基于信息融合的塔機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

 

    關(guān)鍵詞：塔式起重機(jī)信息融合單片機(jī)狀態(tài)監(jiān)測

 

    目前在國產(chǎn)塔機(jī)上僅配置了力矩限制器、位置限制、速度限制器等裝置，其原理是當(dāng)被監(jiān)測參數(shù)超過某限制值時斷電報警，實(shí)際上是一種安全保護(hù)裝置，其缺點(diǎn)是：

 

    （1）不能實(shí)進(jìn)監(jiān)測塔機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，因而不能將塔機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及進(jìn)顯示給司機(jī)，以便及時調(diào)整。

 

    （2）運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測基一是單獨(dú)進(jìn)行，不能在計算機(jī)統(tǒng)一管理下對諸多參數(shù)實(shí)施同步監(jiān)測，協(xié)調(diào)處理，綜合判斷。

 

    （3）這些保護(hù)裝置長期使用后其自身的可靠性大大降低，是旦失靈，司機(jī)又無法知道。

 

    多傳感器信息融合是80年代國外軍事和機(jī)器人領(lǐng)域率先提出來的一項(xiàng)高新技術(shù)，其基本原理是充分利用多個傳感器資源，對觀測到的有關(guān)同一目標(biāo)的信息進(jìn)行合理支配和使用，把多個傳感器在空間或時間上的冗余或互補(bǔ)信息依據(jù)某種準(zhǔn)則進(jìn)行組合，以獲得對被觀測目標(biāo)的綜合的最佳估計。與單一傳感器系統(tǒng)相比，多傳感器信息融合系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

 

    （1）信息量大。大量的信息的融合和綜合能減小系統(tǒng)的不確定性，從而提高精度。

 

    （2）很好的容錯性。在傳感器有誤差或失效的情況下，也能有較高的可靠性。

 

    （3）能獲得單個傳感器無法感知的特征信息。

 

    我們針對目前國內(nèi)塔機(jī)運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測儀器的不足，并考慮到塔機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的識別以及故障診斷的需要，利用了塔機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在不改變塔機(jī)結(jié)構(gòu)和不增加許多輔助裝置的前提下，研制了基于信息融合和單片機(jī)技術(shù)的塔機(jī)運(yùn)行關(guān)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。

 

    1系統(tǒng)組成

 

    圖1是自繁榮昌盛式塔機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖，塔機(jī)工作時的運(yùn)行部分主要有起升機(jī)構(gòu)1（見圖2），回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2（見圖3）和小車變幅機(jī)構(gòu)3（見圖4）。

 

    圖2起升機(jī)構(gòu)

 

    1.電動機(jī)2.聯(lián)軸器3.制動器4.減速器5.卷筒6.吊鉤7.滑輪組8.離合器9.拉力傳感器10.光電傳感器11.導(dǎo)向輪

 

    圖2中，安裝在滑輪組7上的拉力傳感器9將起重量G轉(zhuǎn)換成電信號后送到A/D轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)接口（見圖5）；導(dǎo)向輪11的轉(zhuǎn)角變化能反映起重物G的起吊位置和速度，光電傳感器10能將導(dǎo)向輪11的轉(zhuǎn)角變化檢測出來并轉(zhuǎn)換成電信號送到單片機(jī)INT0引角（見圖5）。

 

    圖3中，電動機(jī)1通過減速器3和小齒輪4驅(qū)動回轉(zhuǎn)支承裝置5中的大齒輪回轉(zhuǎn)，帶動上部旋轉(zhuǎn)，小齒輪4的轉(zhuǎn)角變化能反映塔機(jī)的回轉(zhuǎn)角度和速度的變化，電渦流傳感器6能把小齒輪4的角度變化檢測出并變換成電信號送到單片機(jī)P3.0引腳（見圖5）。

 

    1.電動機(jī)2.制動器3.少齒行星傳動減速器4.小齒輪5.回轉(zhuǎn)支承裝置6.電渦流傳感器

 

    圖4中，變幅小車狀有電渦流傳感器3，當(dāng)變幅小車在塔機(jī)吊臂上行走時，電流傳感器能檢測到吊臂上等間隔布置的腹桿數(shù)并送到單片機(jī)INT1引腳（見圖5）。

 

    1.起升卷揚(yáng)2.塔機(jī)吊臂3.電渦流傳感器4.小車牽引卷揚(yáng)5.變幅小車6.吊臂復(fù)桿

 

    2系統(tǒng)工作原理

 

    2.1起重理G檢測

 

    將拉力傳感器串接在定滑輪吊繩固定端的適當(dāng)位置，由動態(tài)應(yīng)變儀交吊重轉(zhuǎn)換為電壓信號，然后由A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而測量起吊的重量，當(dāng)重量超過額定置時，保護(hù)裝置動作并發(fā)出報警信號。

 

    2.2變幅小車位置L及瞬間速度V1檢測

 

    在變幅小車上安全電渦流傳感器（見圖4），傳感器與吊臂上的腹桿垂直。小車運(yùn)行時，當(dāng)電渦流傳感器經(jīng)過腹桿時會產(chǎn)生一負(fù)脈沖，通過對脈沖進(jìn)行計數(shù)及任意兩個脈沖之間的時間差進(jìn)行定進(jìn)，可計算出小車的瞬時位置及速度（吊臂上任意兩腹桿間的距離是相等的）。如圖5所示，將電渦流傳感器輸出信號與89C52的INT1相連，對該引角上的脈沖進(jìn)行計數(shù)，可獲得小車通過腹桿的個數(shù)，由T1引腳對任意兩個脈沖的時間間隔進(jìn)行定時，可檢測出小車經(jīng)過兩個腹桿所用的時間，由P1.4、P1.5引腳檢測小車向前有向后運(yùn)動。當(dāng)小車速度超過最大允許值時，保護(hù)裝置動作，并發(fā)出報警信號。

 

    小車位置L1=L0±n×S,小車速度V1=(L1-L0)/Δt

 

    式中L1——本次脈沖小車位置，L0——上次脈沖小車位置，n——脈沖個數(shù)，S——兩腹桿間的距離，Δt——兩個脈沖間的時間距離。

 

    2.3吊重位置H及速度V2檢測

 

    將圖2中導(dǎo)向輪軸上安裝一圓盤，在圓盤上加工出若干個小孔，光電傳感器與圓盤垂直，當(dāng)塔機(jī)起長時，每當(dāng)小孔轉(zhuǎn)到與傳感器相對的位置，都會產(chǎn)生一個脈沖。由脈沖的個數(shù)及任意兩個脈沖之間的時間間隔，可計算出起升位置及速度。當(dāng)起升速度超限時，保護(hù)裝置動作并發(fā)出報警信號。檢測進(jìn)，由P1.1、P1.2檢測重物運(yùn)動方向，由INT0檢測脈沖個數(shù)，由T0對任意兩個脈沖的時間間隔進(jìn)行定時，見圖5。

 

    起吊位置H1=H0±n×l

 

    式中H1——本次脈沖重物位置，H0——上次脈沖重物位置，l——每經(jīng)過一個脈沖重物運(yùn)動的距離起吊速度V2=(H1-H0)/Δt式中Δt——兩個脈沖間的時間間隔。

 

    2.4動態(tài)力矩M檢測

 

    當(dāng)小車的位置及吊重檢測出來后，運(yùn)行時的力矩為M=L×G。

 

    將運(yùn)行時的動態(tài)力矩實(shí)進(jìn)地顯示給司機(jī)，并與該位置時的額定力矩相比較，可控制小車的運(yùn)動。當(dāng)力矩超限時保護(hù)裝置動作，并發(fā)出報警信號。

 

    2.5塔機(jī)回轉(zhuǎn)角度α、回轉(zhuǎn)速度V3檢測

 

    在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的小齒輪上安裝一電渦傳感器，塔機(jī)回轉(zhuǎn)時，小齒輪每轉(zhuǎn)過一個齒都會產(chǎn)生一個脈沖，通過對脈沖計數(shù)及任意兩個脈沖時間間隔進(jìn)行定時，可計算出塔臂回轉(zhuǎn)角度和速度。當(dāng)回轉(zhuǎn)速度超限時，保護(hù)裝置動作，并發(fā)出報警信號。

 

    由P1.3、P1.7檢測塔機(jī)的回轉(zhuǎn)方向，由P3.0對脈沖進(jìn)行計數(shù)要可得到回轉(zhuǎn)角度，由T2對脈沖之間的時間間隔進(jìn)行定時，可計算出回轉(zhuǎn)的速度。

 

    回轉(zhuǎn)角度α1=α0±n×β，回轉(zhuǎn)速度V3=(α1-α0）×r/Δt

 

    式中α1——本次回轉(zhuǎn)角度，α0——上次回轉(zhuǎn)角度，n——回轉(zhuǎn)齒數(shù)，β——每回轉(zhuǎn)一齒對就的角度，r——回轉(zhuǎn)半徑。

 

    3基于多參數(shù)信息狀態(tài)的監(jiān)測原理

 

    我們研制的監(jiān)測系統(tǒng)是一種電子顯示監(jiān)測系統(tǒng)是一種電子顯示監(jiān)近系統(tǒng)，客觀存在通過塔機(jī)實(shí)際工作時所產(chǎn)生的信號和預(yù)先儲存的安全工作數(shù)值進(jìn)行比較，達(dá)到報警保護(hù)目的。如圖6所示，塔機(jī)要作時，當(dāng)起重量，工作幅度，小車運(yùn)行速度等參數(shù)接近安全工作數(shù)值時，系統(tǒng)發(fā)出報警信號，正常工作時，安不斷地在司機(jī)室顯示上述各項(xiàng)監(jiān)測數(shù)值。

 

    4結(jié)語

 

    本系統(tǒng)已完成試驗(yàn)開發(fā)階段，正時一步完善，推向?qū)嵱?，它的主要特點(diǎn)是：

 

    （1）能在一個顯示屏上隨時監(jiān)測到反映塔機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的多種運(yùn)行參數(shù)：起重量，起重力矩，起升速度及位置，小車變幅位置及速度，塔臂回轉(zhuǎn)角度及速度等。

 

    （2）當(dāng)被監(jiān)測參數(shù)超過設(shè)定限值時，可報警或斷電停機(jī)；并能自動記錄起重朵出現(xiàn)意外的運(yùn)行參數(shù)狀態(tài)。

 

    （3）在此監(jiān)測系統(tǒng)上可以開發(fā)塔機(jī)故障診斷及運(yùn)行管理軟件包。

 

    （4）利用信息融合技術(shù)，將各種監(jiān)測參數(shù)融合后，可以實(shí)現(xiàn)；空間定位，運(yùn)行狀態(tài)識別及安全保護(hù)，典型故障診斷等先進(jìn)技術(shù)。