四、起重装备制动器性能监测系统

1．监测系统整体设计

监测系统的硬件总体结构示意图如图6所示。硬件系统主要包括主机部分、信号采集卡、信号调理部分、传感器等。

图6 监测系统的硬件总体结构示意图

1）压力传感器

转矩是评价制动性能的重要参数，但根据制动器的结构可知，如果直接安装转矩传感器在制动器上是很困难的，因此间接监测制动主弹簧的正压力，再换算成相应制动时刻的转矩。

力学传感器种类很多，结合制动器的结构特点、监测位置特性，选用压阻式压力传感器。如图7所示，压阻式压力传感器结构是采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上，制成硅压阻芯片，并将此芯片的周边固定封装于外壳之内，引出电极引线。

图7 压力传感器结构示意图

2）位移传感器

（1）制动推杆所用传感器

根据制动器推杆的结构特点，考虑行程量的精度，选用新型的非接触式电感传感器，如图8所示。传感器测量采用非接触、无磨损的测量方式，其特点就是精确度高、线性度好，并能保证其使用寿命和制动推杆在任何情况下无妨碍工作。

图8 非接触式电感传感器

非接触式电感传感器采用电压信号测量。线圈特殊的布置方式确保PLC电路和传感器信号的稳定性，即便在允许范围内（0～4mm）出现纵向或横向的移动，信号通过16位高分辨率处理后传到输出。所选的传感器内有两个电子线圈电路板，第一个电路板上布满了感应线圈元件，它的位置在传感器表面的下方。第二个电路板上分布的是电路的信号处理部分，位于第一个电路板的下方。因此，选择此型号的传感器其盲区非常小。

（2）制动退距所用传感器

在退距监测中选用非接触式电涡流传感器，因为本类传感器的感应探头依靠交变磁场的变化可以测得金属表面的距离变化，感应灵敏，测量中引起的振荡电压的变化转化为电压或电流信号，从而将机械位移转化为电信号的变化。

非接触式电感位移传感器安装在制动器推动器的顶端，位移传感器的感应探头固定在顶端随之与推杆一起运动。电涡流传感器测量退距安装在制动臂内侧，传感器的探头对准制动盘，其安装示意图如图9所示。

图9 位移传感器安装示意图（退距）

1—制动臂 2—传感器安装点 3—摩擦片 4—制动盘温度传感器

3）温度传感器

制动器制动过程中由于摩擦导致温度较高，如果在制动时摩擦材料或制动盘温度过高，会降低制动器的制动性能，有可能造成严重的事故。在对制动器制动温度监测时考虑散热性，在制动盘与摩擦衬片刚好非接触的时刻应为最理想的温度，但由于临界接触状态很难直接测得，因此采用非接触式温度传感器。

4）工控机与采集卡

一个完整的监测状态诊断系统必须由监控软件和硬件系统组合而成。监控软件的主要功能是在系统获得外界信号后进行处理、分析，监测诊断现场设备的运行状况。而硬件系统则是给监控软件提供外界信息的主要来源，是监控软件系统运行的基础。设计一套技术先进、运行可靠、抗干扰能力强的硬件系统，是保障整个系统正常运行的关键。

（1）工控机

由于起重机现场工作环境比较复杂，工控机必须要求能够适应振动、冲击、灰尘等环境，因此选择性能稳定、可靠性好的工控机作为系统的主机。

（2）采集卡

信号采集卡是计算机与外部设备进行信息交换的桥梁，各类采集信号都需要通过采集卡再输送到计算机，为了能够使系统得到更加稳定的、可靠的信号，应选择高性能的采集卡。

2．基于多变量传感器的制动器性能监测系统

基于多变量传感器的制动器性能监测系统基本结构可分为三部分，第一部分是由计算机和监测软件构成的上位机监测系统；第二部分是通信接口卡；第三部分是由单片机以及外围部件构成的下位机数据采集的智能节点。总体设计框图如图10所示。

图10 总体设计框图

上位机监测系统由一台带有标准串口的工控机组成，系统工作过程中下位机智能节点对制动推杆位移、制动温度、退距、正压力等模拟量进行数据采集和处理，并把处理后的数据通过总线传给通信接口卡，再由通信接口卡把数据转换为相应数据格式后送向监控工控机。监控工控机发送下来的总线格式的数据经通信接口卡转换成总线协议格式送向下位机智能节点。上位机的软件主要是实现系统的参数设置、显示、数据保存、记录各闸的运行情况和监测制动器的运行状态等功能。显示的数据可以与制动器的技术指标进行比较，若超出限定值，则系统报警；保存的数据应用于后续的BP神经网络的训练，从而达到预诊断的目的。

下位机智能节点主要是对如制动推杆位移、制动温度、退距、正压力等模拟量进行数据采集和处理，将处理后的数据上传，同时将数据与程序中预设数据进行比较，若超出限定值，则系统报警，通过对制动系统电控部分的控制达到对起重机制动器的紧急保护功能。

进入制动器健康状态监测系统的主显示界面，如图11所示。反映制动器各性能参数的状态信息均可在主界面显示，可较直观地诊断制动器的健康运行状态。

图11 系统显示界面