郭三明，王志方，孫鵬荊，吳 俊，王玉棟

（河南理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，焦作 454000）

0 引言

螺紋機(jī)構(gòu)是一種常見且重要的機(jī)械結(jié)構(gòu)，一般包括螺栓與螺母兩部分。近年來(lái)由于機(jī)構(gòu)松動(dòng)導(dǎo)致螺栓或螺母脫落的重大事故比比皆是，造成了嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡[1]。松動(dòng)的原因主要是螺母沿螺栓的徑向振動(dòng)導(dǎo)致螺紋不可靠自鎖，此外有研究表明，當(dāng)溫度和振動(dòng)等極端情況發(fā)生時(shí)，即使是反死螺栓也有發(fā)生脫落的風(fēng)險(xiǎn)[2]。目前對(duì)于螺紋機(jī)構(gòu)松動(dòng)與否的常規(guī)檢查基本依靠人力，在電力系統(tǒng)輸電桿塔等大型鋼架結(jié)構(gòu)中，更是采用直升機(jī)攜帶高清攝像頭或人工使用望遠(yuǎn)鏡等方法進(jìn)行檢測(cè)，工作強(qiáng)度大，成本高。

針對(duì)以上情況，本文中設(shè)計(jì)了一種多通道螺紋機(jī)構(gòu)松動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于LabVIEW軟件，通過(guò)監(jiān)控終端發(fā)送監(jiān)控對(duì)象的狀態(tài)信號(hào)至下位機(jī)，下位機(jī)接收、處理數(shù)據(jù)并傳至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)多路螺紋機(jī)構(gòu)的集中狀態(tài)監(jiān)控，實(shí)驗(yàn)表明，其可靠性高，實(shí)用性強(qiáng)。

1 螺紋機(jī)構(gòu)松動(dòng)預(yù)警原理

螺紋機(jī)構(gòu)松動(dòng)時(shí)，螺栓與螺母將發(fā)生相對(duì)位移，通過(guò)監(jiān)控終端檢測(cè)二者有無(wú)相對(duì)位移判斷松動(dòng)與否。原理圖如圖1所示，監(jiān)控終端包括主單元與副單元，主單元以非接觸式霍爾傳感器為核心元器件構(gòu)成，固定安裝于螺栓上，用于檢測(cè)磁場(chǎng)信號(hào)[3]；副單元為磁性元件，安裝于螺母上，提供磁場(chǎng)信號(hào)。

主單元與副單元錯(cuò)位安裝，使監(jiān)控終端對(duì)監(jiān)控對(duì)象有一定的容忍度。正常狀態(tài)下，主單元未被觸發(fā)；發(fā)生松動(dòng)時(shí)，螺母反旋，主、副單元開始靠近，當(dāng)主單元霍爾傳感器進(jìn)入副單元的磁場(chǎng)中時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)開關(guān)信號(hào)，主單元電路被觸發(fā)，進(jìn)行預(yù)警。

圖1 螺紋機(jī)構(gòu)松動(dòng)預(yù)警原理圖

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，多路監(jiān)控終端將監(jiān)控對(duì)象的狀態(tài)信號(hào)通過(guò)無(wú)線形式發(fā)送到下位機(jī)，經(jīng)過(guò)下位機(jī)集中處理，最終把各個(gè)監(jiān)控對(duì)象的狀態(tài)顯示在上位機(jī)上，下位機(jī)與上位機(jī)通過(guò)串行總線進(jìn)行通信。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 監(jiān)控終端電路

在該系統(tǒng)中，各終端與下位機(jī)的無(wú)線通信采用PT2262、PT2272無(wú)線模塊，PT2262/2272是一對(duì)帶地址、數(shù)據(jù)編碼功能的無(wú)線遙控發(fā)射/接收芯片，其中PT2262模塊作為無(wú)線發(fā)射模塊，發(fā)送終端的監(jiān)控信號(hào)，PT2272模塊為無(wú)線接收模塊，接收PT2262模塊所發(fā)信號(hào)并送給下位機(jī)；下位機(jī)采用51單片機(jī)開發(fā)板；基于LabVIEW的上位機(jī)程序在PC機(jī)上運(yùn)行；上位機(jī)與下位機(jī)的串行通信采用RS232串行總線[4]。

3 監(jiān)控終端電路設(shè)計(jì)

監(jiān)控終端電路如圖3所示，主要包括3144E型霍爾傳感器構(gòu)成的觸發(fā)電路、CD4013觸發(fā)器芯片構(gòu)成的鎖存電路、二極管D1和D2構(gòu)成的與門電路以及NE555定時(shí)器芯片構(gòu)成的多諧振蕩電路等，圖中P3端子連接PT2262無(wú)線發(fā)射模塊。工作工程如下：

電路通電后，C2、R12組成的上電復(fù)位電路首先使U1觸發(fā)器復(fù)位，其1引腳輸出低電平，系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)，此時(shí)霍爾傳感器沒有處于磁場(chǎng)中，其3引腳輸出高電平，CD4013 的4引腳處于低電平，觸發(fā)器處于穩(wěn)態(tài)，1引腳持續(xù)輸出低電平，U2構(gòu)成的多諧振蕩器不啟動(dòng)，因此多諧振蕩器驅(qū)動(dòng)的Beep與LED不工作，不產(chǎn)生預(yù)警信號(hào)；同時(shí)D1、D2構(gòu)成的與門電路輸出低電平，開關(guān)三極管B7因基極為高而不導(dǎo)通，其控制的無(wú)線發(fā)射模塊不向下位機(jī)接收模塊發(fā)送任何信號(hào)。

螺紋機(jī)構(gòu)松動(dòng)致使霍爾傳感器進(jìn)入磁性元件的磁場(chǎng)中時(shí)，傳感器3引腳輸出低電平，B1三極管導(dǎo)通，觸發(fā)器被置位，CD4013的1引腳輸出高電平，此時(shí)B2三極管導(dǎo)通，多諧振蕩器啟動(dòng)，NE555的3引腳輸出一定頻率PWM信號(hào)，該信號(hào)加至三極管B3及B5基極，B3將驅(qū)動(dòng)Beep發(fā)出報(bào)警聲，B5驅(qū)動(dòng)LED產(chǎn)生預(yù)警燈光；同時(shí)由于C4經(jīng)R15充電，D1陽(yáng)極將出現(xiàn)暫態(tài)的高電平，B6、B7相繼導(dǎo)通，PT2262無(wú)線模塊向下位機(jī)接收模塊發(fā)送一位開關(guān)信號(hào)，該信號(hào)將使上位機(jī)主界面對(duì)應(yīng)路的預(yù)警燈點(diǎn)亮[5,6]。

松動(dòng)狀況解除后，按下復(fù)位按鍵K1，觸發(fā)器被手動(dòng)復(fù)位，其1引腳翻轉(zhuǎn)為低電平，多諧振蕩器停止輸出，Beep及LED停止預(yù)警；按動(dòng)K1后，C2經(jīng)R12充電，D2陽(yáng)極出現(xiàn)暫態(tài)高電平，B6導(dǎo)通，B7也導(dǎo)通，PT2262無(wú)線模塊再次向下位機(jī)接收模塊發(fā)送一次開關(guān)信號(hào)，該信號(hào)使上位機(jī)程序解除預(yù)警，繼續(xù)保持監(jiān)控狀態(tài)。監(jiān)控終端PCB及實(shí)物如圖4所示。

圖4 監(jiān)控終端PCB及實(shí)物

4 下位機(jī)及上位機(jī)設(shè)計(jì)

4.1 下位機(jī)部分

下位機(jī)選用單片機(jī)開發(fā)板，采用STC12C5A60S2單片機(jī)，該單片機(jī)是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。PT2272無(wú)線接收模塊數(shù)據(jù)輸出端與單片機(jī)I/O相連[7]。

為驗(yàn)證下位機(jī)部分的可行性及可靠性，在Protues環(huán)境下搭建仿真電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，如圖5所示，預(yù)警系統(tǒng)的通道數(shù)為8，采用8個(gè)按鍵模擬PT2272無(wú)線模塊接收到的信號(hào)，用8個(gè)發(fā)光二級(jí)管象征下位機(jī)上傳至上位機(jī)的終端狀態(tài)信息，按下按鍵表明對(duì)應(yīng)路的監(jiān)控對(duì)象發(fā)生松動(dòng)，再次按下該按鍵表明松動(dòng)狀況解除。單片機(jī)根據(jù)無(wú)線模塊接收到的數(shù)據(jù)，不斷更新上傳的數(shù)據(jù)，使終端狀態(tài)信息實(shí)時(shí)顯示在上位機(jī)上。仿真代碼如下：

仿真結(jié)果表明，按下通道1按鍵，終端1燈點(diǎn)亮并維持，再次按下該按鍵，對(duì)應(yīng)燈熄滅，其余各通道實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同，這說(shuō)明下位機(jī)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。在實(shí)際系統(tǒng)中，下位機(jī)通過(guò)RS232串行總線方式上傳數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)通信的具體代碼為：

圖5 下位機(jī)仿真電路

4.2 上位機(jī)部分

上位機(jī)基于LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)，LabVIEW作為一種虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)，編程方式簡(jiǎn)單直觀、顯示特性靈活、兼容性好[8,9]。本系統(tǒng)中基于LabVIEW的上位機(jī)程序框圖如圖6所示，上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

圖6 上位機(jī)程序框圖

1）串口通信：通過(guò)串口通信接收下位機(jī)發(fā)送的各個(gè)監(jiān)控終端狀態(tài)信息。首先配置串口參數(shù)，即波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位和停止位等（本系統(tǒng)設(shè)定為典型值9600、8、None、1.0），接著對(duì)打開的串口進(jìn)行讀操作，讀完接收的數(shù)據(jù)后清空緩沖區(qū)，最后關(guān)閉串口；

2）預(yù)警顯示：識(shí)別出檢測(cè)到松動(dòng)的監(jiān)控終端，在上位機(jī)前面板上進(jìn)行顯示（終端對(duì)應(yīng)的紅色預(yù)警燈點(diǎn)亮）。

5 系統(tǒng)測(cè)試

為驗(yàn)證基于LabVIEW的多通道螺紋機(jī)構(gòu)松動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)是否可靠，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了功能測(cè)試，搭建的系統(tǒng)平臺(tái)如圖7所示，圖8為4#終端檢測(cè)到松動(dòng)狀況時(shí)的監(jiān)控界面。

圖7 系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)物圖

圖8 系統(tǒng)監(jiān)控界面

表1 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

測(cè)試中，手動(dòng)反旋監(jiān)控對(duì)象的螺母，模擬松動(dòng)過(guò)程，以驗(yàn)證監(jiān)控終端是否能被觸發(fā)報(bào)警，同時(shí)驗(yàn)證上位機(jī)監(jiān)控界面預(yù)警燈是否點(diǎn)亮；然后旋轉(zhuǎn)螺母至正常狀態(tài)，相當(dāng)于解除松動(dòng)狀況，此時(shí)按下監(jiān)控終端的復(fù)位按鍵，驗(yàn)證監(jiān)控終端及上位機(jī)是否結(jié)束預(yù)警。

按照上述試驗(yàn)過(guò)程，對(duì)本系統(tǒng)的8個(gè)通道逐一進(jìn)行多次測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，各通道檢測(cè)到松動(dòng)時(shí)均能正常預(yù)警，沒有出現(xiàn)未報(bào)警或誤報(bào)警現(xiàn)象，且各終端及上位機(jī)均能被正常復(fù)位，運(yùn)行良好。

6 結(jié)論

本文提出一種基于LabVIEW的多通道螺紋機(jī)構(gòu)松動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)由監(jiān)控終端、下位機(jī)以及基于

LabVIEW的上位機(jī)程序組成。系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)螺紋機(jī)構(gòu)多點(diǎn)集中監(jiān)控；發(fā)生松動(dòng)時(shí)能夠在上位機(jī)與監(jiān)控終端上同步預(yù)警，同步復(fù)位。測(cè)試結(jié)果表明：系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作，可靠性好，在輸電桿塔等需要進(jìn)行螺紋機(jī)構(gòu)松動(dòng)預(yù)警的場(chǎng)合具有廣闊的實(shí)用前景。由于系統(tǒng)測(cè)試工作僅在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行，因此其工程實(shí)用性、電磁兼容性等還需進(jìn)一步試驗(yàn)及優(yōu)化；同時(shí)監(jiān)控終端與下位機(jī)、下位機(jī)與上位機(jī)之間的通信方式可不限于本文所述，采用更好通信方式的新系統(tǒng)有待開發(fā)。

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