起重机下滑量检测系统的研究与应用

2023-10-23温建平

现代工业经济和信息化 2023年8期

温建平

（1.山西省检验检测中心（山西省标准计量技术研究院）特种设备检验技术研究所，山西太原 030006；2.安泰源特种设备检测集团有限公司，山西太原 030009）

0 引言

起重机是工业领域常用到的一种机械设备，其在提高运输效率的同时能够极大地减轻工作人员的劳动强度。但起重机在长时间高负荷的状态下运转，往往会出现各种问题影响到生产安全性，因此定期检修是提高起重机运输效率，保障起重机安全运行的关键。在起重机检修过程中，下滑量的检测是其中最重要的一项内容，该项指标能够客观反映出其中设备的安全性能。目前常见的下滑量检测方式有目测法、行程开关控制检测法、光控继电器检测法、高速图像捕捉检测法等，这些检测方法大部分容易受到外界因素影响，难以保证检测精度，部分精度足够的检测方式需要建立辅助测量平台，导致检测成本增加[1]。因此，设计一种高精度、低成本、简单操作的下滑量检测系统成为起重机应用企业所需要思考的问题。

1 下滑量检测系统方案设计

1.1 检测系统结构设计

本次系统设计以功能性模块为主，具体功能模块包含数据采集模块、传输模块、储存模块、供电模块以及数据处理模块和显示模块。数据采集模块主要利用加速度传感器和陀螺仪传感器对吊重的姿态进行检测，电源模块是为系统中的电器元件进行供电。在数据采集完成后通过传输模块将相关信息传递给数据处理模块，经过传感器标定和滤波处理等工序得出具体的下滑量，将其传递到显示模块中。

1.2 检测系统硬件设计

根据上述结构设计可以将下滑量检测系统的硬件系统分为六部分，分别为单片机主控系统、外围电路、数据采集系统、存储系统、显示系统以及电源电路系统。其中单片机主控系统采用STM32L476RG 芯片，该芯片具有功耗低、集成度高、处理速度快、接口丰富等优点，并且其具有1 GB 的FLASH，能够满足检测系统的数据收集、处理、传输等需求。在芯片外围有多部分IO 电路所构成，分别由电源端口，晶振端口、始终端口、复位端口以及程序下载和调试端口。电源端口与外部锂电池相连接，为系统进行时钟电路供电，但只有系统完全启动后，才会输出VDD 给系统的其他电路部分供电，供电系统电路图如图1 所示。时钟电路选用16 MHz 的晶振，程序下载和调试端口选用JTAG 标准接口同时兼容SW 接口的方式，这不仅能够作为系统的程序输入和输出端口，也能通过此端口对程序进行在线仿真调试。数据采集系统主要选用LIS3DSH 三轴线性加速度传感器和L3GD2OH 三轴陀螺仪传感器，这两个传感器的输入输出格式与芯片内置的12 bit A/D 转换接口相匹配，并且具有低功耗、高灵敏度的特点，能够满足下滑量的监测需求。存储系统是以芯片自带的RAM和SD 卡为主，在传感器将采集的数据传递到芯片当中，芯片会通过串口连接的方式将数据输入到SD 卡中，实现数据的保存。显示系统采用OLED 屏幕显示的方式，通过SPI 通信方式将STM32L476RG 芯片中所采集到的数值输出到显示界面上，以供监测人员读取，具体显示系统的电路连接图如图2 所示。

图1 供电系统电路图

图2 显示系统的电路连接图

1.3 检测系统的软件设计

下滑量检测系统的软件设计由主程序和多个子程序共同组成，其中主程序负责对各子程序进行调用。主程序逻辑设计结构为：

1）在系统开启时调用各初始化子程序，例如传感器输出程序、通信模块、I/O 模块等。传感器模块在初始化时首先解除休眠状态，之后将传感器的采样频率设置为1 kHz，并对传感器的测量范围进行设置，其中加速度传感器测量范围设置为4 g，陀螺仪传感器测量范围设置为2 000 dPs。

2）在系统内部进行自检，查验传输值是否完整、格式是否正确，如果错误则停止系统，并在显示界面输出ERROR，如果正确则进行下一步。

3）搜索无线/蓝牙控制设备，并与设备建立通信连接，如果通信网络正常则调用数据检测采集程序，开始记录数据并将数据返回至上位机中；如果搜索到设备但没有与之成功建立通信连接则返回上一步继续搜索控制设备。在执行数据检测采集程序时，首先读取加速度传感器所返回的数据值，将数据值与预先设置范围进行对比，判断数据是否合法，如果不合法则重新读取数据，合法则进行下一步；其次读取陀螺仪传感器所返回的数据值，并与预设范围进行对比，判断数据的合法性，处理程序与加速度传感器数据处理方式一致；最后将所检测采集到的数据传输到STM32L476RG 芯片中进行保存，并通过串口的方式将数据传递到显示系统中，之后进入下一循环。

2 系统测试

某企业有18 台不同型号的起重机，其中包括悬臂起重机、桥式起重机和门式起重机。为保证生产安全性，该企业每年需投入大量资金进行下滑量检测，对部分起重量在10 t 以下的起重机（10 台）利用行程开关检测法，对大于10 t 的起重机（8 台）采用高速图像捕捉检测法。该种检测方式不仅耗费时间长，部分起重机下滑量检测结果不准确。针对此种情况，该企业根据自身起重机时间情况进行了下滑量检测系统的设计和研发。

2.1 10 t 起重机的应用

在下滑量检测系统设计完成后，将该系统应用于10 t 起重机中，测试载荷为5 t，下滑量检测结果如3 所示。

由图3 可知，利用本文所设计的下滑量检测系统对起重机进行检测时，所检测的下滑量数值更加变化幅度更小，其中在空载时下滑量均值为25.84 mm，标准差为2.69 mm；负载5 t 时下滑量为36.72 mm，标准差为2.23 mm。利用行程开关检测方式对起重机进行检测时，空载情况下下滑量均值为28.96 mm，标准差为4.64 mm；负载5t 时下滑量为42.4 mm，标准差为6.04 mm。由此可见，利用本文所设计的下滑量检测系统进行检测，数据更为集中、标准差较小，从而误差更小。

图3 10 t 起重机下滑量检测结果

2.2 20 t 起重机的应用

将该系统应用于20 t 起重机中，测试载荷为8 t，检测结果如图4 所示。

图4 20 t 起重机下滑量检测结果

由图4 可知，两种检测方式下下滑量变化幅度相似。其中在本文所设计的下滑量检测系统下8 t 荷重下滑量均值为67.4 mm，标准差为4.18 mm；利用高速图像捕捉检测法检测下滑量均值为66.56 mm，标准差为4.12 mm。由此可见，两组数据标准差基本一致。因此本文所设计的起重机下滑量检测系统可用于10 t以上起重机下滑量检测。

3 起重机下滑量检测系统经济性分析

某公司每年均需进行一次下滑量测试，在测试时主要通过聘请第三方检测机构执行，经过对2018 年起重机下滑量检测合同查验发现，检测费用为23 万元，其中包括辅助设施制造安装费用、人工费用以及检测费用等，检测周期为一个月，实际检测时间为23 d，这也对企业的生产经营效率产生了一定的影响。将此系统应用于起重机下滑量检测过程中，每年能够节约检测费用23 万元，同时检测工作仅需9 d 便可完成，大大缩短检测时间，有效提高了企业的生产效率。经过估算，在检测月中，2018 年整月运输量为796 t，在2020 年应用该系统后整月运输量为1 238 t（两年设备运行模式和工作人员劳务模式一致，运输量对比有意义）。每吨能够为企业产生103 元利润，经过计算，该系统应用后检测月能够为企业提高45 526 元的利润。起重机生命周期为15 年，因此整个生命周期能够为企业带来约413 万元利润。