CN204287909U - 一种基于物联网的塔式起重机寿命评估系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于物联网的塔式起重机寿命评估系统。利用物联网技术，将塔式起重机远程监控终端和手持式评估终端采集的数据，通过基于GPRS/GPS技术的无线网络传输到寿命评估服务系统。寿命评估服务系统根据接收到的海量数据通过分析与计算，将塔式起重机当前的状态与塔式起重机表征寿命的特征信息的历史劣化状态进行对比，通过寿命评估服务系统的计算，提供快速、准确的塔式起重机寿命评估结果，并自动生成安全评估报告。

Description

一种基于物联网的塔式起重机寿命评估系统

技术领域

本实用新型涉及一种特种设备的寿命及安全评估技术应用，尤其涉及一种基于物联网的塔式起重机寿命评估系统。

背景技术

近年来，随着城市化进程的加快，建筑用塔式起重机正越来越多的被用于建造高楼大厦。由于其作业环境恶劣、工况复杂多变，塔式起重机倒塌事故不断发生，严重危害人们的生命财产安全，特别是有一定服役年限的老旧塔式起重机，由于其结构磨损比较严重，更容易发生事故，为此，住建部规定超过一定服役年限的老旧塔式起重机继续使用必须进行安全评估；另外，还有相当一部分塔式起重机，由于操作不当发生各种各样的事故，经过维修评估后仍旧可以使用。多种情况综合可知，评估机构每年需要安全评估的塔式起重机数量相当庞大。

传统塔式起重机的评估一般都是通过人工现场检测，然后经过计算汇总，得出塔式起重机安全评估结论。在此过程中，需要大量数据检测和计算，采取人工测量的方式，工作量太大，针对每台塔式起重机进行评估几乎是一个不可完成的任务。另外，很多施工单位为了赶工期，经常超载作业。采用传统的评估方式，依靠人工进行数据收集、测量、计算，由于无法统计实际工作中的载荷率、超载时间、冲击抖动等因素，就难以发现这种频繁超载引起的疲劳隐患，评估更是无从说起。

基于以上背景和分析，本实用新型提出了一种基于物联网的塔式起重机寿命评估系统。该系统基于物联网架构、能够自动收集塔式起重机的工作数据，同时结合部分的手持式终端的数据采集，统一发送到数据平台进行分析。可以针对塔式起重机的使用寿命进行在线评估，并自动生成评估报告，提高评估效率和降低计算误差。

发明内容

本实用新型的目的是：针对塔式起重机寿命评估存在测量难、计算难、数据量大的特点，提供一种基于物联网的塔式起重机寿命评估系统，能够快速、高效、准确的评估塔式起重机的寿命。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于物联网的塔式起重机寿命评估系统包括：塔式起重机远程监控终端1、无线网络传输系统3、手持评估终端2、寿命评估服务系统4。

所述塔式起重机远程监控终端1通过安装在塔式起重机上的传感器，采集塔式起重机的各个动作参数；塔式起重机远程监控终端1通过无线数据传输单元1-12发送至寿命评估服务系统4。

所述塔式起重机远程监控终端1包括：人机交互界面1-1、数据采集处理单元1-2载荷传感器1-3、幅度传感器1-4、高度传感器1-5、转角传感器1-6、风速传感器1-7、倾角传感器1-8、操作指令1-9、控制输出1-10、GPS定位模块1-11、无线数据传输单元1-12)、电源系统1-13。

所述传感器采用高精度无齿轮传动编码器，可以完全电子和数字化设定圈数，可任意位置设定零点或中途任意点，最大圈数16384圈。

所述电源系统1-13采用隔离变压器进行一次降压，使电压能够满足开关电源工作范围，同时抑制一定的电网干扰；另外增加电源滤波模块，除去电源的高低频波的污染，然后接入开关电源，供给设备使用。

塔式起重机远程监控终端1和各个模块之间的数据传输方式包括：人机交互界面1-1与数据采集处理单元1-2采用RS232或者RS485传输；数据采集处理单元1-2与传感器1-3、1-4、1-5、1-6、1-7和1-8之间采用模拟量数据传输；数据采集处理单元1-2与操作指令1-9采用开关量数据传输；数据采集处理单元1-2与控制输出1-10采用开关量数据传输；GPS定 位模块1-11与数据采集处理单元1-2采用RS232或者RS485传输；数据采集处理单元1-2与无线数据传输单元1-12采用RS232或者RS485传输。

所述手持评估终端2自带的图像采集设备对被检测的关键位置拍照、摄像记录，通过手持设备外扩的传感器检测塔式起重机经过现场磨损腐蚀后的实际壁厚、损伤情况、裂纹长度和深度情况、应力大小、产权编号、安全装置信息，填入重要结构件的变形检测信息、输入载荷试验的信息；所述手持评估终端2通过自身携带的图像采集设备，可以将现场的图片和视频进行拍摄和存储，存储器大小不小于16G；所述手持评估终端2通过串口通讯方式RS232或者RS485连接外扩传感器；所述手持终端2通过内置的GPRS/GPS信号接收器，利用无线网络上网，从寿命评估服务系统4中，下载已评估好的评估系统报告，利用U盘导出或者外接USB打印机直接打印；所述手持终端内置《JGJ/T 189-2009建筑起重机械安全评估技术规程》中所需要的安全评估所有算法，根据算法可以进行寿命的计算和报告的输出。

所述无线传输系统3采用集成GPRS/GPS DTU数据传输单元模块，内置TCP/IP协议，利用无线移动网络，将位置信息、工作状态等数据传输至移动网络的服务基站，由服务基站接收，然后通过网络输出至服务平台。

所述寿命评估服务系统根据寿命评估要求，实时分析、整理数据，并进行寿命计算与报告输出。

所述寿命评估服务系统4包括进行功能算法选择的主界面模块4-1、为存储材料性能参数和载荷应变数据的数据库管理模块4-2、为计算寿命所需要的各类算法集合的寿命计算模块4-3、结构寿命可靠性计算的安全决策模块4-4；所述寿命评估服务系统4可根据前述计算模块，自动生成评估报告，实现无纸化办公的评估报告模块4-5；所述寿命评估服务系统4根据拍摄到的塔式起重机的图片、人工输入的信息以及扫描到的关键部件的受损情况，结合出厂设计图纸，进行位置匹配，结合塔式起重机远程监控终端1采集到的信息，经过算法处理，生成可以打印的报告，以备查询下载。

本实用新型的有益效果是，该系统基于物联网架构、能够自动收集塔式起重机的工作数据，同时结合部分的手持式终端的数据采集，统一发送到数据平台进行分析。可以针对塔式起重机的使用寿命进行在线评估，并自动生成评估报告，提高评估效率和降低计算误差。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是塔式起重机寿命评估系统模块构架图。

图2是远程监控终端连接方式示意图。

图3是远程监控终端和其他模块连接方式示意图。

图4是寿命评估系统软件架构图。

图5是无漏磁隔离变压器示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

由图1所示，一种基于物联网的塔式起重机寿命评估系统包括：塔式起重机远程监控终端1、无线网络传输系统3、手持评估终端2、寿命评估服务系统4。塔式起重机远程监控终端1通过安装在塔式起重机上的传感器，采集塔式起重机的各个动作参数，检测信号通过无线数据传输单元1-12发送至寿命评估服务系统4。寿命评估服务系统4根据寿命评估要求，实时分析、整理数据，并进行寿命计算与报告输出。

由图2所示，人机交互界面1-1与数据采集处理单元1-2采用RS232或者RS485传输；数据采集处理单元1-2与传感器1-3、1-4、1-5、1-6、1-7和1-8之间采用模拟量数据传输；

数据采集处理单元1-2与操作指令1-9采用开关量数据传输；数据采集处理单元1-2与控制输出1-10采用开关量数据传输；GPS定位模块1-11与数据采集处理单元1-2采用RS232或者RS485传输；数据采集处理单元1-2与无线数据传输单元1-12采用RS232或者RS485传输。

由图3所示，手持设备外扩的传感器检测塔式起重机经过现场磨损腐蚀后的实际壁厚、损伤情况；通过手持设备外扩的传感器检测塔式起重机的裂纹长度和深度情况、应力大小、产权编号相关参数、安全装置信息、变形检测信息；通过手持评估终端2输入载荷试验的信息；按照《JGJ/T 189-2009建筑起重机械安全评估技术规程》，通过手持评估终端2输入所有的需要参数；手持评估终端2通过串口通讯方式RS232或者RS485连接外扩传感器；手持评估终端2通过自身携带的图像采集设备，可以将现场的图片和视频进行拍摄和存储，存储器大小不小于16G；手持评估终端2可以通过内置的GPRS/GPS信号接收器，利用无线网络上网，从寿命评估服务系统4中，下载已评估好的评估系统报告，利用U盘导出或者外接USB打印机直接打印；手持评估终端2内置《JGJ/T 189-2009建筑起重机械安全评估技术规程》中所需要的安全评估所有算法，根据算法可以进行寿命的计算和报告的输出。

由图4所示，寿命评估服务系统4包括进行功能算法选择的主界面模块4-1、为存储材料性能参数和载荷应变数据的数据库管理模块4-2、为计算寿命所需要的各类算法集合的寿命计算模块4-3、结构寿命可靠性计算的安全决策模块4-4、可根据前述计算模块，自动生成评估报告，实现无纸化办公的评估报告模块4-5；所述寿命评估服务系统4根据拍摄到的塔式起重机的图片、人工输入的信息以及扫描到的关键部件的受损情况，结合出厂设计图纸，进行位置匹配，结合塔式起重机远程监控终端1采集到的信息，经过算法处理，生成可以打印的报告，以备查询下载。

由图5所示，电源系统采用隔离变压器进行一次降压，使电压能够满足开关电源工作范围，同时抑制一定的电网干扰；另外增加电源滤波模块，除去电源的高低频波的污染，然后接入开关电源，供给设备使用。

寿命评估运算服务器根据接收到的数据，进行如下寿命评估的内容：

根据塔式起重机远程监控终端1发送来的数据，计算塔式起重机已经工作时间、设计工作时间，并形成初步的是否进入疲劳计算的程序；根据上述步骤，当塔式起重机进入疲劳计算程序后，统计塔式起重机的工作状态，判断其工作的规范性，是否经常超载、偶尔超载、从不超载三个等级，形成工作规范性报告；将手持评估终端2发送过来的数据，结合塔式起重机的已经工作时间，根据《JGJ/T 189-2009建筑起重机械安全评估技术规程》的技术要求，判定当前塔式起重机的安全状态；寿命评估子系统根据将拍摄到的照片以及探伤结果，根据塔式起重机已经工作时间，基于断裂力学Pairs公式和Forman公式，计算相关裂纹扩展寿命，Paris公式为式1所示，Forman公式为式2所示

$\frac{\mathrm{da}}{\mathrm{dN}}=C{\left(\mathrm{\ΔK}\right)}^m$   1 

$\frac{\mathrm{da}}{\mathrm{dN}}=\frac{c{\left(\mathrm{\ΔK}\right)}^m}{(1-R)K_c-\mathrm{\ΔK}}$   2 

式中：da/dN为疲劳裂纹扩展速率；ΔK为应力强度因子幅值，ΔK＝K_max-K_min；C、m为材料常数，K_c是断裂韧度；R是应力比。

寿命评估子系统将上述分析结果整理成最终详细报告，自动生成完整的塔式起重机寿命评估报告，以备查询下载。

以上所述的具体技术方法，对本实用新型专利的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型专利的具体技术方案而已，并不用于限制本实用新型专利，凡在本实用新型专利的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明专利的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种基于物联网的塔式起重机寿命评估系统，其特征在于：

包括塔式起重机远程监控终端（1）、手持评估终端（2）、无线传输系统（3）、寿命评估服务系统（4）四部分；

塔式起重机远程监控终端（1）根据八个传感器采集的信息，实时监管塔式起重机状态，并在后台进行数据的分类处理存储，供寿命评估使用；

手持评估终端（2）根据三个传感器采集的信息，及通过人机交互界面（1-1）输入的塔式起重机基本信息，也在后台进行数据的分类处理存储，可以进行寿命的计算和报告的输出，同时可以进行上网进入到寿命评估服务系统（4），下载详细的评估报告；

预处理后满足要求的数据，通过无线网络传输系统（3），送入寿命评估服务系统（4）进行计算，根据塔式起重机当前的状态及历史数据，将塔式起重机当前的状态与塔式起重机表征寿命的特征信息的历史劣化状态进行对比，通过寿命评估服务系统（4）的计算，提供塔式起重机寿命评估结果，并自动生成安全评估报告。

2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的塔式起重机寿命评估系统，其特征在于：所述塔式起重机远程监控终端（1）包括：

1个显示模块：人机交互界面（1-1）；

1个数据采集处理单元（1-2），用于传感器的信号采集和处理，同时用于输出控制；

6个模拟量输入：载荷传感器（1-3）、幅度传感器（1-4）、高度传感器（1-5）、转角传感器（1-6）、风速传感器（1-7）、倾角传感器（1-8）；

1个开关量输入：操作指令（1-9）；

1个开关量输出：控制输出(1-10)；

1个塔式起重机的定位传感器模块：GPS定位模块(1-11)；

1个无线数据传输单元(1-12)，用于将数据通过无线网络进行发送；

1个电源系统(1-13)：用于给终端供电。

3.根据权利要求2所述的一种基于物联网的塔式起重机寿命评估系统，其特征在于：

所述塔式起重机远程监控终端（1）和各个模块之间的数据传输采用如下方式：

人机交互界面(1-1)与数据采集处理单元(1-2)采用RS232或者RS485传输；

数据采集处理单元(1-2)与传感器(1-3)、(1-4)、(1-5)、（1-6）、（1-7）和（1-8）之间采用模拟量数据传输；

数据采集处理单元（1-2）与操作指令（1-9）采用开关量数据传输；

数据采集处理单元（1-2）与控制输出（1-10）采用开关量数据传输；

GPS定位模块（1-11）与数据采集处理单元（1-2）采用RS232或者RS485传输；

数据采集处理单元（1-2）与无线数据传输单元（1-12）采用RS232或者RS485传输。

4.根据权利要求1所述的一种基于物联网的塔式起重机寿命评估系统，其特征在于：

所述手持评估终端（2）包括：

1个显示模块：人机交互界面（2-1），可用于将起重机基本信息录入、显示；

1个数据采集处理单元（2-2），用于传感器的信号采集、处理和接收；

1个数据计算模块（2-3），用于将采集的数据，按照相关的标准和规范要求计算，输出简化型寿命评估报告；

3个外接的模拟量输入传感器：裂纹检测传感器（2-4）、应力检测传感器（2-5）、厚度检测传感器（2-6）；

1个内置的摄像头（2-7），用于拍摄现场的图片作为评估依据；

1个扩展RS232/485接口（2-8）；

1个无线数据传输单元（2-9），用于将数据通过无线网络进行发送。

5.根据权利要求1所述的一种基于物联网的塔式起重机寿命评估系统，其特征在于：

所述无线传输系统（3）采用集成GPRS/GPS DTU数据传输单元模块，内置TCP/IP协议，利用无线移动网络，将位置信息、工作状态等数据传输至移动网络的服务基站，由服务基站接收，然后通过网络输出至服务平台。

6.根据权利要求1所述的一种基于物联网的塔式起重机寿命评估系统，其特征在于：所述寿命评估服务系统（4）的硬件为计算机服务器；

在计算机服务器中，安装了塔式起重机寿命评估系统软件；

主界面模块(4-1)为寿命评估模块的功能算法选择界面；

数据库管理模块(4-2)为存储材料性能参数和载荷应变数据；

寿命计算模块(4-3)为计算寿命所需要的各类算法集合；

安全决策模块(4-4)为结构寿命可靠性计算模块；

评估报告模块(4-5)，可根据前述计算模块，自动生成评估报告，实现无纸化办公。

7.根据权利要求1或2任意所述的一种基于物联网的塔式起重机寿命评估系统，其特征在于：所述塔式起重机远程监控终端（1）有如下明显特征：

电源系统采用隔离变压器进行一次降压，使电压能够满足开关电源工作范围，同时抑制一定的电网干扰；另外增加电源滤波模块，除去电源的高低频波的污染，然后接入开关电源，供给设备使用。

8.根据权利要求1或2任意所述的一种基于物联网的塔式起重机寿命评估系统，其特征在于：所述塔式起重机远程监控终端（1）包括：

幅度传感器(1-4)、高度传感器(1-5)、转角传感器(1-6)采用高精度无齿轮传动编码器，可以完全电子和数字化设定圈数，可任意位置设定零点或中途任意点，最大圈数16384圈。

9.根据权利要求1或4任意所述的一种基于物联网的塔式起重机寿命评估系统，其特征在于：所述手持评估终端（2）具有如下明显特征：

手持终端通过串口通讯方式RS232或者RS485连接外扩传感器，经过裂纹检测、应力检测、厚度检测三个传感器的信息录入，将被检测的塔式起重机相关参数，进行存储和通过无线网络上传至寿命评估系统；

手持终端通过自身携带的图像采集设备，可以将现场的图片和视频进行拍摄和存储，存储器大小不小于16G。

10.根据权利要求1或4任意所述的一种基于物联网的塔式起重机寿命评估系统，其特征在于：所述手持评估终端（2）具有如下明显特征：

手持终端可以通过内置的GPRS/GPS信号接收器，利用无线网络上网，从寿命评估服务系统中，下载已评估好的评估系统报告，利用U盘导出或者外接USB打印机直接打印。

11.根据权利要求1或6任意所述的一种基于物联网的塔式起重机寿命评估系统，其特征在于：所述寿命评估服务系统（4）进行的工作如下：

根据拍摄到的塔式起重机的图片、人工输入的信息以及扫描到的关键部件的受损情况，结合出厂设计图纸，进行位置匹配；

结合远程监控终端采集到的信息，经过算法处理，生成可以打印的报告，以备查询下载等。