冶金起重机多维健康监测系统设计及实现*

郑惠泽 丁克勤 孙振山 赵利强

1 北京化工大学信息科学与技术学院 北京 100029 2 中国特种设备检测研究院 北京 100013

0 引言

随着现代工业的发展，冶金行业也逐渐向大体量、高效率、强安全的方向发展。冶金起重机是冶金行业中最关键的设备之一，其运行状况会直接关系到生产能力与生产效率，故其工作安全性、可靠性、快速性以及先进性一直受到普遍重视。冶金起重机长时间在高温、高粉尘的环境中工作，且为保证生产效率长期连续运行吊运物料，极易引起其钢结构的疲劳损伤和磨损损伤，从而导致生产安全事故的发生，造成人员伤亡与财产损失[1]。对冶金起重机关键部位进行实时监测和分析能有效预防其钢结构突然断裂以及人为误操作等引起的安全事故，不仅能有效提高起重机作业时的管理安全性，同时也能实时监控并管理相关的起重设备[2]。

目前，冶金起重机在健康状态监测方面已经有许多相关研究。皮坤等[3]基于 PLC 系统进行状态信号采集，通过无线传输+有线传输的方式实现对起重机状态实时监测；Kishore K 等[4]应用多学科方法对冶金起重机的吊钩故障进行分析，利用有限元分析对槽口应力进行量化；此外，许多研究工作者根据冶金起重机的桥架结构[5-7]、吊绳状况[8，9]、振动运行参数[10-12]和应力运行参数[13，14]等方面对冶金起重机进行设计或建模分析，以监控和提升冶金起重机的安全性。

以上研究分析了冶金起重机的单一故障，并应用有限元分析、建模设计与分析等方法研究了采集数据与其相关故障之间的关系，积累了冶金起重机的故障数据库，为后续起重机的故障监测提供了经验，从而提升了起重机的运行安全性。然而，对于单一故障位置的分析只能反映冶金起重机的部分健康状态信息，不能对冶金起重机的整体健康状态进行监测；只能预防部分事故的发生，不能对冶金起重机的整体健康进行监测。同时，单一维度参数的采集对故障发生后多项参数的联合溯因分析造成了不便，降低了冶金起重机健康监测的稳定性、安全性、准确性和参数多样性。因此，需要一种能够采集并监测冶金起重机多维健康参数的监测系统。

本文设计了一种冶金起重机的多维健康监测系统，对参数采集位置进行设计，提出相应软件设计思路，并基于多视图一体化方法对所采集的多维健康参数进行分析显示并实现数据上传服务器。

1 冶金起重机多维健康监测系统设计

1.1 多视图一体化方法

冶金起重机的多维度健康监测数据包含不同类型、不同监测位置的多种数据，而不同数据对于冶金起重机的健康状态表征具有不同的表示方式和不同的健康评估范围，故应综合考虑多维度的数据以便对健康状态进行评估与展示。

多视图一体化方法利用冶金起重机的多维度数据创建不同的健康状态评估视图评估冶金起重机的健康状态，即多视图一体化方法拥有极大自由性，可跟随所输入的经验规则自由生成所需视图，并可在多种视图间自由切换查看。

如图1 所示，当在软件中输入多种规则时，软件根据所输入规则进行参数判断，并配置相关参数，设置相对应的公式以实现对多维健康数据的评估与健康监测，建立与规则相对应的健康评估视图。根据对应规则设置相关参数分类与展示方法，从而实现健康评估的直观化展示。

图1 多视图一体化方法

图2 为多视图一体化方法的基本运行原理，多视图一体化方法根据输入的经验规则对健康状态参数进行分类，并建立相应的视图来分别显示每类数据的实时数据及曲线。在每个视图中单独建立其曲线图，将符合健康评估经验公式的数据通过公式转换显示在同一张曲线图上。此外，根据经验公式得到的数据能计算得到相应的上下限，进而可根据其上下限来识别当前冶金起重机的健康状态，并结合多个视图同时评估冶金起重机的健康状态，使其具有对照参考，更具准确性。

图2 多视图一体化方法原理

1.2 系统架构设计

冶金起重机多维健康监测系统主要由底层传感采集系统和多维健康数据监测分析软件组成，其主要架构如图3 所示。其中，底层传感采集系统设计了主要健康参数的采集位置，多维健康数据监测分析软件对多维度参数加以存储、分析和显示，并选取部分关键参数上传至服务器以供远程分析诊断。

图3 冶金起重机多维健康监测系统架构

2 冶金起重机多维健康监测系统实现

冶金起重机多维健康监测系统要实现对数据的采集、存储、展示、查询和上传等功能。因此，要设计底层采集传感器的安装位置及采集方式，并设计冶金起重机多维健康数据监测分析软件来对采集到的数据进行实时数据展示和分析，利用多视图一体化方法进行冶金起重机多维度健康分析评估。

2.1 底层传感采集系统

冶金起重机多维健康监测系统针对冶金起重机的特点进行了传感器采集位置的特有设计，选择不同的传感器采集相关采集位置的参数，实现多维度参数的实时采集与监测。冶金起重机多维度参数中许多关键参数能够表征冶金起重机的健康状态，故需对该类参数采集以保证采集参数的准确性与代表性（见图4）。冶金起重机在运行过程中涉及许多过程状态以及参数，不同运行参数之间有互相关联，一个参数的变化会引起其他参数同时变化。此外，部分运行参数的异常变化是因其健康状态发生改变引起的，对运行参数的实时采集有利于对冶金起重机健康状态的分析诊断，故需对冶金起重机的运行参数进行实时的采集。

图4 底层传感采集系统

为了准确分析冶金起重机桥架结构以及关键结构主梁在载荷下的受力情况，对冶金起重机的关键结构位置加装应力传感器以便采集应力参数，测点位置应设在钢结构极易弱化的位置，极易由于长时间运行磨损导致的结构损伤以及其结构不连续引起结构损伤，故其应变的变化能够非常灵敏地反映冶金起重机的结构健康。

此外，减速器对整个起重机的运行性能有直接影响，一旦其发生失效，将导致整机无法正常工作，故对减速器振动数据的采集至关重要。制动器在冶金起重机的运行过程中可能会出现失效，其失效主要由机械部分失效和推动器系统失效2 大因素引起的，所以分别采用不同的监测方法对2 种参数进行监测，2 种参数结合分析易于分辨制动器失效的具体原因。

结合应力、振动和制动器行程以及冶金起重机的运行参数，从多维度对冶金起重机进行实时监测。通过不同方式的采集，对冶金起重机的运行状态进行综合多方面分析，使操作人员对于冶金起重机的运行状态及健康状态有更直观的了解。

2.2 数据采集与健康评估设计及实现

冶金起重机多维度健康监测软件是整个系统中关键的一环，在连接底层传感器与远程服务器起到了纽带的作用，通过冶金起重机多维度健康监测软件对底层传感采集系统数据获取并提取相应的特征数据，采用多视图一体化的方法对所得数据进行多视图的分析与显示，并对数据进行存储以供查询，为大数据分析预留了接口与丰富的数据支撑。

通过软件开发数据采集接口与传感器进行数据通讯从而得到所需数据，并在软件中对数据进行解析，使数据转换成可理解的形式并进行数据展示与存储，其采集协议如表1 所示。

表1 参数采集方案

如表1 所示，运行参数通过Datasocket 方式将数值控件和布尔控件分别与PLC 中变量所对应的OPC 服务器的地址绑定，并在界面上实时显示冶金起重机的运行参数、电流参数、挡位参数和限位参数等信息，操作员可通过该界面直观地查看起重机各机构的工作状态。

此外，通过Modbus 协议采集到的应力数据，设置Modbus 地址和端口号连接传感器，根据起始地址提取应力数值，对返回的数据进行数组索引和强制数据类型转换，取得表2 所示冶金起重机11 个通道的应力值。

表2 应变参数采集位置

通过TCP/IP 协议采集的振动数据，设置TCP 服务器地址和端口号连接传感器，输入读取缓冲区的指令，接受字节数据，根据起始地址提取振动数值，对返回的数据进行数组索引，获取表3 所示冶金起重机9 个通道的振动值。

表3 振动测点位置

通过Modbus 协议采集的制动器行程数据，设置Modbus 地址和端口号连接传感器，根据起始地址提取制动器行程数值，对返回的数据进行强制数据类型转换得到制动器行程，对得到的数据进行数据曲线的绘制，并结合制动器的弹簧标尺图像评估冶金起重机制动器的健康状态，从而得到冶金起重机的健康状态。

通过IMAQ 方式对工业摄像机的视频图像进行截图并存储和发送。拍摄正对制动器弹簧标尺的图片。图5是通过工业摄像机拍摄的制动器弹簧标尺的图像，编写程序利用图像进行视觉分析，当红色指针位于绿色区域内时表示制动器弹簧标尺工作正常，当位于红色区域内时表示制动器工作异常，并对冶金起重机的健康状态进行评估及报警。

图5 视觉监控制动器弹簧图像

此外，冶金起重机多维度健康监测软件布置在工业数据采集的边缘端，通过减少数据采集传输过程的时间与距离，降低了由于长距离线缆传输过程中造成的数据信号丢失与错误，有效提高了数据采集的可靠性与效率。

2.3 历史数据存储设计与实现

冶金起重机的多维度健康监测数据要进行数据库的存储，以供健康数据的分析调用，故需建立数据库表实时存储数据。冶金起重机数据具有数据量大、类型多，实时性要求较高的特性。因此，在冶金起重机多维度健康监测系统中设有实时、历史2 种类型的数据表，分别用来存储实时过程数据和历史数据。

如图6 所示，历史数据表分为实数类型和布尔类型2 个表，考虑到数据采集速率的快速性以及表的大小问题，系统设计为根据日期每日建立一个表，在每日凌晨零点检查数据库表是否建立，并建立最近2 d的历史数据表。实时数据表主要提供给软件界面读取显示，在数据表中只有一条实时数据在不断更新，由此便可避免因同时读取与写入造成的数据损伤影响历史数据的存储。

图6 历史数据存储过程

2.4 多维健康数据上传设计与实现

冶金起重机多维度健康监测软件中同时包括数据上传模块来实现多维度健康数据的服务器上传和服务器存储。

软件中的数据上传模块主要负责对冶金起重机的多维度数据进行特征数据的上传，易于集成在冶金起重机多维健康监测软件中，作为一个小模块单独运行。数据上传的方式采用队列的形式来进行，既能保证上传命令响应的及时性，又能保证上传数据不会丢失，其实现原理如图7 所示。

图7 数据上传模块运行原理

如图7 所示，当数据上传模块读取冶金起重机多维度健康数据监测分析软件中采集间隔时间后，开始等待采集指令的发出。当数据开始采集时，发送数据上传通知，检测到数据上传通知后将要传输的数据进行元素入栈，然后数据上传模块开始应答，得到所需发送数据后进行数据的出栈与上传。

3 冶金起重机多维度健康监测系统应用

冶金起重机多维度健康数据监测分析系统软件使用LabVIEW 开发环境进行软件的编写。LabVIEW 编程方式不采用文字性代码而采取图形化方式，是一种图形化的编程语言，也被称为G 语言[15]。LabVIEW 不仅具有简便性和稳定性，也有出色的底层数据采集与通信能力，是开发测量或控制系统软件的理想选择。对于冶金起重机多维度健康数据的采集具有极大地易用性与实用性。

以某工厂冶金起重机进行软件系统的测试与应用。由于采用了一条经验规则，故创建了一个数据展示视图。如图8 所示，在参数总览界面对全部运行参数进行了详细数据的实时显示。

图9 为应力参数监控界面，在应力参数监测界面以数组形式显示通道号对应值，实时显示多个通道应力值曲线，操作员可勾选曲线选项来显示对应的通道曲线。

图9 应力参数监控界面

图10 为9 个通道的振动数据的实时数据展示和历史数据曲线绘制，通过曲线可直观地看到数据的变化趋势。

图10 振动参数监控界面

图11 为制动器位移数据的显示和曲线。最终，全部特征数据按照协议数据上传，其中数据类数据上传服务器频率为2 s/次；图像文件在新的图像文件生成时依据RFC1867 协议来发送图像文件；若无新的图像文件生成时，则不进行发送。

图11 制动器行程监控界面

该系统已配置并安装在一台实际的冶金起重机上进行参数的采集与存储，实际运行结果显示该系统能实现冶金起重机运行多参数的集成一体化，包括PLC监控值、应力、振动和制动器行程多种数据发实时采集与显示，便于对冶金起重机的运行状态进行综合多角度的评估，并可将采集的数据实时存储到数据库及上传到服务器供数据分析人员调用，增加了系统软件使用的便捷性。

4 结论

1)通过在实际冶金起重机工作状态下的测试，该系统能实现冶金起重机多维度健康数据的实时采集与显示，并能进行数据的存储，既便于操作人员实时查看，也为后续数据分析提供了足够的数据支撑。

2)系统从制动器行程图像和数值两方面对制动器的状态进行分析，有效解决以往制动器问题难以溯源的问题。

3)系统软件能够满足现场操作人员的使用情况，对冶金起重机的各运行参数有直观地显示，极大地提高了软件的适用性和简便性。