基於信息融合的塔機運行狀態監測係統

 

    關鍵詞：塔式起重機信息融合單片機狀態監測

 

    目前在國產塔機上僅配置了力矩限製器、位置限製

、速度限製器等裝置，其原理是當被監測參數超過某限製值時斷電報警，實際上是一種安全保護裝置，其缺點是：

 

    （1）不能實進監測塔機的運行參數
，因而不能將塔機的運行狀態及進顯示給司機，以便及時調整。

 

    （2）運行參數的監測基一是單獨進行，不能在計算機統一管理下對諸多參數實施同步監測，協調處理，綜合判斷。

 

    （3）這些保護裝置長期使用後其自身的可靠性大大降低，是旦失靈
，司機又無法知道。

 

    多傳感器信息融合是80年(nian)代(dai)國(guo)外(wai)軍(jun)事(shi)和(he)機(ji)器(qi)人(ren)領(ling)域(yu)率(lv)先(xian)提(ti)出(chu)來(lai)的(de)一(yi)項(xiang)高(gao)新(xin)技(ji)術(shu)，其(qi)基(ji)本(ben)原(yuan)理(li)是(shi)充(chong)分(fen)利(li)用(yong)多(duo)個(ge)傳(chuan)感(gan)器(qi)資(zi)源(yuan)
，對(dui)觀(guan)測(ce)到(dao)的(de)有(you)關(guan)同(tong)一(yi)目(mu)標(biao)的(de)信(xin)息(xi)進(jin)行(xing)合(he)理(li)支(zhi)配(pei)和(he)使(shi)用(yong)，把(ba)多(duo)個(ge)傳(chuan)感(gan)器(qi)在(zai)空(kong)間(jian)或(huo)時(shi)間(jian)上(shang)的(de)冗(rong)餘(yu)或(huo)互(hu)補(bu)信(xin)息(xi)依(yi)據(ju)某(mou)種(zhong)準(zhun)則(ze)進(jin)行(xing)組(zu)合(he)，以(yi)獲(huo)得(de)對(dui)被(bei)觀(guan)測(ce)目(mu)標(biao)的(de)綜(zong)合(he)的(de)最(zui)佳(jia)估(gu)計(ji)。與(yu)單(dan)一(yi)傳(chuan)感(gan)器(qi)係(xi)統(tong)相(xiang)比(bi)，多(duo)傳(chuan)感(gan)器(qi)信(xin)息(xi)融(rong)合(he)係(xi)統(tong)具(ju)有(you)以(yi)下(xia)優(you)點(dian)：

 

    （1）信息量大。大量的信息的融合和綜合能減小係統的不確定性，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wo們men針zhen對dui目mu前qian國guo內nei塔ta機ji運yun行xing參can數shu監jian測ce儀yi器qi的de不bu足zu，並bing考kao慮lv到dao塔ta機ji運yun行xing狀zhuang態tai的de識shi別bie以yi及ji故gu障zhang診zhen斷duan的de需xu要yao
，利li用yong了le塔ta機ji的de結jie構gou特te點dian，在zai不bu改gai變bian塔ta機ji結jie構gou和he不bu增zeng加jia許xu多duo輔fu助zhu裝zhuang置zhi的de前qian提ti下xia，研yan製zhi了le基ji於yu信xin息xi融rong合he和he單dan片pian機ji技ji術shu的de塔ta機ji運yun行xing關guan態tai監jian測ce係xi統tong。

 

    1係統組成

 

    圖1是自繁榮昌盛式塔機的結構簡圖，塔機工作時的運行部分主要有起升機構1（見圖2），回轉機構2（見圖3）和小車變幅機構3（見圖4）。

 

    圖2起升機構

 

    1.電動機2.聯軸器3.製動器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轉換成電信號後送到A/D轉換器與單片機接口（見圖5）；導向輪11的轉角變化能反映起重物G的起吊位置和速度，光電傳感器10能將導向輪11的轉角變化檢測出來並轉換成電信號送到單片機INT0引角（見圖5）。

 

    圖3中，電動機1通過減速器3和小齒輪4驅動回轉支承裝置5中的大齒輪回轉
，帶動上部旋轉

，小齒輪4的轉角變化能反映塔機的回轉角度和速度的變化，電渦流傳感器6能把小齒輪4的角度變化檢測出並變換成電信號送到單片機P3.0引腳（見圖5）。

 

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

 

    圖4中
，變幅小車狀有電渦流傳感器3，當變幅小車在塔機吊臂上行走時，電流傳感器能檢測到吊臂上等間隔布置的腹杆數並送到單片機INT1引腳（見圖5）。

 

    1.起升卷揚2.塔機吊臂3.電渦流傳感器4.小車牽引卷揚5.變幅小車6.吊臂複杆

 

    2係統工作原理

 

    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位置
，由動態應變儀交吊重轉換為電壓信號，然後由A/D轉換器進行轉換，從而測量起吊的重量
，當重量超過額定置時，保護裝置動作並發出報警信號。

 

    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(chuan)感(gan)器(qi)與(yu)吊(diao)臂(bi)上(shang)的(de)腹(fu)杆(gan)垂(chui)直(zhi)。小(xiao)車(che)運(yun)行(xing)時(shi)
，當(dang)電(dian)渦(wo)流(liu)傳(chuan)感(gan)器(qi)經(jing)過(guo)腹(fu)杆(gan)時(shi)會(hui)產(chan)生(sheng)一(yi)負(fu)脈(mai)衝(chong)，通(tong)過(guo)對(dui)脈(mai)衝(chong)進(jin)行(xing)計(ji)數(shu)及(ji)任(ren)意(yi)兩(liang)個(ge)脈(mai)衝(chong)之(zhi)間(jian)的(de)時(shi)間(jian)差(cha)進(jin)行(xing)定(ding)進(jin)，可(ke)計(ji)算(suan)出(chu)小(xiao)車(che)的(de)瞬(shun)時(shi)位(wei)置(zhi)及(ji)速(su)度(du)（吊臂上任意兩腹杆間的距離是相等的）。如圖5所示
，將電渦流傳感器輸出信號與89C52的INT1相連

，對該引角上的脈衝進行計數

，可獲得小車通過腹杆的個數
，由T1引腳對任意兩個脈衝的時間間隔進行定時
，可檢測出小車經過兩個腹杆所用的時間，由P1.4、P1.5引腳檢測小車向前有向後運動。當小車速度超過最大允許值時，保護裝置動作，並發出報警信號。

 

    小車位置L1=L0±n×S,小車速度V1=(L1-L0)/Δt

 

    式中L1——本次脈衝小車位置，L0——上次脈衝小車位置
，n——脈衝個數，S——兩腹杆間的距離

，Δt——兩個脈衝間的時間距離。

 

    2.3吊重位置H及速度V2檢測

 

    將圖2zhongdaoxianglunzhoushanganzhuangyiyuanpan，zaiyuanpanshangjiagongchuruogangexiaokong
，guangdianchuanganqiyuyuanpanchuizhi

，dangtajiqichangshi
，meidangxiaokongzhuandaoyuchuanganqixiangduideweizhi，douhuichanshengyigemaichong。youmaichongdegeshujirenyilianggemaichongzhijiandeshijianjiange

，kejisuanchuqishengweizhijisudu。dangqishengsuduchaoxianshi，baohuzhuangzhidongzuobingfachubaojingxinhao。jiancejin，youP1.1、P1.2檢測重物運動方向，由INT0檢測脈衝個數

，由T0對任意兩個脈衝的時間間隔進行定時，見圖5。

 

    起吊位置H1=H0±n×l

 

    式中H1——本次脈衝重物位置
，H0——上次脈衝重物位置，l——每經過一個脈衝重物運動的距離起吊速度V2=(H1-H0)/Δt式中Δt——兩個脈衝間的時間間隔。

 

    2.4動態力矩M檢測

 

    當小車的位置及吊重檢測出來後，運行時的力矩為M=L×G。

 

    jiangyunxingshidedongtailijushijindixianshigeisiji，bingyugaiweizhishideedinglijuxiangbijiao，kekongzhixiaochedeyundong。danglijuchaoxianshibaohuzhuangzhidongzuo，bingfachubaojingxinhao。

 

    2.5塔機回轉角度α
、回轉速度V3檢測

 

    在(zai)回(hui)轉(zhuan)機(ji)構(gou)的(de)小(xiao)齒(chi)輪(lun)上(shang)安(an)裝(zhuang)一(yi)電(dian)渦(wo)傳(chuan)感(gan)器(qi)
，塔(ta)機(ji)回(hui)轉(zhuan)時(shi)，小(xiao)齒(chi)輪(lun)每(mei)轉(zhuan)過(guo)一(yi)個(ge)齒(chi)都(dou)會(hui)產(chan)生(sheng)一(yi)個(ge)脈(mai)衝(chong)，通(tong)過(guo)對(dui)脈(mai)衝(chong)計(ji)數(shu)及(ji)任(ren)意(yi)兩(liang)個(ge)脈(mai)衝(chong)時(shi)間(jian)間(jian)隔(ge)進(jin)行(xing)定(ding)時(shi)，可(ke)計(ji)算(suan)出(chu)塔(ta)臂(bi)回(hui)轉(zhuan)角(jiao)度(du)和(he)速(su)度(du)。當(dang)回(hui)轉(zhuan)速(su)度(du)超(chao)限(xian)時(shi)，保(bao)護(hu)裝(zhuang)置(zhi)動(dong)作(zuo)
，並(bing)發(fa)出(chu)報(bao)警(jing)信(xin)號(hao)。

 

    由P1.3
、P1.7檢測塔機的回轉方向
，由P3.0對脈衝進行計數要可得到回轉角度
，由T2對脈衝之間的時間間隔進行定時
，可計算出回轉的速度。

 

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

 

    式中α1——本次回轉角度，α0——上次回轉角度
，n——回轉齒數，β——每回轉一齒對就的角度
，r——回轉半徑。

 

    3基於多參數信息狀態的監測原理

 

    我wo們men研yan製zhi的de監jian測ce係xi統tong是shi一yi種zhong電dian子zi顯xian示shi監jian測ce係xi統tong是shi一yi種zhong電dian子zi顯xian示shi監jian近jin係xi統tong，客ke觀guan存cun在zai通tong過guo塔ta機ji實shi際ji工gong作zuo時shi所suo產chan生sheng的de信xin號hao和he預yu先xian儲chu存cun的de安an全quan工gong作zuo數shu值zhi進jin行xing比bi較jiao，達da到dao報bao警jing保bao護hu目mu的de。如ru圖tu6suoshi，tajiyaozuoshi
，dangqizhongliang，gongzuofudu，xiaocheyunxingsududengcanshujiejinanquangongzuoshuzhishi，xitongfachubaojingxinhao
，zhengchanggongzuoshi，anbuduandizaisijishixianshishangshugexiangjianceshuzhi。

 

    4結語

 

    本係統已完成試驗開發階段，正時一步完善

，推向實用，它的主要特點是：

 

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

 

    （2）當被監測參數超過設定限值時，可報警或斷電停機；並能自動記錄起重朵出現意外的運行參數狀態。

 

    （3）在此監測係統上可以開發塔機故障診斷及運行管理軟件包。

 

    （4）利用信息融合技術
，將各種監測參數融合後，可以實現
；空間定位，運行狀態識別及安全保護，典型故障診斷等先進技術。