周浩丞，黃曉華，劉志良，鄭曲飛，湯寶生

（1.南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210094；2.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院蘇州分院，江蘇蘇州 215031）

大型起重機作為建筑、冶金、水利電力、機械、港口、石油化工等行業(yè)中不可缺少的重要設(shè)備之一，正在高參數(shù)、大型化地發(fā)展，同時，起重機機構(gòu)的運轉(zhuǎn)速度和起升高度也隨之提高。大型起重機的設(shè)計壽命和實際壽命也不盡相同，甚至?xí)霈F(xiàn)較大的誤差，這是由于實際工作時所受的負(fù)荷和設(shè)計時所承受的負(fù)荷存在較大的差異[1]。另外，我國引入大量國外起重機，有些大型起重機大多數(shù)時刻都在高強度的應(yīng)力下工作，甚至超出其允許使用的應(yīng)力范圍，至今尚無起重機設(shè)備使用期限的規(guī)范，現(xiàn)有的起重機大部分都已經(jīng)服役多年，對于企業(yè)來說非常關(guān)心，非常迫切需要解決的就是其使用年限的預(yù)測[2]。但鑒于大型起重機購置成本較高，相關(guān)生產(chǎn)制造企業(yè)無法頻繁更換大型起重設(shè)備，往往只是根據(jù)工程技術(shù)人員的主觀經(jīng)驗進行一些簡單的維護，到現(xiàn)在為止，還沒有準(zhǔn)確的方法對大型起重機的剩余壽命進行的預(yù)測。該文提出了一種大型起重機專用應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)對應(yīng)變信號的采集、儲存、顯示等功能，以便得出在使用大型起重機時危險點的應(yīng)變值，從而計算出其疲勞壽命，判斷其是否需要修理及維護[3]。

1 需求分析和方案設(shè)計

該文以橋式雙梁起重機為例，根據(jù)圖紙分別對該起重機各部件進行建模，再按照裝配關(guān)系完成結(jié)構(gòu)裝配體，起重機三維建模如圖1 所示。

圖1 起重機三維模型圖

該文選用映射網(wǎng)格劃分法對該起重機三維模型進行網(wǎng)格劃分，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 網(wǎng)格劃分結(jié)果

模擬大型起重機的典型工況，橋式起重機運作時會受到自重載荷、起升載荷和風(fēng)載荷，可通過有限元分析得到的應(yīng)力云圖，如圖3 所示。

圖3 起重機典型工況下應(yīng)力云圖

從云圖可以看出起重機的危險點分布較廣，且其中的大多數(shù)都處于距離地面較遠的位置，測量設(shè)備要能夠同時對距離較遠的多個測量電位進行測量，接收其傳輸回來的數(shù)據(jù)，且在用起重機工況復(fù)雜多變，且其工作過程中也存在著一定程度的危險性，傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏y量方式受到了很大限制，很難在這種情況下發(fā)揮作用[4]。因此，該文設(shè)計的大型起重機專用應(yīng)變數(shù)字采集系統(tǒng)將采用無線熱點（WiFi）的數(shù)據(jù)傳輸方式，采用串口轉(zhuǎn)WiFi 模塊，同時滿足大跨度、遠距離、多測點的測量需要，其數(shù)據(jù)傳輸模式如圖4 所示[5]。

圖4 專用應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)信號傳輸模式

該應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由上位機和下位機兩部分構(gòu)成。下位機主要功能包括數(shù)據(jù)生成模塊和數(shù)據(jù)發(fā)送模塊；上位機則主要由數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)處理模塊這幾個部分組成[6]。系統(tǒng)的總體設(shè)計框架如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)總體框架

2 系統(tǒng)采集端設(shè)計

2.1 應(yīng)變片的選擇

所謂應(yīng)變就是物體受到的作用力導(dǎo)致物體發(fā)生形變的程度，其定義是物體受到力后，其長度發(fā)生變化的變化量和最初或者最終長度的比值。應(yīng)變片即是能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)變測量的傳感器，也被稱為應(yīng)變計[7]。應(yīng)變片原理如下：

式中，Ks為金屬絲的靈敏系數(shù)，即應(yīng)變因子，其物理意義為單位應(yīng)變引起的電阻相對變化。實踐表明，許多金屬在塑性變形區(qū)內(nèi)，泊松比μs=0.5，應(yīng)變因子Ks=2。

箔式應(yīng)變片由網(wǎng)格狀的箔導(dǎo)體構(gòu)成，在絕緣的基底上粘合這些箔片。測量時應(yīng)將應(yīng)變片放置在物體上，被測物體的形變會直接反應(yīng)到應(yīng)變片上，其結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 應(yīng)變片結(jié)構(gòu)

為測量電阻的微小變化，應(yīng)變片必須使用專門的電路，最常使用的電路是惠斯通電橋，其帶有電壓或電流激勵源，如圖7 所示。四個橋臂由電阻R1、R2、R3、R4組成。VEX是電壓激勵，從電橋的頂點接入，一般為5 V 或12 V 的直流電壓。該激勵電壓會對應(yīng)變測量的結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。VIN從電橋的另兩個頂點引出，為電橋輸出電壓，也就是測量電壓[8]。

圖7 惠斯通橋電路

2.2 單片機的選擇

考慮系統(tǒng)對網(wǎng)口等外設(shè)和計算能力的需求，選用STM32F407ZET6 單片機。該單片機主要包括ARM32-bit Cortex-M4 的CPU，主頻可達168 MHz，內(nèi)部集成512 kb 的Flash 存儲器、192 kb 的SRAM 存儲器，具有四個USART、一個10/100 M 以太網(wǎng)MAC接口和三個交錯式12 位ADC。

系統(tǒng)利用單片機STM32F407ZET6的USART外擴RS485接口電路連接應(yīng)變片，以太網(wǎng)MAC接口經(jīng)RMII連接以太網(wǎng)PHY 層芯片實現(xiàn)以太網(wǎng)通信。該單片機集成了12位ADC，可以滿足振動信號采集的要求[9]。

2.3 串口通信

該文的串口轉(zhuǎn)WiFi 模塊選用的是ATK-RM04模塊，ATK-RM04 是ALTENTEK 推出的一款高性能UART-ETH-WiFi(串口—以太網(wǎng)—無線網(wǎng))模塊，其原理圖如圖8 所示[10]。

圖8 ATK-RM04模塊原理圖

該模塊支持路由器模式，可以作為一款無線寬帶路由器來使用。作為無線寬帶路由器，ATKRM04 將有線和無線網(wǎng)結(jié)合起來，支持網(wǎng)關(guān)、橋接、以太網(wǎng)等多種功能；它支持11n/b/g 的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，最高可達到150 Mbps 的數(shù)據(jù)流，ATK-RM04 的功能架構(gòu)如圖9 所示[11]。該系統(tǒng)采用的是ATK-RM04 模塊的串口轉(zhuǎn)WiFi的功能。

圖9 ATK-RM04功能結(jié)構(gòu)

2.4 ADC采樣電路

選擇16 位分辨率、200 ks/s 采樣率的同步采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7606-4 實現(xiàn)應(yīng)變片信號的采集，其具有四個采樣通道，內(nèi)置電壓基準(zhǔn)源，能接受±5 V、±10 V 的雙極性信號，具有輸入鉗位保護和高輸入阻抗的特點[12]。

AD7606-4 支持并口、SPI 等接口方式連接，為了簡化程序設(shè)計、提高速度，采用并行連接的方式，AD7606-4 通過FSMC 總線與單片機連接，ADC 接口電路如圖10所示。ADC電路采用內(nèi)置的電壓基準(zhǔn)，考慮信號的特點通過OS0、OS0、OS02 引腳設(shè)置過采樣率為4，起到了均值濾波的效果，16位數(shù)據(jù)總線和讀寫等信號通過FSMC總線時序進行控制，實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。

圖10 ADC采樣電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件分為單片機和上位計算機部分，通過Modbus TCP 協(xié)議交換數(shù)據(jù)。Modbus TCP 采用的是主從通信策略，需要由主設(shè)備對從設(shè)備發(fā)起通信要求，系統(tǒng)將上位計算機設(shè)為主機。單片機按一定的頻率要求獲取應(yīng)變數(shù)值，儲存在指定區(qū)域，當(dāng)上位機發(fā)起請求時，回傳測量得到的數(shù)據(jù)[13]。

上位計算機軟件采用NI 公司的LabVIEW 虛擬儀器平臺進行開發(fā)，LabVIEW 具有豐富的信號處理函數(shù)和模塊，與Matlab 等軟件調(diào)用也比較方便，有利于軟件的快速開發(fā)?；贚abVIEW 的上位機程序后面板，上位機與單片機之間的通信通過LabVIEW 中數(shù)據(jù)記錄和監(jiān)控(DSC)模塊中的Modbus TCP 函數(shù)實現(xiàn)，將相關(guān)控件放入程序后面板，設(shè)置好IP 地址、功能碼、起始地址和寄存器數(shù)量等參數(shù)即可完成通信模塊的配置，接入顯示控件進行顯示[14]。

通過運行該LabVIEW 程序，可以同時顯示出兩個不同的監(jiān)測界面，可以實現(xiàn)同時對兩個不同的無線應(yīng)變傳感器所傳輸上來的數(shù)據(jù)進行監(jiān)測及顯示。當(dāng)在處于更加復(fù)雜的工況，需要傳輸更多組數(shù)據(jù)，用到數(shù)量更多的應(yīng)變傳感器時，可以按照需要用到的應(yīng)變傳感器數(shù)量來設(shè)置更多的顯示界面來實現(xiàn)[15]。另外該系統(tǒng)還增加了警報功能，在下位機測得的實時應(yīng)變值過大時警報燈會轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色，及時發(fā)出警報。

儲存?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)的方法，是使用LabVIEW 建立一個路徑控制項來建立一個新表格，下位機傳輸上來的所有數(shù)據(jù)都會被儲存在表格中，程式控制項可以將表格儲存在程式的同一路線中[16]。在每一次按下運行鍵以獲取應(yīng)變數(shù)據(jù)時，程式就會自動開始儲存?zhèn)鞲衅魉鶄鬏斶^來的數(shù)據(jù)，并與運行狀況保持一致。

另外也為該系統(tǒng)也設(shè)置了歷史數(shù)據(jù)查詢功能，由于收集到的數(shù)據(jù)都是儲存在數(shù)據(jù)庫中的，因此要從數(shù)據(jù)庫中提取數(shù)據(jù)，只需要根據(jù)特定的條件，從數(shù)據(jù)庫中檢索即可，儲存數(shù)據(jù)的表格主鍵已設(shè)為保存時間，因此每個數(shù)據(jù)在時間上是唯一的，因而檢索條件可設(shè)制為儲存數(shù)據(jù)的時間[17]。

4 實驗驗證

采用Q235鋼制試件的單邊應(yīng)變實驗來驗證上述系統(tǒng)的可行性。如圖11所示，試件的尺寸為300 mm×45 mm×2 mm，使用線切割的方法在中線處預(yù)設(shè)置3 mm×0.2 mm×2 mm 的垂直缺口來測試試件發(fā)生疲勞破壞后的應(yīng)變值。

圖11 試件尺寸

在通過串口轉(zhuǎn)WiFi 模塊將系統(tǒng)上位機與下位機進行連接之后，準(zhǔn)備好下位機兩個遠程應(yīng)變傳感器，將兩個傳感器分別放置于試件缺口附近以及另一沒有缺口的試件表面的，得到應(yīng)變的應(yīng)變數(shù)據(jù)曲線。

從應(yīng)變數(shù)據(jù)曲線可以看出有預(yù)置缺口的試件應(yīng)變數(shù)值明顯高于完好試件的應(yīng)變數(shù)值，可以證明該應(yīng)變采集系統(tǒng)是可行的，可以對機構(gòu)的應(yīng)變值數(shù)據(jù)進行遠程采集并傳輸。

5 結(jié)束語

該文應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計方案是在掌握虛擬儀器技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際情況與相應(yīng)的設(shè)計要求，利用程序開發(fā)軟件LabVIEW 實現(xiàn)的對大型起重機進行應(yīng)變監(jiān)測的方案。該文設(shè)計的應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)了對應(yīng)變數(shù)據(jù)的精確采集，以及對采集到的應(yīng)變數(shù)據(jù)的顯示，所設(shè)置的串口轉(zhuǎn)無線模塊流程簡化，整個程序的結(jié)構(gòu)也比較簡潔。因為是模塊式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所以該系統(tǒng)是可搭建的，靈活性很強，可以根據(jù)使用者的需求隨時進行調(diào)整，以適應(yīng)不同工況下的各種起重機。該系統(tǒng)在功能上，還存在進一步開發(fā)和研究的空間，可以利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，同時連接多個起重機表面的應(yīng)變計，實現(xiàn)一臺上位機同時測量多個在用起重機的疲勞壽命值，此時將會進一步提高該系統(tǒng)的工程應(yīng)用價值。