四、起重裝備制動器性能監(jiān)測系統(tǒng)

1．監(jiān)測系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

監(jiān)測系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。硬件系統(tǒng)主要包括主機(jī)部分、信號采集卡、信號調(diào)理部分、傳感器等。

圖6 監(jiān)測系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)示意圖

1）壓力傳感器

轉(zhuǎn)矩是評價(jià)制動性能的重要參數(shù)，但根據(jù)制動器的結(jié)構(gòu)可知，如果直接安裝轉(zhuǎn)矩傳感器在制動器上是很困難的，因此間接監(jiān)測制動主彈簧的正壓力，再換算成相應(yīng)制動時(shí)刻的轉(zhuǎn)矩。

力學(xué)傳感器種類很多，結(jié)合制動器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、監(jiān)測位置特性，選用壓阻式壓力傳感器。如圖7所示，壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)是采用集成工藝將電阻條集成在單晶硅膜片上，制成硅壓阻芯片，并將此芯片的周邊固定封裝于外殼之內(nèi)，引出電極引線。

圖7 壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

2）位移傳感器

（1）制動推桿所用傳感器

根據(jù)制動器推桿的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，考慮行程量的精度，選用新型的非接觸式電感傳感器，如圖8所示。傳感器測量采用非接觸、無磨損的測量方式，其特點(diǎn)就是精確度高、線性度好，并能保證其使用壽命和制動推桿在任何情況下無妨礙工作。

圖8 非接觸式電感傳感器

非接觸式電感傳感器采用電壓信號測量。線圈特殊的布置方式確保PLC電路和傳感器信號的穩(wěn)定性，即便在允許范圍內(nèi)（0～4mm）出現(xiàn)縱向或橫向的移動，信號通過16位高分辨率處理后傳到輸出。所選的傳感器內(nèi)有兩個(gè)電子線圈電路板，第一個(gè)電路板上布滿了感應(yīng)線圈元件，它的位置在傳感器表面的下方。第二個(gè)電路板上分布的是電路的信號處理部分，位于第一個(gè)電路板的下方。因此，選擇此型號的傳感器其盲區(qū)非常小。

（2）制動退距所用傳感器

在退距監(jiān)測中選用非接觸式電渦流傳感器，因?yàn)楸绢悅鞲衅鞯母袘?yīng)探頭依靠交變磁場的變化可以測得金屬表面的距離變化，感應(yīng)靈敏，測量中引起的振蕩電壓的變化轉(zhuǎn)化為電壓或電流信號，從而將機(jī)械位移轉(zhuǎn)化為電信號的變化。

非接觸式電感位移傳感器安裝在制動器推動器的頂端，位移傳感器的感應(yīng)探頭固定在頂端隨之與推桿一起運(yùn)動。電渦流傳感器測量退距安裝在制動臂內(nèi)側(cè)，傳感器的探頭對準(zhǔn)制動盤，其安裝示意圖如圖9所示。

圖9 位移傳感器安裝示意圖（退距）

1—制動臂 2—傳感器安裝點(diǎn) 3—摩擦片 4—制動盤溫度傳感器

3）溫度傳感器

制動器制動過程中由于摩擦導(dǎo)致溫度較高，如果在制動時(shí)摩擦材料或制動盤溫度過高，會降低制動器的制動性能，有可能造成嚴(yán)重的事故。在對制動器制動溫度監(jiān)測時(shí)考慮散熱性，在制動盤與摩擦襯片剛好非接觸的時(shí)刻應(yīng)為最理想的溫度，但由于臨界接觸狀態(tài)很難直接測得，因此采用非接觸式溫度傳感器。

4）工控機(jī)與采集卡

一個(gè)完整的監(jiān)測狀態(tài)診斷系統(tǒng)必須由監(jiān)控軟件和硬件系統(tǒng)組合而成。監(jiān)控軟件的主要功能是在系統(tǒng)獲得外界信號后進(jìn)行處理、分析，監(jiān)測診斷現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀況。而硬件系統(tǒng)則是給監(jiān)控軟件提供外界信息的主要來源，是監(jiān)控軟件系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)一套技術(shù)先進(jìn)、運(yùn)行可靠、抗干擾能力強(qiáng)的硬件系統(tǒng)，是保障整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。

（1）工控機(jī)

由于起重機(jī)現(xiàn)場工作環(huán)境比較復(fù)雜，工控機(jī)必須要求能夠適應(yīng)振動、沖擊、灰塵等環(huán)境，因此選擇性能穩(wěn)定、可靠性好的工控機(jī)作為系統(tǒng)的主機(jī)。

（2）采集卡

信號采集卡是計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備進(jìn)行信息交換的橋梁，各類采集信號都需要通過采集卡再輸送到計(jì)算機(jī)，為了能夠使系統(tǒng)得到更加穩(wěn)定的、可靠的信號，應(yīng)選擇高性能的采集卡。

2．基于多變量傳感器的制動器性能監(jiān)測系統(tǒng)

基于多變量傳感器的制動器性能監(jiān)測系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)可分為三部分，第一部分是由計(jì)算機(jī)和監(jiān)測軟件構(gòu)成的上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)；第二部分是通信接口卡；第三部分是由單片機(jī)以及外圍部件構(gòu)成的下位機(jī)數(shù)據(jù)采集的智能節(jié)點(diǎn)。總體設(shè)計(jì)框圖如圖10所示。

圖10 總體設(shè)計(jì)框圖

上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)由一臺帶有標(biāo)準(zhǔn)串口的工控機(jī)組成，系統(tǒng)工作過程中下位機(jī)智能節(jié)點(diǎn)對制動推桿位移、制動溫度、退距、正壓力等模擬量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，并把處理后的數(shù)據(jù)通過總線傳給通信接口卡，再由通信接口卡把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)數(shù)據(jù)格式后送向監(jiān)控工控機(jī)。監(jiān)控工控機(jī)發(fā)送下來的總線格式的數(shù)據(jù)經(jīng)通信接口卡轉(zhuǎn)換成總線協(xié)議格式送向下位機(jī)智能節(jié)點(diǎn)。上位機(jī)的軟件主要是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置、顯示、數(shù)據(jù)保存、記錄各閘的運(yùn)行情況和監(jiān)測制動器的運(yùn)行狀態(tài)等功能。顯示的數(shù)據(jù)可以與制動器的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行比較，若超出限定值，則系統(tǒng)報(bào)警；保存的數(shù)據(jù)應(yīng)用于后續(xù)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，從而達(dá)到預(yù)診斷的目的。

下位機(jī)智能節(jié)點(diǎn)主要是對如制動推桿位移、制動溫度、退距、正壓力等模擬量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，將處理后的數(shù)據(jù)上傳，同時(shí)將數(shù)據(jù)與程序中預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，若超出限定值，則系統(tǒng)報(bào)警，通過對制動系統(tǒng)電控部分的控制達(dá)到對起重機(jī)制動器的緊急保護(hù)功能。

進(jìn)入制動器健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的主顯示界面，如圖11所示。反映制動器各性能參數(shù)的狀態(tài)信息均可在主界面顯示，可較直觀地診斷制動器的健康運(yùn)行狀態(tài)。

圖11 系統(tǒng)顯示界面