基於物聯網的起重機金屬結構健康監測與安全預警系統的製作方法
2023-06-21 11:20:01 2
專利名稱：基於物聯網的起重機金屬結構健康監測與安全預警系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及物聯網技術與大型起重機的金屬結構健康監測技術，尤其涉及一種基於物聯網的起重機金屬結構健康監測與安全預警系統。
背景技術：
起重機械是主要工業企業生產環節的「骨幹」，但大型起重機械安全問題面臨的形勢和挑戰卻非常嚴峻，重特大事故仍時有發生。隨著我國起重機數量急增，其事故數量連續五年高居各類特種設備事故首位；與此同時，全國上下對公共安全方面要求越來越高，使得特種設備特別是起重機在保安全、促發展方面責任更重、壓力更大。因此，研究起重機安全預警技術是當務之急。目前，國內對起重機械安全保證仍然以維保單位的「定期保養，事後維修」和質檢部門的2年一個周期的定期檢驗為主，缺乏大型起重機結構健康監測與預警技術，尚未能對大型起重機運行安全問題採取更有針對性、更有效的措施，防止各類公共安全事故的發生，因此，亟需提出一種有針對性的措施來預防此類事故發生，起重機械結構健康監測與安全預警技術便隨之而生。
發明內容
為解決上述中存在的問題與缺陷，本發明提供了一種基於物聯網的起重機金屬結構健康監測與安全預警系統，該系統的核心是將物聯網技術用於起重機的結構健康監測與安全預警技術中，結合不受電磁幹擾的光纖光柵傳感技術、無線傳輸技術、智能識別與專家系統等技術手段，將起重機結構健康監測由定期檢測提升至實時在線監測層次，具有抗電磁幹擾能力強、防雷、高精度、寬量程、高可靠性、智能性、壽命長等特點。所述技術方案如下:
基於物聯網的起重機金屬結構健康監測與安全預警系統，包括:物聯網感知層、物聯網網絡層和物聯網應用層，所述物聯網感知層，用於採集起重機金屬結構健康參數的光信號，將光信號解調成電信號，並將傳感數據電信號壓縮封裝後傳輸到物聯網網絡層；物聯網網絡層，用於接收電信號數據，對電信號進行識別處理，並將識別處理後的數據發送到物聯網應用層；物聯網應用層，將接收到的數據進行計算並判定是否發出報警信號。本發明提供的技術方案的有益效果是:將光纖光柵傳感技術引入到大型起重機械健康監測與預警系統中，改變常規應力測試效率低、強度大、無法長期監測的不足，實現遠距離、分布式地獲取起重機械結構在整機運行過程中關鍵參數，為實時監測大型起重機械安全狀況提供新的手段。基於物聯網技術，可全天候對大型起重機金屬結構進行全生命周期的實時健康監測與安全預警，具有無電磁幹擾、精度高、量程寬、可靠性高、壽命長等特點。物聯網網絡層採用基於現代移動通信網絡(EDGE/3G)的分布式測量技術，通過應力、應變及溫度數據採集和特徵提取，實現起重機械的運行狀態監測、故障診斷、壽命預測等功能。業務平臺軟體系統提供廣州轄區內大型起重機械設備的資料收錄、翻查等功能。
圖1是基於物聯網的起重機金屬結構健康監測與安全預警系統的結構圖；圖2是物聯網感知層組成結構圖；圖3是物聯網網絡層組成結構圖；圖4是物聯網應用層組成結構圖；圖5是業務平臺軟體系統軟體功能模塊結構圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方式作進一步地詳細描述:本實施例提供了一種基於物聯網的起重機金屬結構健康監測與安全預警系統，該系統包括:物聯網感知層、物聯網網絡層和物聯網應用層，所述物聯網感知層，用於採集起重機金屬結構健康參數的光信號，將光信號解調成電信號，並將傳感數據電信號壓縮封裝後傳輸到物聯網網絡層；物聯網網絡層，用於接收電信號數據，對電信號進行識別處理，並將識別處理後的數據發送到物聯 網應用層；物聯網應用層，將接收到的數據進行計算並判定是否發出報警信號。上述起重機主金屬結構參數包括應力、應變、溫度和加速度參數等。上述物聯網感知層基於物聯網的起重機金屬結構健康監測與安全預警系統的毛細血管，包括焊接在起重機I上的光纖光柵傳感器、光纖光柵解調系統和信息處理與網絡組網模塊，其中，信息處理與網絡組網模塊包括顯示器4和安裝在解調儀上的主動程序。焊接在起重機上的光纖光柵傳感器組成傳感網，實時採集起重機主金屬結構的應力、應變、溫度等結構健康參數的光信號；與各路光纖光柵傳感器連接的光纖光柵傳感器解調儀，把採集到的光信號解調成電信號；與光纖光柵傳感器解調儀2連接的信息處理與網絡組網模塊，通過傳感信號編解碼協同信息處理，傳感器中間件技術等手段，將傳感數據電信號進行壓縮封裝後傳輸到數據傳輸單元3 (DTU)(如圖2所示)。上述物聯網網絡層是基於物聯網的起重機金屬結構健康監測與安全預警系統的動靜脈，包括數據傳輸單元DTU、TCP/IP協議、EDGE/3G協議和防火牆(如圖3所示)，其中數據傳輸單元(DTU)接收來自解調儀封裝後的傳感數據電信號，通過Internet網絡，採用EDGE/3G協議，將數據傳輸到遠程中央伺服器；遠程中央伺服器用於接收經解調過的起重機結構健康參數電信號，進而對該信號進行識別處理。上述物聯網應用層是基於物聯網的起重機金屬結構健康監測與安全預警系統的心臟，包括所述物聯網應用層包括業務平臺軟體系統與人機界面。其中，業務平臺軟體系統硬體部分包括資料庫伺服器、網際網路伺服器、簡訊伺服器、電腦客戶端和手機客戶端(如圖4所示)，資料庫伺服器獲得的數據經過積累分析後組建起重機金屬結構健康監測與安全預警系統的心臟。如圖5所示，為業務平臺軟體系統軟體功能模塊結構，該結構包括:用戶信息管理模塊、系統配置模塊、信息採集與傳輸模塊、資料庫管理模塊、數據分析模塊、現場顯示模塊、用戶幫助模塊。用戶信息管理模塊主要用於存放可以訪問本系統的用戶個人信息和用戶權限管理，包括用戶名、登陸密碼、用戶權限以及用戶的詳細資料等。系統配置模塊用於信息採集時硬體部分的相關參數的設置。該模塊由傳感器設置與採集方式設置組成。傳感器設置主要設定光纖光柵傳感器的中心波長、所在通道、測量類型，以及計算所需物理量所需係數。採集方式設定模塊用於設定採集的採集控制方式與採集頻率。信息採集與傳輸模塊負責讀取光纖光柵傳感實時波長信息，經溫度及應變計算獲得結構實時應變信息並存儲數據；同時，將監測信息定時或實時傳輸到遠程資料庫伺服器。資料庫管理模塊主要用於監測數據的存儲和查詢。包括起重機信息、傳感器信息和監測數據管理。數據分析模塊是健康監測系統的核心模塊。它實現了對其中機械關鍵結構應變信息的實時顯示功能，同時結合損傷預警、損傷識別、壽命評估等相關理論，對起重機的健康狀況進行評價，監測信息超出設定範圍時向指定手機用戶發送簡訊報警，並給出維護建議。現場顯示模塊負責向現場用戶顯示結構各處的應變情況，並顯示預警信息，緊急時可控制蜂鳴器發出警報。用戶幫助模塊用於向用戶介紹系統的使用說明。通過數據通信將信息傳輸到中央處理器後，業務平臺軟體系統採集數據，通過一次線性擬合公式T = MU-Atl)+Ttl (式中，M (°C/nm)為溫度係數，入(nm)為光波當前波長，X ^—般取Ttl=CTC的波長，溫度傳感器在Ttl溫度下的波長為\ )計算光線光柵溫度傳感器的溫度，再通過溫度補償公式I = N(A1-A0)+B(Atl-Ato)-Q AT (N為應變計的應變係數(U I /nm) ;B為傳感器修正係數(ii I /nm) ； A:為應變光纖當前的波長值(nm) 0為應變光纖初始的波長值(nm) ； A tl為溫補光纖當前的波長值(nm);入t(l為溫補光纖初始的波長值(nm) ；a (u U0C)為被測物體熱膨脹係數，A T=IOO X U tl-X t(l)，單位取°C )計算應變值，最終獲得應力值；然後進行數據存儲；計算後的應力值與計算好的應力閾值進行比較(這個閾值是通過材料力學方法，有限元方法計算得出的，主要是材料所能承受的最大拉力或壓力)，從而判定是否發送預警信息；人機界面安裝於司機室，預報警信號實時傳輸到司機室；超過閾值，人機界 面就會發出報警信號提示操作人員採取緊急措施，同時報警信號超過EDGE/3G技術，以簡訊方式發送到主管起重機安全運行的工作人員手機客戶端；具有網絡連接的個人電腦終端，用於遠程瀏覽起重機結構健康狀況。上述物聯網感知層、物聯網網絡層、物聯網應用層三個部分密不可分，共同組成一個系統，實現起重機械結構健康監測與安全預警任務。隨著數據的累積，建立起重機金屬結構健康監測評估系統，用於起重機在線評估、安全預警、壽命預測、安全性、耐久性等方面的安全評估工作。在起重機械安全評估的基礎上，對起重機械進行系統測試並展開應用示範，逐步完善系統，為產業化應用奠定基礎。以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.基於物聯網的起重機金屬結構健康監測與安全預警系統，其特徵在於，所述系統包括:物聯網感知層、物聯網網絡層和物聯網應用層，所述 物聯網感知層，用於採集起重機金屬結構健康參數的光信號，將光信號解調成電信號，並將傳感數據電信號壓縮封裝後傳輸到物聯網網絡層； 物聯網網絡層，用於接收電信號數據，對電信號進行識別處理，並將識別處理後的數據發送到物聯網應用層； 物聯網應用層，將接收到的數據進行計算並判定是否發出報警信號。
2.根據權利要求1所述的基於物聯網的起重機金屬結構健康監測與安全預警系統，其特徵在於，所述物聯網感知層、物聯網網絡層和物聯網應用層分別是基於物聯網的起重機金屬結構健康監測與安全預警系統的毛細血管、動靜脈和心臟。
3.根據權利要求1所述的基於物聯網的起重機金屬結構健康監測與安全預警系統，其特徵在於，所述起重機主金屬結構參數包括應力、應變、溫度和加速度參數。
4.根據權利要求1所述的基於物聯網的起重機金屬結構健康監測與安全預警系統，其特徵在於，所述物聯網感知層包括光纖光柵傳感器、光纖光柵解調系統和信息處理與網絡組網模塊。
5.根據權利要求1所述的基於物聯網的起重機金屬結構健康監測與安全預警系統，其特徵在於，所述物聯網網絡層包括數據傳輸單元DTU、TCP/IP協議和EDGE/3G協議。
6.根據權利要求1所述的基於物聯網的起重機金屬結構健康監測與安全預警系統，其特徵在於，所述物聯網應用層包括業務平臺軟體系統與人機界面。
7.根據權利要求6所述的基於物聯網的起重機金屬結構健康監測與安全預警系統，其特徵在於，所述業務平臺·軟體系統包括資料庫伺服器、網際網路伺服器、簡訊伺服器、電腦客戶端和手機客戶端。
全文摘要
本發明公開了一種基於物聯網的起重機金屬結構健康監測與安全預警系統，所述系統包括物聯網感知層、物聯網網絡層和物聯網應用層，所述物聯網感知層，用於採集起重機金屬結構健康參數的光信號，將光信號解調成電信號，並將傳感數據電信號壓縮封裝後傳輸到物聯網網絡層；物聯網網絡層，用於接收電信號數據，對電信號進行識別處理，並將識別處理後的數據發送到物聯網應用層；物聯網應用層，將接收到的數據進行計算並判定是否發出報警信號。本發明基於物聯網技術，可全天候對大型起重機金屬結構進行全生命周期的實時健康監測與安全預警，具有無電磁幹擾、精度高、量程寬、可靠性高、壽命長等特點。
文檔編號B66C15/06GK103241658SQ20131015278
公開日2013年8月14日 申請日期2013年4月27日 優先權日2013年4月27日
發明者黃國健, 王偉雄, 王新華, 王東輝 申請人:廣州市特種機電設備檢測研究院