專利名稱：起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)記錄儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于工業(yè)控制中起重機(jī)械安全作業(yè)綜合監(jiān)控技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)記錄儀數(shù)據(jù)采集、記錄及遠(yuǎn)程監(jiān)控與分析。
背景技術(shù)：
起重機(jī)械是機(jī)械、冶金、造船、港口等行業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備，起重設(shè)備的使用壽命和極限狀態(tài)的安全評估，是特種設(shè)備監(jiān)管和企業(yè)自身非常關(guān)心和迫切需要解決的問題。起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)記錄儀是工業(yè)控制中重量超載和電機(jī)安全保護(hù)的重要裝置，能很好的對起重機(jī)運(yùn)行的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、顯示、存儲、分析，起到預(yù)警并且為事故后提供數(shù)據(jù)支持。而目前國內(nèi)起重機(jī)安全保護(hù)采用的記錄手段單一，多為載荷記錄，僅實(shí)現(xiàn)對載荷的監(jiān)控。同時國內(nèi)相關(guān)儀器缺少軟件相配合，僅僅實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的記錄和監(jiān)測報(bào)警，不能很直觀的將每次起重機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)顯示出來，也不能對起重機(jī)的壽命做出估算。而本實(shí)用新型，創(chuàng)新性的考慮到起重機(jī)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)對整個起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)至關(guān)重要，對起重機(jī)電流的監(jiān)控也不可或缺，使起重機(jī)運(yùn)行中安全性得到提高。本實(shí)用新型根據(jù)當(dāng)前存在的缺憾，配置有上位機(jī)監(jiān)控分析軟件，用于分析記錄的載荷和電流，通過圖表的方式直觀的將起重機(jī)的狀態(tài)顯示出來，結(jié)合起重機(jī)交變應(yīng)力(載荷)的次數(shù)和交變應(yīng)力(載荷)的大小，通過對材料疲勞強(qiáng)度的加權(quán)分析，對起重機(jī)的壽命做出合理的預(yù)測。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種能同時監(jiān)控起重機(jī)電流從而提高起重機(jī)運(yùn)行安全性的起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)記錄儀。為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是:一種起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)記錄儀，包括CPU、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲器、RS485接口以及3G無線模塊；所述的數(shù)據(jù)采集模塊包括用于采集多路起重器電機(jī)電流互感器的電流傳感器和用于采集一路起重器載荷的載荷傳感器；所述的數(shù)據(jù)采集模塊與所述的CPU連接用于將經(jīng)數(shù)據(jù)采集模塊濾波處理的電流傳感器的電流信號以及載荷傳感器的載荷信號輸入到CPU內(nèi)；所述的數(shù)據(jù)存儲器與所述的CPU用于數(shù)據(jù)的存儲；所述的CPU通過所述RS485接口與起重機(jī)控制系統(tǒng)通信用于獲取起重機(jī)運(yùn)行操控信息；所述的CPU通過所述3G無線模塊與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通信用于實(shí)現(xiàn)起重機(jī)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控。所述的CPU為MC9S08AC60單片機(jī)。所述的數(shù)據(jù)存儲器為AT45DB321D型FLASH存儲芯片。本實(shí)用新型的起重機(jī)運(yùn)行狀況記錄儀擁有多路信號采集系統(tǒng)，可以同時監(jiān)控起重機(jī)的多種運(yùn)行狀況信息，具體特點(diǎn)為采用8路獨(dú)立數(shù)據(jù)通道設(shè)計(jì)，分別為2路載荷信號和6路電機(jī)電流信號通道，各個采集通道包括獨(dú)立的信號調(diào)理電路，可以快速同步進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，保證了采集數(shù)據(jù)的實(shí)時性。微處理器(CPU)為Freescale MC9S08AC60單片機(jī)，此單片機(jī)內(nèi)嵌A/D轉(zhuǎn)換模塊，可以準(zhǔn)確快捷的對傳感器輸入模擬信號進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換，無需另外使用專用A/D轉(zhuǎn)換芯片。此種單片機(jī)產(chǎn)生的高頻噪聲低、抗干擾能力更強(qiáng)，適合用于工控領(lǐng)域及惡劣的環(huán)境，且體積小方便使用；同時此芯片有多個專用接口，可以方便的與其他芯片進(jìn)行通信。數(shù)據(jù)存儲模塊采用一片型號為AT45DB321D型號的FLASH芯片，大小為32M，可以滿足存儲半年以上的起重機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)的要求，芯片中的數(shù)據(jù)可以通過上位機(jī)軟件進(jìn)行調(diào)用提取，用以分析起重機(jī)的歷史運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)故障或事故黑匣子數(shù)據(jù)記錄功能，為起重機(jī)的壽命預(yù)測提供數(shù)據(jù)上的支持 。本機(jī)通過RS485接口構(gòu)成測控網(wǎng)絡(luò)，可以跟其他的監(jiān)測單元進(jìn)行通信，并通過計(jì)算機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件對實(shí)時采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)及其記錄儀內(nèi)嵌的處理程序構(gòu)成我們系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理模塊，軟件分析模塊基于Windows操作系統(tǒng)。由于采用C++語言編寫，可以方便的在不同的機(jī)器上移植，同時，我們結(jié)合數(shù)據(jù)庫開發(fā)軟件為程序構(gòu)建了數(shù)據(jù)庫模塊，可以用于起重機(jī)運(yùn)行狀況的監(jiān)測。我們的系統(tǒng)被設(shè)計(jì)以圖表方式實(shí)時或者以歷史數(shù)據(jù)的形式顯示各臺起重機(jī)運(yùn)行狀況的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和及其變化趨勢，并以此為基礎(chǔ)對起重機(jī)的運(yùn)行狀況進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)健康狀況評估和壽命預(yù)測。本實(shí)用新型還可以選配3G通信模塊，與相關(guān)的運(yùn)營商合作構(gòu)建有一定規(guī)模的起重機(jī)運(yùn)行狀況監(jiān)測網(wǎng)，對數(shù)十臺甚至數(shù)百臺起重機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)時評估各個起重機(jī)的運(yùn)行狀況。本實(shí)用新型的工作原理可以概括為:數(shù)據(jù)采集模塊對被測量進(jìn)行采集、濾波、放大并輸入到單片機(jī)中。單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換處理后將其送入到數(shù)據(jù)傳輸模塊或者寫入到FLASH存儲器中。其中數(shù)據(jù)傳輸模塊，包括有線數(shù)據(jù)傳輸和無線數(shù)據(jù)發(fā)射、接收模塊，則通過RS485或者3G無線通信端口將數(shù)據(jù)與其他的監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行聯(lián)接構(gòu)成測控網(wǎng)絡(luò)。本實(shí)用新型可以配套使用多種不同大小的載荷傳感器，電流傳感器，實(shí)現(xiàn)對起重機(jī)不同運(yùn)行狀況的監(jiān)測。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)為(I)可同時采集記錄起重機(jī)電機(jī)運(yùn)行時間、載荷狀態(tài)以及起重機(jī)電機(jī)電流狀態(tài)，多種不同的運(yùn)行信息，為起重機(jī)故障或事故追溯以及起重機(jī)健康狀態(tài)評估和壽命預(yù)測提供全面的數(shù)據(jù)。(2)采用3G無線通信與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通信，無地域與時間限制，無需現(xiàn)場布線。(3)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)安裝的起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控與健康評估軟件可以圖表方式顯示遠(yuǎn)程起重機(jī)工作狀態(tài)，并可根據(jù)起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行起重機(jī)工作載荷統(tǒng)計(jì)、健康評估和壽命預(yù)測，方便用戶及時掌握起重機(jī)工作狀態(tài)，避免事故發(fā)生。
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。

圖1是本實(shí)用新型起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)記錄儀的原理框圖。圖2為本實(shí)用新型軟件分析模塊框圖。
具體實(shí)施方式
由圖1所示，本實(shí)用新型提出的起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)記錄儀，包括:微處理器、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、FLASH存儲模塊等。數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、FLASH存儲模塊分別和微處理器相連。且在上位機(jī)中開發(fā)軟件，對各臺起重機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和趨勢等的分析，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)健康狀況評估和壽命預(yù)測。數(shù)據(jù)采集模塊采用8路獨(dú)立的模擬信號通道，分別為2路載荷信號和6路電機(jī)電流信號通道，各個通道包括獨(dú)立的信號濾波，放大，以及必要的信號隔離結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)采集模塊將載荷傳感器和電渦流傳感器采集到模擬信號分別通過各自通道采集至單片機(jī)中。圖3圖列出了典型的數(shù)據(jù)采集通路電路結(jié)構(gòu)。當(dāng)被測信號從接口中接入后分別對高頻噪聲進(jìn)行旁路，濾波以及放大處理，將4 20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號轉(zhuǎn)換為單片機(jī)兼容的TTL電平信號，方便單片機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理。本實(shí)用新型采用的微處理器為MC9S08AC60單片機(jī)，此單片機(jī)產(chǎn)生的高頻噪聲低、抗干擾能力強(qiáng)，較為適合在惡劣的環(huán)境中使用，具有體積小，工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。本單片機(jī)自帶A/D轉(zhuǎn)換模塊，具有專門的A/D轉(zhuǎn)換接口，可以快速準(zhǔn)確的對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，傳感器采集到模擬信號后，通過AD量化后變成數(shù)字量，并通過單片機(jī)的SPI串口，將數(shù)據(jù)存儲到外擴(kuò)的flash中。此單片機(jī)包括專門的串口通信端口，可以直接與RS485與RS232芯片進(jìn)行連接。通過相應(yīng)的RS485與RS232端口與其他的檢測設(shè)備構(gòu)成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。同時，我們?yōu)橄到y(tǒng)設(shè)計(jì)了3G通信接口，可以方便的對系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)對起重機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。RS485總線用于與其他測控裝置連接構(gòu)建測控網(wǎng)絡(luò)，而RS232總線則用于臨時與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，用作系統(tǒng)調(diào)試。為了在有限的電路板空間中布置RS485與RS232總線，我們沒有使用傳統(tǒng)的光電信號隔離器進(jìn)行數(shù)據(jù)隔離，采用了 ADI公司自帶信號隔離的RS232與RS485通信芯片，使本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為緊湊，同時提高了系統(tǒng)的可靠性。本實(shí)用新型系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲模塊，采用AT45DB321D型FLASH存儲芯片，根據(jù)我們的設(shè)計(jì)需要，可以存儲半年的起重機(jī)運(yùn)行狀況數(shù)據(jù)。此FLASH芯片采用SPI接口與單片機(jī)進(jìn)行連接，由于單片機(jī)有專用的SPI接口，所以很通過SPI 口可以很方便的實(shí)現(xiàn)FLASH芯片與單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。每一工作過程相互傳送8位數(shù)據(jù)，工作從主機(jī)CPU發(fā)出啟動傳輸信號開始，此時要傳送的數(shù)據(jù)裝入8位移位寄存器，同時產(chǎn)生8個時鐘信號從SPSCK引腳依次送出，在SPSCK信號的控制下，主機(jī)中8位移位寄存器中的數(shù)據(jù)依次從MOSI引腳送出，到從機(jī)的MOSI引腳后送入它的8位移位寄存器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲。本實(shí)用新型系統(tǒng)的部分輔助電路，包括利用5V穩(wěn)壓芯片的外接電源轉(zhuǎn)5V電路、
3.3V與5V電壓轉(zhuǎn)換芯片以及相應(yīng)的指示燈及接地保護(hù)電路。支持系統(tǒng)的運(yùn)行。本監(jiān)控系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時充分考慮了可能在電磁干擾，高溫等惡劣環(huán)境下工作的可能性。在布板及最后的機(jī)殼設(shè)計(jì)中充分考慮了電磁兼容性設(shè)計(jì)以及熱設(shè)計(jì)。保證了本系統(tǒng)可以適應(yīng)各種不同的工作環(huán)境。由圖2所示，本實(shí)用新型的軟件分析模塊主要包括，實(shí)時監(jiān)測分析單元、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和壽命預(yù)測單元。實(shí)時監(jiān)測分析模塊，可以通過選擇不同的起重機(jī)，調(diào)用不同的起重機(jī)數(shù)據(jù)，觀察起重機(jī)運(yùn)行的歷史狀態(tài)?；蛘邔?shí)時的監(jiān)測，通過趨勢圖直觀反映狀態(tài)。數(shù)據(jù)庫模塊主要是對采集到的起重機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。數(shù)據(jù)分析模塊中，根據(jù)采集到數(shù)據(jù)，根據(jù)起重機(jī)壽命相關(guān)條件，進(jìn)行壽命的預(yù)測和健康狀態(tài)的評估。軟件分析模塊適用于Windows操作系統(tǒng)。由于采用C++語言編寫，可以方便的在不同的操作系統(tǒng)上進(jìn)行移植，同時，我們結(jié)合數(shù)據(jù)庫開發(fā)軟件為程序構(gòu)建了數(shù)據(jù)庫模塊，可以用于起重機(jī)運(yùn)行狀況的記錄與查詢。我們的系統(tǒng)被設(shè)計(jì)以圖表方式實(shí)時或者以歷史數(shù)據(jù)的形式顯示各臺起重機(jī)運(yùn)行狀況的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和及其變化趨勢，并以此為基礎(chǔ)對起重機(jī)的運(yùn)行狀況進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)健康狀況評估和壽命預(yù)測。軟件的監(jiān)控模塊根據(jù)用戶選擇的一臺或者多臺起重機(jī)編號，通過RS485或者3G無線網(wǎng)絡(luò)連接到對應(yīng)的起重機(jī)，實(shí)時監(jiān)控模塊及對相應(yīng)的記錄儀系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)讀取命令，上位機(jī)實(shí)時讀取下位機(jī)采集的載荷和電流數(shù)據(jù)，并將所讀取的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，同時將相關(guān)數(shù)據(jù)以圖表的模式實(shí)時的顯示到監(jiān)視器上。壽命預(yù)測模塊則根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)獲取的起重機(jī)運(yùn)行狀況信息，根據(jù)系統(tǒng)中各個型號的起重機(jī)結(jié)構(gòu)模型，利用動載荷分析、材料及構(gòu)件的抗力指標(biāo)和累積疲勞損傷理論對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對起重機(jī)健康狀況進(jìn)行評估。并將評估結(jié)果生成相應(yīng)的起重機(jī)健康狀況報(bào)
生口 ο報(bào)告則通過打印機(jī)或者監(jiān)視器展現(xiàn)給相關(guān)技術(shù)人員，為其對起重機(jī)的運(yùn)行狀況進(jìn)行評估時作出參考。
權(quán)利要求1.一種起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)記錄儀，其特征在于:包括CPU (I)、數(shù)據(jù)采集模塊(2)、數(shù)據(jù)存儲器(3)、RS485接口(4)以及3G無線模塊(5);所述的數(shù)據(jù)采集模塊包括用于采集多路起重器電機(jī)電流互感器的電流傳感器和用于采集一路起重器載荷的載荷傳感器；所述的數(shù)據(jù)采集模塊(2)與所述的CPU (I)連接用于將經(jīng)數(shù)據(jù)采集模塊(2)濾波處理的電流傳感器的電流信號以及載荷傳感器的載荷信號輸入到CPU (I)內(nèi)；所述的數(shù)據(jù)存儲器(3)與所述的CPU (I)用于數(shù)據(jù)的存儲；所述的CPU (I)通過所述RS485接口(4)與起重機(jī)控制系統(tǒng)(6)通信用于獲取起重機(jī)運(yùn)行操控信息；所述的CPU (I)通過所述3G無線模塊(5)與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)(7)通信用于實(shí)現(xiàn)起重機(jī)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)記錄儀，其特征在于:所述的CPU(I)為MC9S08AC60 單片機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)記錄儀，其特征在于:所述的數(shù)據(jù)存儲器(3 )為AT45DB 32ID型FLASH存儲芯片。
專利摘要一種起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)記錄儀，由CPU(1)、信號調(diào)理模塊模塊(2)、數(shù)據(jù)存儲器(3)、RS485接口(4)以及3G無線模塊(5)組成，信號調(diào)理模塊模塊(2)對電機(jī)電流和載荷傳感器輸出信號進(jìn)行濾波調(diào)理后接入CPU(1)，CPU內(nèi)嵌的模擬模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)存儲器(3)用于定時或根據(jù)起重機(jī)工作事件觸發(fā)存儲起重機(jī)載荷大小、持續(xù)工作時間等運(yùn)行狀態(tài)信息，RS485接口(4)用于與起重機(jī)控制系統(tǒng)(6)通信，獲取起重機(jī)運(yùn)行操控信息，3G無線模塊(5)用于將采集存儲的起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)記錄上傳至遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)(7)，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)起重機(jī)安全評估與壽命預(yù)測。實(shí)用新型可全面采集獲取起重機(jī)運(yùn)行和操控狀態(tài)，為起重機(jī)故障或事故追蹤以及起重機(jī)健康評估與壽命預(yù)測提供數(shù)據(jù)。
文檔編號B66C13/16GK203159066SQ20132018204
公開日2013年8月28日 申請日期2013年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月12日
發(fā)明者許飛云, 朱熙, 沈博文, 金靜松 申請人:東南大學(xué)