文完成了塔式起重机微机智能监控系统的分析和研究，软、硬件设计。以 工业控制计算机为核心，采用视频监控技术，通过c r t ，一方面以图像方式实况 直播塔机工作过程；另一方面，以数字形式动态显示塔机工作参数。以使驾驶员 不看窗外，也能知道塔机工作状态和运行趋势。针对塔机起升机构运行时，存在 机械冲击、效率低下的缺点，本文提出用模糊控制的方法，通过变频器改变起升 机构电机电源频率，从而调节主钩速度，实现塔机起升机构平稳加速和减速，克 服机械传递的恶性冲击，提高塔机寿命和工作效率。另外，对于复杂的塔机系统， 为了能及时查出有故障装置或单元模块，以便及时把好的元件替换上去，需要对 系统进行故障诊断。为此，特地建立了基于b p 神经网络的塔机电气设备故障诊断 系统，以便及时根据故障现象诊断故障原因，指出故障部位，缩短维修时间。 随后的试验表明，塔机的智能监控系统是可行的，有效的。如果要将本系统 应用工程实际，软硬件还需要不断调试和完善。 关键宇：塔式起重机视频监控模糊控制故障诊断智能监控 郑州大学工学硕士论文 a b s t r a c t t o w e rc r a n e sa l em a j o rh o i s t i n ga p p a r a t u so f t h ei n d u s t r i a lo rc i v i lc o n s t r u c t i o nw i t h t r a i t so fh i g hw o r k i n ge f f i c i e n c y , w i d er a n g eo fu s e s ，e a s ym a n i p u l a t i o na n dc o n v e n i e n t j n s t a l l a t i o no rd i s m a n t l e m e n t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ea r c h i t e c t u r ei n d u s t r yi n r e c e n ty e a r s ，t o w e rc r a n e sa r eo f f e r e dt h eb e s to p p o r t u n i t i e sf o rd e v e l o p i n gw h i c ht h e y h a v en e v e rm e t b u tw h e nt h em u n b e ro f t o w e rc r a n e si n c r e a s e sr a p i d l y ，t h en u m b e ro f t h et o w e r - c r a n e sa c c i d e n t sa l s oi n c r e a s e si nl a r g eq u a n t i t y t h e r e f o r ei t i su r g e n tt h a t t h es a f e t yo ft o w e rc r a n e ss h o u l db ei m p r o v e da n dt h er a t eo ft o w e r - c r a n ea c c i d e n t s s h o u l db er e d u c e d t or e a l i z et h eg o a lt h i sp a p e rp r e s e n t sas o r to fi n t e l l i g e n tm o n i t o r i n g s y s t e mo ft o w e rc r a n e s ，w h i c hi sd e v e l o p e do nt h eb a s i s o fs e n s o rt e c h n o l o g y ， c o m p u t e r s ，m e a s u r i n gt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g y t h es y s t e mc a n e n s u r et h a tc r a n e sw o r k m o r es a f e l y , m o r es m o o t h l ya n dm o r ee f f i c i e n t l y i nt h i sp a p e r , n o to n l yi st h ei n t e l l i g e n tm o n i t o r i n gs y s t e mo ft o w e rc r a n e sa n a l y z e d a n ds t u d i e d ，b u ta l s ot h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g ni sp e r f o r m e d t h ei n d u s t r i a l c o n t r o lc o m p u t e ri ss e l e c t e da st h ec o r eo f t h ei n t e l l i g e n tm o n i t o r i n gs y s t e ma n dt h r o u g h v i d e om o n i t o r i n gt e c h n o l o g yb o t ht h ep i c t u r e so f t h ec r a n ew o r ks t a t u sa n dt h ed y n a m i c i n f o r m a t i o no ft o w e rc r a n e sa r el i v ed i s p l a y e do nt h ec r ti no r d e rt h a td r i v e r sc a n k n o wt h es t a t u sa n dt h et r e n do ft h ec r a n ee a s i l yw i t h o u tl o o k i n go u to ft h ew i n d o wo f t h eo p e r a t o rc a b i n a tt h es a m et i m e ，c o n s i d e r i n gt h ed e f e c t so f m e c h a n i c a li m p a c t sa n d l o we f f i c i e n c yt h a te x i s tw h e nt h et o w e r - c r a n eh o i s tw i n c hw o r k s ，t h et h e s i si m r o d u c e s t h ef u z z yc o n t r o lt e c h n o l o g yt or e g u l a t et h es p e e do ft h eh o o kb yc h a n g i n gt h ep o w e r f r e q u e n c yo fh o i s t - w i n c he l e c t r o m o t o rw i t hf r e q u e n c y c o n v e n e r , s ot h a tt h ea i mo f p r o l o n g i n gt h es e r v i c el i f eo ft h et o w e rc r a n ea n dr a i s i n gw o r ke f f i c i e n c y c a l lb e a t t a i n e db yi n c r e a s i n go rr e d u c i n gt h es p e e do ft h eh o o ks m o o t h l ya n dc o n q u e r i n gt h e b a dm e c h a n i c a li m p a c t s i na d d i t i o n ，f a u l td i a g n o s i ss y s t e mi sn e e d e dt oc h e c ko u tt h e f a n l t yc o m p o n e n to rt r o u b l eu n i t ，s ot h a tt h e yc a nb er e p l a c e di nt i m e t h e r e f o r ei nt h e p a p e rt h ed i a g n o s t i cs y s t e mo fe l e c t r i c a le q u i p m e n tm a l f u n c t i o nb a s e do nb pn e u r a l n e t w o r kh a sb e e ns e tu pt od i a g n o s et h ef a u l tc a u s ea c c o r d i n gt ot h ef a u l tp h e n o m e n a a n dp o i n to u tt h et r o u b l ep a r ta to n c e ，c u t t i n gd o w nt h et i m eo f m a i n t e n a n c ea n dr e p a i r _ i _ _ i 塔式起重机智能监控及故障诊断系统 i _ i - - 一 一e t h es u b s e q u e me x p e r i m e n tv e r i f i e dt h a tt h ea b o v e m e n t i o n e di n t e l l i g e n t m o n i t o r i n gs y s t e mo f t o w e rc r a n e si sf e a s i b l ea n de f f e c t i v e b u ti f t h es y s t e mi sp u ti n t o p r a c t i c e ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f i tm u s tb ef u r t h e rp e r f e c t e da n dd e b u g g e d k e y w o r d s ： t o w e rc r a n e ；v i d e om o n i t o r i n g ；f u z z yc o n t r o l ；f a u l td i a g n o s i s ；i n t e l l i g e n tm o n i t o r i n g i i i 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄 袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由此产生的一切 法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位敝储。：羔步 1 一长辱f ri 婚 1 1 课题背景 1 绪论 随着人民生活水平的提高，建筑业迅速发展，超高层的建筑施工越来越多i l j ， 塔式起重机是一种高层建筑施工必备的机电设备，它可以加快施工进度、缩短工 期、降低工程造价。但是，由于塔式起重机是工作空间最大的起重机。起吊高度 高、工作幅度大，行走范围也很大，因而在实际使用中容易出现各种事故，造成 人员生命和财产的重大损失。每年我国总要发生几十起塔机事故。之所以出现这 种现象，主要原因是因为我国现有塔机安全装置可靠性差，只有限制器和限位器， 却没有工作状态显示器，驾驶员在操作时不知道自己处于什么状态，不知道吊起 多重，起重力矩是多少，离危险状态还有多远，甚至有的限制器坏了也不知道， 这就潜伏着很大危险f l j 。进口塔机配套的安全系统可靠性虽好，但价格昂贵，国内 施工单位购买的较少。为了确保塔机运行安全可靠和操作方便，有必要设计塔机 监控系统。国内外在这方面做过很多工作，但还需改进，原因在于他们所做的系 统，只能实时显示塔机工作参数和虚拟图像1 2 1 1 2 2 1 ，却不能实时显示塔机工作真实图 像。显然，这不利于驾驶员操作。我们在此提出，在塔机上安装智能监控系统，实 时显示塔机运行状态，并控制塔机操作，提供故障诊断，使驾驶员工作起来游刃 有余。 为此本课题研究的主要内容以及所要解决的关键问题有以下几个方面： 1 ) 视频监控：在同一个显示器上，不仅实时显示和存储塔机运行时的各种参 数，而且直播和录像塔机工作过程的动态图像。 2 ) 模糊控制：影响塔机工作性能的主要因素是惯性冲击和电流冲击，惯性冲 击破坏塔机运行的平稳性，电流冲击影响电网电压和电气系统的寿命。在塔机的 传动机构中，塔机起升机构功率最大，如果运行时动作过大，往往带来电流冲击 和机械传动冲击锄。本课题研究采用模糊控制的方法，使塔机运行平稳，工作可靠， 为解决上述问题提出一种新的方法。 3 ) 故障诊断：由于塔机工作环境恶劣以及拆卸、安装频繁，容易产生各种故 障。有必要设计故障诊断系统，根据塔机故障现象诊断塔机发生故障的原因、部 位，节省维修时间。提高工作效率。 1 2 国际、国内塔式起重机发展过程及现状 ( 1 ) 国外塔式起重机发展过程及现状p ”j 塔式起重机简称塔机，亦称塔吊，起源于西欧。第一项有关建筑用塔机专利 颁发于1 9 0 0 年。1 9 0 5 年出现了塔身固定、装有臂架的近代塔机。1 9 2 3 年制成第 一台近代塔机的原型样机，同年出现第一台比较完整的近代塔机。1 9 3 0 年，德国 已经开始批量生产塔机，并用于建筑施工。1 9 4 1 年有关塔机的德国工业标准 d i n 8 6 7 0 公布，该标准首次提出以吊载( t ) 和幅度( m ) 的乘积，即起重力矩表 示塔机的起重能力。 二次大战结束后，百废待兴，庞大而艰巨的家园重建工作，使得塔机得以迅 猛发展。1 9 4 8 1 9 4 9 年涌现一批起重能力在1 0 0 k n 1 1 1 以下的雏形快装塔机； 1 9 5 5 1 9 5 7 年又相继制成一批大尺寸回转支撑( 滚珠转盘) 塔机，该塔机塔身可 以伸缩，采用下回转、小车变幅水平臂架，可以折叠，整体拖运，快速安装；2 0 世纪5 0 年代末期至6 0 年代初期，由于高层建筑越来越多。出现了采用不同顶升 系统和按不周方式进行自井接高的塔机。在此后不久，生产出目前广泛应用的所 谓三用或四用( 轨道式、固定式、附着式、内爬式) 塔机。 自2 0 世纪8 0 年代以来，国外塔机技术发展呈现以下特点： 1 发展组合塔机或者称为模块塔机。所谓组合塔机，就是以塔身结构为核心， 按结构和工作特点，将塔机分解成若干部分，并依据系列化和通用化要求。遵循 模数制原理再将各部分划分并设计成若干模块。根据参数要求，选用适当模块分 别组拼成具有不同技术性能特点的塔机，以满足旅工的具体要求。推行组合式塔 机有助于加快塔机产品开发进度，节省产品开发费用，并能更好地为客户服务。 2 ) 发展超大型起重机。近年来。由于大功率电站、高坝、近海石油钻井平台、 天然气钻井平台以及石油化工工业发展需要，对大型和超大型塔机提出了更多更 高的要求。目前，幅度7 0 9 0 m ，最大起重量为5 0 6 0 t ，起升高度为1 0 0 3 0 0 m 的塔机产品可以经常看到。现今世界最大的超大型塔机当推法p o t a i n 厂2 0 0 0 年 推出的m d 2 2 5 0 0 型塔机，其最大幅度1 0 0 m 时的起重量为1 8 0 t ，起升高度为9 9 m 。 3 ) 发展适应都市改建需要的城市塔机。城市闹市区改建工程的特点是，场地 狭窄建筑基地面积小；建筑密度大，道路交通拥塞，塔机回转障碍多：地质条 件差，地下管道多；同时必须保证道路交通不能中断，所在地区银行、商店必须 正常营业。为适应这种环境，西方某些公司推出了4 0 0 7 0 0 k n m 级的城市塔机 器，又川“见缝插针机”或称“经济建筑旌工塔机”。简称为经济塔机或e 塔枧。 郑州大学工学硕士论文 其特点是：采用短平衡臂，便于在建筑密集地区进行架设、撤除，以避免在回 转过程中与建筑物发生碰撞。采用尺寸可在4 m 4 m 6 m x 6 m 方围内进行调节的 x 型底架，以便于在人行道上和马路旁安装固定。塔机的塔帽、转台、司机室、 起升机构、回转机构、小车牵引机构、小车、吊钩滑轮、平衡臂以及臂架根部拼 装成一个扩大组件。安装后，接通电源即可投入运行。运输方便快捷，一般只 需三、四辆重型拖车将塔枕全部部件运至工地，并可立即交付安装。安装架设 速度快，4 5 0 9 0 0 k n m 级e 型塔机借助液压伸缩臂汽车起重机作为安装辅助机， 在4 6 h 内可以安装完毕。采用较完善的调速、操纵系统和电子仪表。 ( 2 ) 我国塔机行业发展过程及现状 5 1 1 6 l 在我国，塔机的生产和应用已有5 0 多年历史，经历了个从测绘仿制到自行 设计制造的过程。 2 0 世纪5 0 年代，为满足国家经济建设的需要引进了苏联以及东欧一些国家 的塔式起重机，并进行仿制。1 9 5 4 年仿制民主德国设计的建筑师一i 型塔式起重 机，在抚顺试制成功我国第一台t 0 2 6 型塔式起重机。随后又仿照苏联样机。研 制成1 5 t 和2 5 t 塔式起重机，这个时期我国生产与使用的塔式起重机数量较少。 到了2 0 世纪6 0 年代，我国开始进入自行设计与制造塔式起重机的阶段。19 6 1 年，首先在北京试制成功红旗一i i 型塔式起重机，它是我国最早自行设计的塔式 起重机。随后，我国又自行设计制造了t o 一6 型等塔式起重机。至1 9 6 5 年全国已 有生产厂1 0 余家。这些塔式起重机都是下回转动臂式，可整体拖运。能满足六层 以下建筑施工的需要。 从2 0 世纪7 0 年代起，由于建筑施工的需要，我国塔式起重机进入了技术提 高、品种增多的新阶段。1 9 7 2 年我国第一台下回转的轻型轮胎式轨道两用起重机 问世；同年，我国又自行设计了q t 4 1 0 型自升式塔式起重机，该机起重力矩为 1 6 0 0 k n m 。这个时期还先后开发了z t l 0 0 、z t l 2 0 、z t s 0 型等小车变幅自升塔 式起重机、q t 4 1 2 0 小车变幅内爬式塔式起重机，q t l l 6 、t q 4 0 、t q 4 5 、t d 2 5 、 q t g 4 0 、q t g 6 0 下回转动臂自行架设快装塔式起重机等其年产量最高超过9 0 0 台。标志着我国塔式起重机行业进入一个新阶段。 进入2 0 世纪8 0 年代，我国塔式起重机相继出现了不少新产品，主要有q t s o a 、 q t z l 0 0 、q t z l 2 0 等自升塔式起重机，q t 6 0 、q t k 6 0 、q t 2 5 h k 等下回转侠装塔 式起重和q t 9 0 上回转动臂顶升接高塔式起重机等。这些产品在性能方面接近国外 7 0 年代水平。这一时期的最高产量达1 4 0 0 台。与此同时，也从国外引进了一些塔 式起重机，其中有德国的l i e b h e r r 、法国的p o t a i n 以及意大利的e d i l m a c 等公司的 产品。由于这些塔式起重机制造质量较好，技术性能比较先进，极大促进了我国 塔式起重机智能监控及故障诊断系统 塔式起重机产品的设计与制造技术的进步“j 。 迸入2 0 世纪9 0 年代以后，我国塔式起重机行业随着全国范围建筑任务的增加 而进入了一个新的兴盛时期，年产量连年大幅增加，而且有部分产品出口国外， 全国的塔式起重机总拥有量也从2 0 世纪5 0 年代的几十台发展道2 0 0 0 年的约为6 万台。至此，无论从生产规模、应用范围和塔式起重机总量等角度来看，我国都 可以称为塔式起重机大国。 t 3 我国塔式起重机存在的问题和差距 与国外先进塔机相比，我国塔机有一个很大的差别就是，安全保护系统较落 后。近年来，国内开发了多种安全保护装置【8j 【，如起重量超载限制器、起重力矩 限制器、幅度限位器、风速报警装置、启动报警器、防碰装置以及起升高度限位 器等，虽然这些保护装置在塔机运行到极限或超载时，能够自动切断各运行机构 电源，使其停止工作。但是，这样做容易产生巨大冲击，直接损害塔机结构强度， 缩短塔机使用寿命。同时，这些保护装置灵敏度低、可靠性和适应性都很差，功 能单一，缺乏自我监测和显示功能，不具备超前预测能力。加上塔机工作环境恶 劣，作业空间大，司机在这种条件下工作，难以准确判断塔机的运行状态，不能 有效地操作塔机，工作效率偏低，而且现代施工现场，塔机经常处于接近极限状 态作业，司机注意力长时间高度集中，劳动强度大，容易疲劳，这些都为造成塔 机重大事故埋下隐患。 近年来，随着自动化技术、电子技术和计算机技术的迅猛发展，现在的用户 已不满足于起重机仅仅拥有限制器和限位器，他们还希望获得更多有关起重机工 作状态的准确信息，包括风速、起升高度、起重角度和工作幅度，甚至钢丝绳状 况、油温、振动等信息，并希望起重机具有较强的自动控制功能及自诊断功能， 并能降低劳动强度，保证起重机安全。 为了顺应用户要求，使塔机运行更安全、更平稳、更有效，世界各国都开始 致力于以微型计算机为核心的起重机安全监控系统研制开发。目前，发达国家的 先进起重机无论在安全监控，还是自动运行控制方面都具有相当高的水平。如德 国生产的起重机，采用激光装置测量起吊重物的重心位置，依靠超声波传感器引 导起物装置抓起货物。大车和小车运行采用编码轨系统测定路径，起升高度采用 恒定张紧的测量索和角度发生器测定。德国起重机还采用磁场变换器或激光达到 高精度定位。英国起重机上安装了近场感应系统，可避免起重机之间的相互碰撞。 采用无线遥控时，载重称量也能在远控发射机上显示。起重机上还装有微机自诊 郑押大学工学硕士1 砬文 断监控系统，该系统能提供大部分常规维护检查内容，如钢丝绳状况、减速器油 温油位、车轮轴承温度、起重机再菏、应力和振动情况、制动器摩擦衬片的寿命 及温度状况等。德国近年来为解决起重机吊重的防摇控制，开发了模糊逻辑电路 的控制技术f io j f j ，用神经信息技术和模糊技术寻找开始加速的最佳时刻，将有经 验司机防摇实际操作的数据输入系统，实现最优控制。模糊控制方式【2 】【b 】能确定 实施自动工作的控制质量，将人们主观的模糊逻辑量通过模糊集合进行数字化定 量，再用微处理机实现，像熟练司机样的自如操作，取得更高的效率和安全性。 从总体上看，起重机自动化系统主要可分为运行控制系统、安全监控系统及 自诊断系统。运行系统主要控制起重机的起升、下降、变幅、转动等功能，控制 核心一般采用工业控计算机或p l c ( 可编程逻辑控制器) 。自诊断监控系统主要监 测系统内部的工作情况，包括起重机变幅、油缸压力、液压传动系统的力和温度、 发动机转速等参数。安全监控系统一般基于力矩限制和载荷限制功能，并提供起 重机运行的其它工作状况和环境情况，包括起升高度、风速、起升速度等。 1 4 课题所要做的主要工作 综合国内外塔机监测系统特点，再结合国内产品现状，确定课题研究目标为： 在不降低原有塔机的起重能力前提下，为塔机提供平稳可靠的安全保护，避 免因为超载而断臂或因为高速运行时突然停车引起的巨大冲击。 监测并显示塔机运行图像及主要工作参数，使司机随时知道塔机运行状态， 避免误操作杜绝重大事故发生。 塔机工作环境恶劣，监测系统应该具有较强的抗干扰能力，较高的可靠性。 塔机机械冲击大，机械磨损严重，影响塔机寿命，有必要对塔机的动作进行 控制。增加其柔性减少其刚性，使其工作平稳。 塔机任务重，劳动量大，工作频繁，故障频发，有必要设计故障诊断系统， 及时指出故障部位，减少维修时间，提高工效。 塔式起重机智能监控及故障诊斯系统 2 1 设计背景 2 塔式起重机智能监控系统的设计 随着各类高层建筑和大型工程出现，塔式起重机的发展趋势是，起升高度越 来越高起重力矩越来越大。与此同时，塔机事故也大幅度增加。这就需要对塔 机的安全性能提出更高的要求。然而，我国现有塔机安全装置可靠性差，只有限 制器和限位器，没有工作状态显示器，驾驶员在操作时不知道自己处于什么状态， 不知道吊起多重，起重力矩是多少，离危险状态还有多远，甚至有的限制器坏了 也不知道，这就潜伏着很大危险。为了确保塔机运行安全可靠和操作方便，有必 要设计塔机监控系统，国内外在这方面做过很多工作，但还不太令人满意， 原因在于他们所做的系统，只能实时显示塔机工作参数和虚拟图像，却不能实时 显示塔机工作的真实图像。显然，这不利于司机操作。本课题研究在塔机上安装 智能监控系统，采用视频监控技术，不仅实时显示塔机工作参数，而且实时显示 塔机运行时的真实图像，使司机工作起来游刃有余。本文就实现塔机智能监控的 有关细节，包括设计要求、系统设计和现场试验等清况进行详细说明。 2 2 设计要求 2 2 1 系统功能 ( i ) 实时显示塔机整体运行状态，对反映塔机整体性能及安全状态的工作参数 诸如起重量、起升高度、起重力矩、回转角度、幅度、风速及各种作业速度进行 全程动态监控。 ( 2 ) 可以自动设鼹或修改安全作业区间参数，譬如：最大重量、最大力矩、最 大幅度和高度等，并具有良好的入机界面和报警机制。 ( 3 ) 能够对作业过程进行2 4 小时的实时录像和回放，并对起重量、起升高度、 起重力矩、旋转角度、风速、各种作业速度进行长达一个月的数据纪录。一旦发 郑煳大学工学硕士论文 生事故，可以根据录像和数据记录来分析事故原因。 2 2 2 技术指标 ( 1 ) 测量精度 重量 ( 0 0 3 * 重量+ 1 0 ) 千克 高度 ( 0 0 0 1 高度+ 0 1 ) 米 幅度 ( 0 0 0 1 幅度+ 0 1 ) 米 风速 ( 0 0 4 5 * 风速+ 0 4 ) 米秒 ( 2 ) 报警点设置 对重量、高度、幅度和风速，以及变幅速度、起升速度、回转速度以及行走 速度设置报警点。采用预警、报警和停车三级报警方式。 ( 3 ) 工作环境 温度：工控机为0 0 c 6 0 0 c 传感器：1 0 0 c - - 6 0 0 c 2 3 系统设计 2 3 1 硬件设计 该系统采用计算机控制技术，硬件主要由摄像头、各类传感器、视频捕捉卡、 数字接口板、数据采集卡、工控机、彩色显示器、报警器及键盘等组成。其中工 控机是测控系统的核心。硬件部件的选择如下： ( 1 ) 主机机型的选择 主机选用工业控制计算机，是因为它具有以下特点： 1 )可靠性高工控机通常用于控制不间断的生产过程，平均无故障工作时间达 到几万小时”q 。 2 )实时性好工控机常用于对生产过程进行实时控制与监测【 】，它能实时地响 应控制对象各种参数的变化。当对象参数出现偏差或故障时，工控机能及时响 应，并能实时地进行报警和处理。为此。工控机常配有实时多任务操作系统。 3 ) 环境适应性强工程旌工现场环境恶劣，电磁干扰严重，供电系统常受到大 负荷设备起停的干扰，加上其接“地”系统复杂，共模及串模干扰大( 共模 干扰是指输入通道两个输入端共有的干扰电压。串模干扰是指干扰电压与有 塔式起重规智能监控及故障诊断系统 效信号串联叠加后作用到输入通道) 。工控机适合在此环境下工作，因为它具 有很强的环境适应能力，能适应的温度、湿度变化范围较大的环境：具有防 尘、防腐蚀、防振动冲击的能力；具有较好的电磁兼容性以及高共模抑制能 力。 4 )过程输入和过程输出配套好工控机具有多种功能过程输入和输出配套模 板，如模拟量、开关量、脉冲量、频率量等输入输出模板。具有多种信号类 型的信号调理功能；如隔离型和非隔离型信号调理；电压和电流信号输入和 输出的调理等f 1 8 【1 9 】 5 )系统开放性工控机具有开放性体系结构，也就是说在主机接口、网络通讯、 软件兼容及升级等方面遵守开放性原则，以便于系统扩充、异机种连接、软 件的可移植和互换。 6 )系统通信功能强工控机具有串行、网络通讯功能而且通讯速度高，符合国 际标准通讯协议。因此，工控机可构成更大的控制系统。 7 )后备措施齐备包括供电后备，存储器信息保护，手动自动操作后备，紧急 事故切换装置等。 典型的工控机系统由几部分构成： t )工控机主机包括主板、显示板、磁盘驱动器、无源多槽i s a p c i 底板、电 源和机箱等。 2 ) 输入接口模板包括模拟量输入、开关量输入、频率量输入等。 3 ) 输出接口模板包括模拟量输出、开关量输出、脉冲量输出等。 4 ) 通讯接口模块包括串行通讯接口模板( r s - 2 3 2 ，r s 一4 2 2 ，r s 一4 8 5 等) 与网络通 信模板。 5 )信号调理单元信号调理单元对工业现场等各类输入信号进行预处理，包括 对输入信号的隔离、放大、多路转换、统一信号电平等处理，对输出信号进 行隔离、驱动、电压转换成电流信号等。 6 )工控软件包它支持数据采集、控制、监视、画面显示、趋势显示、报表、 报警、通信等功能。工控机必须具有相应功能的控制软件才能工作。这些控 制软件有的是以m s g o s 操作系统为平台，有的是以w i n d o w s 操作系统为平台， 有的是以实时多任务操作系统为平台，选用时依据实际控制需求而定。 本系统选用华北工控公司生产的的主板型号为n o r c o 一6 6 0 v e 、总线为i s a p c i 型的工控机，c p u 为p e n t i u mi i i 。主板插在工业无源底板上。工业无源底板型号 为i c p _ 1 4 s 3 一p c i ，其上有8 个i s a 接口，4 个p c i 接口。硬盘8 0 6 ，主频8 6 m h z 。 采用加固型工业机箱，型号为r a c k - 3 6 0 ，能够防震、防冲击、防尘，通风良好，适 应较宽的温度和湿度范围。机箱内具有正的空气压力和良好的屏蔽，达到了 郑州大学工学碗士论文 e m c ( e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ) 电磁兼容性标准。电源采用的是抗干扰能力强的 工业电源，具有防浪涌冲击、过压过流保护功能。彩色显示器尺寸为1 4 英寸，键 盘采用1 0 1 标准键盘或触摸式，鼠标为机械式或光电式。 ( 2 ) 采集卡的选择与安装 数据采集卡包括模拟量输入输出卡和开关量( 数字量) 输入输出卡。模拟量 输入输出卡：输入部分将模拟量转换成数字量送入主机；输出部分将主机的数字 量转换成模拟量输出。数字量输入输出卡：输入部分主要是对输入的各种开关信 号进行变换，把非t t l 电平转换为t t l 电平或隔离；输出部分根据外设所需信号 情况附加输出驱动电路、隔离电路，以使工业p c 对其进行有效控制。本系统主要 使用的是北京中泰科技有限公司的数据采集卡。 1 ) 模拟量输入输出卡 选用北京中泰科技有限公司生产的型号为p c 一6 3 1 5 光电隔离模入模出接口 卡。p c 一6 3 1 5 模入接口卡适用于具有i s a 总线的p c 系列微机，具有很好的兼容性， c p u 从目前广泛使用的6 4 位处理器直到早期的1 6 位处理器均可适用，操作系统可 选用经典的m s - d o s ，目前流行的w i n d o w s 系列，高稳定性的u n i x 等多种操作系 统以及专业数据采集分析系统l a b v i e w 等软件环境。在硬件的安装上也非常简单， 使用时只需将接口卡插入机内任何一个i s a 总线插槽中，其模入模出及i 0 信号 均可通过卡上的扁平带缆插头从机箱外部直接接入。 p c 一6 3 1 5 模入接口卡具有适用范围广、功能齐全、性能价格比高的特点。可 广泛应用于工业过程控制系统以及实验室数据采集系统。对于模入部分，本卡允 许采用单端输入方式或双端输入方式，并可在规定范围内改变放大器增益以适应 不同的信号源。用户也可根据需要选择测量单极性信号或双极性信号。对于模出 部分，用户可根据控制对象的需要选择电压或电流输出方式以及不同的量程。 主要技术参数： 模入部分： 输入通道数；单端3 2 路：章( 标术为出厂标准状态，下同) 双端1 6 路( 差动方式) 输入信号范围：0 v l o v * ；一5 v + 5 v 程控放大器增益范围：l 女：2 ：4 ：8 ：1 6 ：3 2 ：6 4 ：1 2 8 ( 倍) 输入阻抗：i o m q a d 转换分辨率：1 2 位 a d 转换速度：1 0 us a d 启动方式：程序启动外触发启动【2 0 1 1 2 1 a d 转换结束识别：程序查询中断方式2 2 1 1 2 3 塔式起重机智能监控及故障诊斯系统 a d 转换非线性误差：1 l s b d 转换输出码制：单极性原码木双极性偏移码 系统综合误差：0 2 f s ( x l 倍时) 模出部分： 输出通道数：6 路( 互相独立，可同时或分别输出) 输出范围： 电压方式：o 5 v ；1 5 v ；o 1 0 v ：一5 v 十5 v ；一1 0 v + i o v 电流方式：o l o m a ：4 2 0 m a 输出阻抗：2o ( 电压方式) d a 转换器件：a d 7 5 3 7 ；d a 转换分辨率：1 2 位 d a 转换输入码制：二进制原码( 单极性输出方式时) 二进制偏移码( 双极性电压输出方式时) d a 转换综合建立时间：5 i ls d a 转换综合误差：电压方式：4 0 2 f s ； 电流方式：1 f s 电流输出方式负载电阻范围：使用机内+ 1 2 v 电源时：0 2 5 0 q 外加+ 2 4 v 电源时：o 7 5 0 q 电源功耗：+ 5 v ( 1 0 ) 5 0 0 t r a + 1 2 v ( 1 0 ) 2 0 0 a f t - - 5 v ( l o ) l o m a 使用环境要求；工作湿度： 1 0 1 2 4 0 c 相对湿度：4 0 8 0 存贮温度：一5 5 + 8 5 外型尺寸：( 不含档板) 长x 高= - 3 0 4 8 r a m x l 0 6 7 n u n ( 1 2 英寸4 2 英寸) 2 )数字量输入输出卡 选用北京中泰科技有限公司生产的型号为p c 一6 5 0 1 d 光电隔离脉冲计数定时 接口卡。p c 一6 5 0 1 d 光隔离脉冲计数定时接口卡适用于具有i s a 总线的p c 系列微 机，具有很好的兼容性，c p u 从目前广泛使用的6 4 位处理器直到早期的1 6 位处理 器均可适用，操作系统可选用经典的m s d o s ，目前流行的w i n d o w s 系列，高稳定 性的u n i x 等多种操作系统以及专业数据采集分析系统l a b v i e w 等软件环境。在 硬件的安装上也非常简单，使用时只需将接口卡插入机内任何一个i s a 总线插槽 中，信号电缆从机箱外部直接接入。 p c 一6 5 0 1 d 光隔离脉冲计数定时接口卡适用于符合p c 总线和i s a 总线标准的 i b m p c x t 2 8 6 3 8 6 4 8 6 系列原装机及其兼容机。可广泛应用于工业过程控 制系统中以完成光隔离型多通道外部事件的计数、连续性脉冲量测量、可编程方 波频率发生器、定时器等多项功能。同时还提供了非光电隔离型的8 路d i 和8 路 d o 信号。 1 0 郑州大学工学硕士论文 本接口卡具有适用范围广、功能强、性能价格比高的特点。卡上所有的输入 输出通道均加有光电耦合器，以实现与被测对象和现场环境的电气隔离，使本卡 具有较强的抗干扰能力和自我保护能力。同时，外部事件可通过总线直接向主机 申请中断。以达到实时控制的目的。 主要技术参数： 输入通道数：1 5 路。( 5 片8 2 5 3 可编程计数器定时器，每片有3 个输入通道) 输出通道数；1 5 路。 工作模式：事件计数；脉冲测量f 2 4 】：定时控制：频率输出。 计数器字长：1 6 位。 计数范围：o 6 5 5 3 5 ( 任一通道) 。 最高计数频率：2 m h z ( 不加光电耦合器) 。 2 5 k h z ( 加光电耦合器) 。 内部时钟：l m h z 。 输入信号电平范围：5 v 4 8 v 。 最大输出电流：1 5 0 n 1 a ，可直接驱动小型继电器。 隔离方式：光电隔离( 路与路之间，接口板与各路之间均隔离) 。 隔离电压：5 0 0 v 。 数字量输入输出部分；d i ：8 路，t t l 标准电平。 d 0 ：8 路，t t l 标准电平，有输出锁存功能。 电源消耗：+ 5 v ( 土1 0 ) 7 0 0 n n a 。 使用环境要求；工作温度：l g 4 0 。相对湿度：4 0 8 0 。 存贮温度：- - 5 5 + 8 6 。 外型尺寸：( 不含档板) 长高= 3 3 0 m i n x l 2 2 m m ( 1 3 英寸x 4 8 英寸) ( 3 ) 视频捕捉卡的选择与安装 从经济实用的角度考虑，我们选用了天敏视讯公司型号为i o m o o n ss d k - 2 0 0 0 视频采集卡。 o d 0 0 n ss d ( - 2 0 0 0 是一款专门针对系统开发商及电脑发烧友的 高品质p c i 视频卡。s d k - 2 0 0 0 具有高品质的视频采集性能，具备高速p c i 总线， 兼容即插即用( p n p ) ，支持一机多卡。该公司提供功能全面的二次，l ：发包( 以下简 称s d k ) 。可以选择v i s u a l b a s i c 、v i s u a l c + + 、d e l p h i 等多种编程语吉通过s d k 进行开发，s d k 中包含d l l 动态库( v c 使用) ，o c x 控件( v b ，d e l p h i 使用) 及其 详细说明。可通过s d k 控制图像的输入端口，图像亮度，对比度，色度，灰度等 输入信号。动态截取图像。以a v i 格式进行录像、侦测图像是否有移动目标等等。 产品特性： p c i 总线，兼容w i n d o w s 即插即用( p n p ) ，安装简易 塔式超重机智能监控及故障诊断系统 显示画面流畅不间断，每秒可达3 0 帧 显示分辨率可达6 4 0 x 4 8 0 、2 4 位真彩 影像窗口大小随意调整，可全屏显示 动态捕捉影像以静态图像方式存盘，提供b m p ，j p g ，p c x ，g i f ，t i f ，t g a 等多种存盘格式 提供动态a v i 影像捕获，捕获存盘影像大小随意选择 可连续动态捕捉影像以静态图像方式自动存盘，提供照片浏览和电子相册等功 能 符合i t uh 3 2 4 视讯会议标准，完全兼容流行的视讯会议软件( 如：n e t m e e t i n g 、 v d o p h o n e 、i - p h o n e 、c u s e e m e 等) ，画质清晰，性能稳定 兼容w i n d o w sv f w 软件架构和w d m 模式，提供功能全面二次”发包，可广 泛应用于银行、医疗、社区、交通、农业监控及远程通信等方面的系统开发 ( 4 ) 摄像头的选择与安装 摄像头应当采用高清晰度，能够适应户外恶劣环境的产品，品牌不限，只要 能提供清晰的视频信号即可。摄像头安装在塔帽的项部，居高临下，视野范围很 大。另外，由于配备有云台装置摄像头自由度大，可以旋转3 6 0 。摄像头采集 的视频信号直接送入视频捕捉卡。 ( 5 ) 传感器的选择与安装 根据塔机作业参数和安全性能要求，本系统配有起重量传感器、高度传感器、 幅度传感器、风速传感器和其它开关量传感器。起重量传感器选用德国西门子公 司生产的型号为l e l v2 1 0 系列轴式称重传感器，额定负载：5 , k n 1 2 5 0 1 n ；允许 负载：额定负载1 5 0 ；破坏负载：额定负载5 0 0 ；材料：不锈钢1 4 0 5 7 1 4 3 0 5 ； 保护等级：1 p 6 6 ；阻抗：5 1 ( q ( l e ) 3 0 0 q ( l v ) ；输出信号：4 2 0 m a ( l e ) o l o v ( l v ) ；供电：1 2 3 2 v d c ；精度：0 5 o 8 ；操作温度：一2 5 + 8 0 。轴式传 感器可以很简单的、低成本的取代原先滑轮上的轴，可以同时对拐角处和起重机 总负载进行高熏复性和高精度的检测。轴式传感器工作原理是：传感器集成有一 个惠斯顿电桥，测量与负荷成正比的传感元件变化。当有外力沿着垂直于传感器 轴线方向作用在负荷测量栓上时，则由于该力对应变桥路的影响，就会产生一个 与作用力大小成正比的输出信号，通过称重变送器或内部放大器将所受的外力反 应出来。 角度传感器选用湖北宜昌微特电子设备有限公司的型号为w t j d 一1 2 0 系列角 度检测器。w t j t ) 一1 8 0 系列角度检涮器由电位器和摆锤组成，可装在起重机的吊杆 上，吊杆对地的角度