基于工业无线的起重机远程状态监测系统

材料方面的状态监测，没有针对起重机电动机作系统的状态监测。

基于物联网工业无线模块设计了起重机电动机的远距离状态监测系统，针对起重机电动机的转速、振动等设计出其状态监测系统。

1 状态监测系统检测电路的硬件设计

本研究的主要内容是起重机电动机的状态监测，首先设计出状态监测所需要的软硬件系统。状态监测硬件系统主要包括信息采集单元、信号处理单元、信息发送和信息发布单元这四个部分。而信息采集单元的硬件电路又包括振动检测单元与电机转速检测单元这两个检测单元。信息处理单元和信息发送单元采用物联网工业无线模块对各单元传感器采集的数据进行处理，通过监控软件实时显示起重机电动机的状态。

1.1 硬件系统框架

检测电路包括转速传感器获取电机的转速，振动传感器检测机座的振动情况。其系统结构框图如图1所示。

检测电路通过PLC进行连接，电机的运行参数（转速、振动等）通过物联网工业无线模块进行传输，送到上位机中进行处理分析。

根据不同的现场情况，如果信息采集模块到基站节点的距离较远，当传输的距离超出了物联网工业无线模块的传输范围（通常在1 000米内），那么可以选择使用中继节点接力完成信号的传输。

1.2 采集传输模块设计

采集传输模块主要的任务是完成测量信号的采集以及将所采集的数据信息发送出去。视不同的应用情况选择不同的模块，如可用于温湿度采集、转速采集、振动检测等。

1.2.1 转速检测电路

SC12-20K的速度传感器采用专门用于转速测量的霍尔芯片，输出采用集电极开路的输出方式，可将输出直接接入到PLC的高速脉冲计数器输入接口，特别适用于传输要求苛刻的场合或要求速度精确、距离精密的变速箱等产品中。内置高磁力磁铁，性能稳定，最高可检测转速为200 000转/秒。

系统转速检测原理图如图2所示，其中，最左侧方框中的部分是SC12-20K转速传感器的结构示意图。转速传感器的有效输出最大为20 kHz，为减小噪声对转速采样的干扰，在对转速数据采样前先进行滤波。图2中的运算放大器U1A、电阻R以及电容C组成了一阶低能阻容（RC）滤波器，其截止频率可由式（1）计算得出。

此一阶RC滤波器的作用是滤除转速传感器输出中无用的高次谐波，提高转速检测的准确度。图2中的电阻R3、运算放大器U2A组成了电压比较电路，R3为滑动变阻器，用于调节比较器的基准电压。通过调节电阻R3可使SPout输出的波形更理想。

在PLC梯形图主程序中，用I0.0的下降沿调用高速计数器初始化子程序，然后做一个高速计数器初始化的子程序，定义为加计数更新当前值，高速计数器中断，然后激活高速计数器，设置定时中断0的时间间隔为100 ms，建立中断程序和中断事件中断连接，并全局允许中断。中断程序为100 ms的定时中断，每100 ms执行一次中断程序。用100 ms计算的脉冲个数即可算出电机转速。其捕获单元示意图如图3所示。

1.2.2 振动检测电路

振动是一种特殊形式的机械运动，大多数机械振动都是有害的，这些振动不仅对设备造成危害而且对人身健康也会产生危害，所以对机器振动的检测就非常必要。文中振动检测电路的主要作用是检测机座的振动状态，当振动量大于振动开关的阈值时电路报警从而引起在场人员的注意。选用SW-18010P型振动开关，其内部结构与安装图如图4所示。

将振动开关安装到机座上就可以用来检测机座的振动情况。此振动开关在无振动或是振动量较小的情况下，电路处于开路状态。当有外力作用或是振动量大于振动开关的作用阈值时，电路就会产生瞬间导通。电路导通后P07就会被置为高电平，P07连接到PLC数字输入口，产生中断请求，触发中断程序时进行处理。当外力消失或是振动量小于振动开关的作用阈值时，开关恢复为开路状态，中断信号消失。振动检测原理图如图5所示。

在图5中，S2是振动传感器，P07接到PLC数字量输入口。当S2闭合时，中断产生，CPU响应中断后对事件进行处理，根据需要在中断处理函数中做出不同等级的预设处理事项，根据机座不同部位或不同个数的振动传感器产生的中断，系统将产生报警提示。

2 状态监测系统检测系统软件设计

文中的传感器节点主要有振动检测节点与转速检测节点。分别介绍不同节点的软件设计方法。

2.1 转速检测

SC12-20K速度传感器采用三线制，输出端采用集电极开路输出。当电机的卡销将转过转速传感器时，转速传感器就会输出一个脉冲波形。使用PLC高速脉冲计数器来完成转速传感器输出波形的检测。由于选用的速度传感器输出为低电平有效，所以使用PLC高速脉冲计数器的下降沿，当出现两个下降沿时就说明电机转过了一转，两个下降沿所用时间的倒数就是电机转速。图6所示为电机转速检测的软件流程。

程序首先初始化定时器，将定时器输入捕获单元对应的引脚设置为定时器捕获功能引脚；接着初始化PLC的定时器，设置为递增计数、输入捕获模式；清除定时器的计数寄存器的值；当转速传感器输出（捕获单元的输入）电平出现下降沿时，产生捕获事件。捕获单元向CPU发出中断请求，在中断处理函数中通过读取定时器的计数寄存器的值，就可以获得捕获时刻计时器的时间。相邻两次捕获事件发生的时间间隔为电机转过一周所用的时间，其倒数即为电机的转速。

2.2 振动检测

SW-18010P振动传感器的输出是布尔量，当振动量超过阈值时输出1，没超过阈值则输出为0。可将此量作为PLC的中断输入，当输入为1时，触发外部中断，在中断服务程序中进行振动检测结果的显示。

振动检测软件流程图如图7所示。在图7中，点划线左侧为系统软件部分，点划线右侧为振动检测（中断）软件部分，右侧用虚线画出的部分可以放在系统初始化部分完成。在系统正常运行情况下，当振动量超出阈值时，系统软件就会停下正在处理的任务，保存现场准备处理中断事件，处理完成中断后，恢复现场，继续执行之前的任务。

3 实验数据分析

3.1 转速检测

同时分别使用物联网工业无线模块和示波器采集电机的转速，并将所得数据进行比较，从而验证物联网工业无线模块的性能。

为方便物联网工业无线模块的检测结果与示波器所观测的结果进行比较，将转速传感器的输出连接到PLC的高速计数器输入端，观察物联网工业无线模块所采集到的数据。分析电机的卡销将要转到转速传感器至将要转过转速传感器之间时刻波形的数据（波形变化部分的数据），将此部分数据保留2位有效数字，转速传感器输出电压突变时的数据见表1所列，将表1中数据绘制成如图8所示的电机转速数据连接图。

分析表1和图8，从电机的卡销将要转到转速传感器至将要转过转速传感器之间时刻的波形和数据可以得出，如果转速传感器的输出电压从高电平到低电平突变（下降沿）时，就可以判定电机转过了一转。将传感器输出经过滤波和比较电路后接到PLC高速计数器输入接口，当捕获单元捕获到下降沿时，则电机转过一周。

3.2 振动检测

SW-18010P振动传感器的输出是布尔量，若其值超过阈值为则1，不超过阈值则为0。振动检测实验共设置四种情况，分别为：

（1）在电机正常运行时；

（2）电机加上非平衡负载时；

（3）电机底座紧固螺丝松动时；

（4）将设备旋转于实验室的三轴摇摆实验台。

4 结 语

开展了对起重机的远距离无线状态监测系统的研究，通过多参数监测的方式，实现了对起重机电动机的状态进行远距离无线监测的目的。系统具有结构简单，对原有设备和历史数据充分利用等特点，对起重机电动机状态监测取得了良好的效果。监控系统主机采用控制电路，使控制系统和监测系统成为真正统一的整体，增强了监测系统的稳定性、可靠性，有利于实现闭环控制，具有推广价值。通过上位机能够实现起重机的智能控制、远程控制、生产管理、历史数据的记录，为智能监测开辟了一条思路。今后将开发更加科学合理的监测技术和装置，拓宽起重机状态监测的范畴，使之向纵深方向延伸，为提升设备管理层次作出更大贡献。

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