CN102502412B - 起重机故障诊断和寿命评估系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种起重机故障诊断和寿命评估系统，集安全监控、效率分析、故障诊断与寿命评估功能于一身：由感知单元与监控单元构成，感知单元设有各种传感器及电流开关，监控单元设有各种功能模块，由此组成一套完善的系统。实时监控起重机的起升机构、变幅机构、回转机构与行走机构运行，对运行参数与安全状态进行显示、记录、报警与控制；采用功率传感器实现起升机构功率保护与效率分析；采用电流开关对整机与电气系统进行故障诊断与寿命评估，采用通信模块与监控中心实现远程安全监控管理。本发明可以实时监控起重机运行，智能预警，有效减少安全事故，促进起重机使用、维护与管理的自动化、智能化、信息化、系统化与人性化。

Description

起重机故障诊断和寿命评估系统

技术领域：

本发明涉及一种起重机，特别涉及一种起重机安全监控、故障诊断与寿命评估系统。

背景技术：

起重机在国民经济建设中有着十分重要的作用，广泛应用于电力、石化、港口与装备制造等行业。起重机的科技含量日益提高，自动化、智能化、信息化、系统化与人性化是其必然的发展方向。

起重机结构复杂，作业环境涉及高压、高温、易燃、易爆等因素，高空作业更增加了其危险系数，为保证起重机的安全运行，国家将其列为特种设备加以管理，企业也视其为安全生产工作的关键环节。

目前，起重机普遍使用的安全装置，如起重量限制器、行程限位器等，只能执行单一的报警与限位，无法实现安全监控、故障诊断与寿命评估等功能，给安全生产留下了隐患，也制约了起重机的发展。

发明内容：

本发明的目的是：解决现有技术所存在的上述问题，提供起重机故障诊断和寿命评估系统，实时监控起重机的运行参数与安全状态，集安全监控、效率分析、故障诊断与寿命评估等功能于一身，实现起重机使用、维护与管理的自动化、智能化、信息化、系统化与人性化。

本发明的技术解决方案是：

起重机故障诊断和寿命评估系统，由感知单元与监控单元构成。

所述的感知单元包含重量传感器、起升传感器、变幅传感器、回转传感器、行走传感器、风速传感器、功率传感器、起升电流开关、变幅电流开关、回转电流开关与行走电流开关。

所述的监控单元包含模拟量模块、开关量模块、处理器模块、控制器模块、人机界面、存储单元、通信模块与监控中心。

所述的电流开关由整流电桥N1、稳压电容C1、稳压电阻R1、稳压二极管D1、线性光耦M1、限流电阻R2、负载电阻R3构成，整流电桥N1的交流输入端子作为电流开关的输入端子，整流电桥N1的输出一端连接稳压电容C1的一端与稳压电阻R1的一端，稳压电阻R1的另一端连接稳压二极管D1的一端与限流电阻R2的一端，限流电阻R2的另一端连接线性光耦M1输入的一端，稳压电容C1的另一端、稳压二极管D1的另一端、线性光耦M1输入的另一端连接整流电桥N1的另一端，线性光耦M1输出的一端连接负载电阻R3的一端，线性光耦M1输出的另一端与负载电阻R3的另一端作为电流开关的输出端子；

感知单元的重量传感器、起升传感器、变幅传感器、回转传感器、行走传感器、风速传感器与功率传感器连接监控单元的模拟量模块。

感知单元的起升电流开关、变幅电流开关、回转电流开关、行走电流开关的输入端子分别连接控制器模块与起升继电器、变幅继电器、回转继电器、行走继电器，起升电流开关、变幅电流开关、回转电流开关、行走电流开关的输出端子分别连接直流电源与开关量模块。

监控单元的模拟量模块、开关量模块、处理器模块与控制器模块使用扩展总线连接。

监控单元的处理器模块使用RS232串行总线连接人机界面，人机界面使用USB通用串行总线连接存储单元。

监控单元的处理器模块使用RS485串行总线连接通信模块，通信模块通过GPRS/Internet网络连接监控中心。

本发明中，感知单元实时采集起重机起升机构、变幅机构、回转机构、行走机构的运行参数与电气控制线路的控制状态，监控单元通过起重机运行参数与控制状态进行安全监控、效率分析、故障诊断与寿命评估。

本发明可以实时监控起重机运行，智能预警，有效减少安全事故，促进起重机使用、维护与管理的自动化、智能化、信息化、系统化与人性化。

附图说明：

图1为本发明的原理图。

图2为本发明监控单元的总线连接示意图。

图3为本发明电流开关的原理图。

具体实施方式：

下面将结合附图说明本发明的具体实施方式。

起重机故障诊断和寿命评估系统包含感知单元与监控单元，如图1所示：

感知单元包含重量传感器、起升传感器、变幅传感器、回转传感器、行走传感器、风速传感器、功率传感器、起升电流开关、变幅电流开关、回转电流开关与行走电流开关。

监控单元包含模拟量模块、开关量模块、处理器模块、控制器模块、人机界面、存储单元、通信模块与监控中心。

其中，重量传感器、起升传感器、变幅传感器、回转传感器、行走传感器、风速传感器与功率传感器连接模拟量模块；起升电流开关、变幅电流开关、回转电流开关与行走电流开关连接开关量模块；模拟量模块、开关量模块、控制器模块、通信模块与人机界面连接处理器模块；起升继电器、变幅继电器、回转继电器与行走继电器连接控制器模块；存储单元连接人机界面；监控中心连接通信模块。

起重机故障诊断和寿命评估系统监控单元采用扩展总线/串行总线结构，如图2所示：

处理器模块与控制器模块、模拟量模块与开关量模块之间以扩展总线连接，采用扩展总线协议；

处理器模块与人机界面以RS232串行总线连接，使用MODBUS协议，人机界面作为主站，处理器模块作为从站；

处理器模块与通信模块以RS485串行总线连接，使用MODBUS协议，处理器模块作为主站，通信模块作为从站；

人机界面与存储单元以通用串行总线连接，使用USB协议；

通信模块与监控中心以GPRS/Internet网络连接，使用TCP/IP协议。

起重机故障诊断和寿命评估系统感知单元的起升、变幅、回转、行走电流开关，原理与连接如图3所示：

电流开关由整流电桥N1、稳压电容C1、稳压电阻R1、稳压二极管D1、线性光耦M1、限流电阻R2、负载电阻R3构成，整流电桥N1的交流输入端子作为电流开关的输入端子，整流电桥N1的输出一端连接稳压电容C1的一端与稳压电阻R1的一端，稳压电阻R1的另一端连接稳压二极管D1的一端与限流电阻R2的一端，限流电阻R2的另一端连接线性光耦M1输入的一端，稳压电容C1的另一端、稳压二极管D1的另一端、线性光耦M1输入的另一端连接整流电桥N1的另一端，线性光耦M1输出的一端连接负载电阻R3的一端，线性光耦M1输出的另一端与负载电阻R3的另一端作为电流开关的输出端子；

起升电流开关、变幅电流开关、回转电流开关、行走电流开关的输入端子分别连接控制器模块与起升继电器、变幅继电器、回转继电器、行走继电器，起升电流开关、变幅电流开关、回转电流开关、行走电流开关的输出端子分别连接直流电源与开关量模块。

起重机故障诊断和寿命评估系统工作原理如下：

重量传感器实时采集起重量，起升传感器实时采集起升高度，变幅传感器实时采集变幅幅度，回转传感器实时采集回转角度，行走传感器实时采集行走行程，风速传感器实时采集环境风速，功率传感器实时采集起升电机功率，起升电流开关、变幅电流开关、回转电流开关、行走电流开关实时采集电气控制线路电流。

模拟量模块采集感知单元起升传感器、变幅传感器、回转传感器、行走传感器、风速传感器、功率传感器的模拟信号，进行硬件滤波与模数转换，发送总线数字信号。

开关量模块采集感知单元起升电流开关、变幅电流开关、回转电流开关、行走电流开关的模拟信号，进行硬件滤波与模数转换，发送总线数字信号。

处理器模块周期性扫描扩展总线，接收模拟量模块与开关量模块的总线数字信号，进行软件滤波处理、线性变换、逻辑运算与信息输出，信息输出包含控制信息、数据信息与通信信息。

控制器模块接收处理器模块控制信息，以继电器方式输出控制信号，控制信号经过电流开关串联连接至起重机电气控制线路的起升继电器、变幅继电器、回转继电器与行走继电器。

人机界面接收处理器模块的数据信息，实时显示起重机运行参数与安全状态，支持语音报警，同时通过USB通用串行总线发送运行参数与安全状态至存储单元。

通信模块接收处理器模块通信信息，进行自由协议与TCP/IP协议双重封包，保证通信数据的实时性、有效性与安全性，通过GPRS/Internet网络发送通信数据至数据中心，实现远程安全监控。

存储单元记录起重机运行参数与安全状态，支持二级高速缓存与批量存储工作方式，提高存储效率，支持SD卡、Flash卡同时存储，提高存储数据的安全性。

起重机故障诊断和寿命评估系统功能如下：

安全监控：实时显示起重机运行参数与安全状态，运行参数包含起重量、起重力矩、起升高度、变幅幅度、回转角度、行走行程、起升速度、变幅速度、回转速度、行走速度与环境风速，安全状态包含载荷额定能力、行程限位状态、超速/失速状态等；记录起重机作业历史数据与事件信息；起重机运行进入报警状态时发出语音报警，输出限速、限位与停车三级控制；实时发送起重机运行数据与安全状态至数据中心，实现远程安全监控。

效率分析：功率传感器实时采集起重机起升机构电机运行功率，运行功率超出正常范围时发出功率报警；通过起重量、起升速度等数据计算起升机构电机的有效功率，有效功率与运行功率之间的比值即起升机构效率，绘制起升机构效率的历史趋势曲线，用于起重机故障诊断与寿命评估。

寿命评估：起升电流开关、变幅电流开关、回转电流开关、行走电流开关采集起重机电气控制线路起升机构、变幅机构、回转机构与行走机构电流，分析电气控制线路起升继电器、变幅继电器、回转继电器、行走继电器的闭合状态，累计各继电器的动作次数，评估起重机电气元件的机械使用寿命；累计各继电器的闭合时间，评估起重机电气元件的电气使用寿命；累计起重量数据与工作时间数据，评估起重机整机使用寿命。

故障诊断：起升电流开关、变幅电流开关、回转电流开关、行走电流开关采集起重机电气控制线路起升机构、变幅机构、回转机构、行走机构电流信号，控制器模块控制起重机电气控制线路起升继电器、变幅继电器、回转继电器、行走继电器闭合状态，起升传感器、变幅传感器、回转传感器、行走传感器采集起重机起升机构、变幅机构、回转机构、行走机构位置信息，处理器通过各机构的控制信息、电流信息与位置信息，分析起重机控制线路的短路、断路、继电器故障与电机故障等。

Claims (1)

1.起重机故障诊断和寿命评估系统，其特征在于：包含感知单元与监控单元两部分；所述的感知单元设有重量传感器、起升传感器、变幅传感器、回转传感器、行走传感器、风速传感器及功率传感器；所述的监控单元设有模拟量模块、开关量模块、处理器模块、控制器模块、人机界面、存储单元、通信模块与监控中心；感知单元各传感器连接模拟量模块，模拟量模块、开关量模块、处理器模块与控制器模块之间使用扩展总线连接，处理器模块使用RS232串行总线连接人机界面，人机界面使用USB通用串行总线连接存储单元，处理器模块使用RS485串行总线连接通信模块，通信模块通过GPRS/Internet网络连接监控中心；所述的感知单元设有起升电流开关、变幅电流开关、回转电流开关与行走电流开关，采集起重机起升机构、变幅机构、回转机构与行走机构电气控制线路电流；所述的电流开关由整流电桥N1、稳压电容C1、稳压电阻R1、稳压二极管D1、线性光耦M1、限流电阻R2、负载电阻R3构成，整流电桥N1的交流输入端子作为电流开关的输入端子，整流电桥N1的输出一端连接稳压电容C1的一端与稳压电阻R1的一端，稳压电阻R1的另一端连接稳压二极管D1的一端与限流电阻R2的一端，限流电阻R2的另一端连接线性光耦M1输入的一端，稳压电容C1的另一端、稳压二极管D1的另一端、线性光耦M1输入的另一端连接整流电桥N1的另一端，线性光耦M1输出的一端连接负载电阻R3的一端，线性光耦M1输出的另一端与负载电阻R3的另一端作为电流开关的输出端子；起升电流开关、变幅电流开关、回转电流开关、行走电流开关的输入端子分别连接控制器模块与起升继电器、变幅继电器、回转继电器、行走继电器，起升电流开关、变幅电流开关、回转电流开关、行走电流开关的输出端子分别连接直流电源与开关量模块；重量传感器实时采集起重量，起升传感器实时采集起升高度，变幅传感器实时采集变幅幅度，回转传感器实时采集回转角度，行走传感器实时采集行走行程，风速传感器实时采集环境风速，功率传感器实时采集起升电机功率，电流开关实时采集电气控制线路电流；模拟量模块采集感知单元传感器的模拟信号，进行硬件滤波与模数转换，发送总线数字信号；开关量模块采集感知单元电流开关的模拟信号，进行硬件滤波与模数转换，发送总线数字信号；处理器模块周期性扫描扩展总线，接收模拟量模块与开关量模块的总线数字信号，进行软件滤波处理、线性变换、逻辑运算与信息输出；控制器模块接收处理器模块控制信息，以继电器方式输出控制信号，控制信号经过电流开关串联连接至起重机电气控制线路；人机界面接收处理器模块的数据信息，实时显示起重机运行参数与安全状态，支持语音报警；通信模块接收处理器模块通信信息并进行TCP/IP数据封包，通过GPRS/Internet网络发送至数据中心，实现远程安全监控；存储单元记录起重机运行参数与安全状态，支持SD卡与Flash卡。

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