多层多采集点的起重机械结构健康监测系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种多层多采集点的起重机械结构健康监测系统。所述多层多采集点的起重机械结构健康监测系统至少包括：分别设置在起重机械不同位置的多个传感器；分别设置在起重机械一关键位置的多个数据采集结点，每一数据采集结点均与各自所在位置附近的至少一个传感器连接，用于存储来自传感器的信息和/或对来自传感器的信息进行预分析以确定起重机械是否有异常；其中，每一数据采集结点包括无线通讯模块和有线通讯模块中的一种；以及设置在所述起重机械的状态结点分析中心，用于与各数据采集结点通信以及对来自各数据采集结点的信息进行分析以确定所述起重机械的结构健康状况。本发明能实时在线监测并评价起重机械健康状况，提高了起重机械使用的安全性。
【专利说明】多层多采集点的起重机械结构健康监测系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及起重机械领域，特别是涉及一种多层多采集点的起重机械结构健康监测系统。
【背景技术】
[0002]我国经济正处于快速平稳的发展阶段，起重机械作为重要的国民生产设备应用于多种场合，导致全国起重机械事故呈高发态势，事故数量连续五年高居各类特种设备事故首位，造成的生命、财产损失十分巨大。由于起重机械设计及生产中存在不可避免的瑕疵，且在运行过程中受载荷、环境变化、不当操作等因素的影响，金属结构会逐渐出现不同程度的老化，直接影响着整机的安全性和可靠性，所以需要对起重机械的健康状况进行实时在线监测，从而提高起重机械使用的安全性。
[0003]研究一种能够在线监测并评价起重机械健康状况的系统成为该领域技术人员的追求目标。例如，在申请号为201210457715.0的中国专利文献中公开了一种起重机械的健康诊断与安全监控方法及其装置。该装置包含的多个倾角传感器、加速度传感器等设置在起重机械上，并通过传输线连接至A/D转换模块进行模数转换后，由CPU模块进行分析处理来确定起重机械的健康状态。
[0004]又例如，在申请号为201310036500的中国专利文献中公开了一种工程起重机的安全评估决策系统及其安全评估决策方法，在该安全评估决策系统中，外部数据检测模块所包含的各传感器设置在起重机上，各传感器再通过线缆连接至数据采集模块，控制模块再根据工程起重机的受力模型及数据采集模块提供的来自各传感器所感测的信息，计算工程起重机各关键结构点的应力。
[0005]然而，在上述几种工程机械的监测系统中，都是通过电缆连接分布于起重机械各处的传感器，实现供电和模拟信号传输，这导致信号容易受到干扰，结果的准确性和灵敏度严重不足。
[0006]为此，在申请号为201220097551的中国专利文献中公开了一种基于无线传感节点的起重机械健康监测系统。该起重机械健康监测系统包括多个传感器采集系统和一个数据采集网关，每一传感器采集系统将各自所包含的传感器所感测的信息以无线方式发送给数据采集网关，再由数据采集网关通过互联网传输给数据处理和控制服务器。该种方式虽然避免了现场繁琐布线，但无线网络的响应速度较慢，而且各传感器所感测的信息经由无线网关后再传输给由远程的数据处理和控制服务器，延迟较长。
[0007]由于现有各种工程机械的健康监测系统都存在不足，故需要进行改进。
【发明内容】
[0008]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高精度高准确性的多层多采集点的起重机械结构健康监测系统。
[0009]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种多层多采集点的起重机械结构健康监测系统，其至少包括:
[0010]分别设置在起重机械不同位置的多个传感器；
[0011]分别设置在起重机械一关键位置的多个数据采集结点，每一数据采集结点均与各自所在位置附近的至少一个传感器连接，用于存储来自传感器的信息和/或对来自传感器的信息进行预分析以确定起重机械是否有异常；其中，每一数据采集结点包括无线通讯模块和有线通讯模块中的一种；
[0012]设置在所述起重机械的状态结点分析中心，用于与各数据采集结点通信以及对来自各数据采集结点的信息进行分析以确定所述起重机械的结构健康状况。
[0013]优选地，与数据采集结点连接的传感器为应力传感器、声发射传感器、模态传感器以及环境参数传感器中的一种或多种。
[0014]优选地，在所有数据采集结点中，部分数据采集结点包括无线通讯模块，部分无线通讯模块包括有线通讯模块。
[0015]优选地，所述无线通讯模块包括ZIGBEE通讯模块；所述有线通讯模块包括以太网通讯模块；更为优选地，采用ZIGBEE通讯模块的各数据采集结点各自与所述状态分析结点通信所采用的频段不完全相同。
[0016]优选地，所述数据采集结点基于数字信号处理器或微处理器来构建。
[0017]优选地，所述状态结点分析中心包括能向预定设备实时发送警报信息的警报发布模块；更为优选地，所述状态结点分析中心基于单片机、工控机或计算机来构建。
[0018]优选地，所述多层多采集点的起重机械结构健康监测系统还包括:与所述状态结点分析中心连接的远程监控中心；更为优选地，包括有线通信模块的数据采集结点基于自身的有线通信模块将信息传送至所述远程监控中心。
[0019]如上所述，本发明的多层多采集点的起重机械结构健康监测系统，具有以下有益效果:能同时采集起重机械多点的应力、声发射、模态和环境信息，通过有线及无线网络传输给状态结点分析中心，通过对实时数据的处理得到当前起重机械的健康状况，并可在出现危险工况的预兆时发出报警信息。本发明可以实时在线监测并评价起重机械健康状况，提高了重机械使用的安全性。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1显示为本发明的多层多采集点的起重机械结构健康监测系统示意图。
[0021]图2a及2b显示为本发明的多层多采集点的起重机械结构健康监测系统的数据采集结点示意图。
[0022]元件标号说明
[0023]I起重机械结构健康监测系统
II传感器
12、12a、12b数据采集结点
121接口电路
122模数转换单元
123微控单元
124存储单元
125以太网通讯模块；
125’ZIGBEE通讯模块
13状态结点分析中心
【具体实施方式】
[0024]以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
[0025]请参阅图1至图2b。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，`以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
[0026]如图所示，本发明提供一种多层多采集点的起重机械结构健康监测系统。所述起重机械结构健康监测系统I至少包括:多个传感器11、多个数据采集结点12、以及状态结点分析中心13。
[0027]各传感器11分别设置在起重机械不同位置；传感器可以是任何能用于感测起重机械相关信息的传感器，优选地，包括但不限于:应力传感器、声发射传感器、模态传感器以及环境参数传感器等。
[0028]所述多个数据采集结点12分别设置在起重机械一关键位置，每一数据采集结点均与各自所在位置附近的至少一个传感器连接，用于存储来自传感器的信息和/或对来自传感器的信息进行预分析以确定起重机械是否有异常；其中，每一数据采集结点包括无线通讯模块和有线通信模块中的一种。
[0029]其中，每一数据采集结点所连接的传感器的种类可以是同一种类或不同种类中的一个或多个。例如，数据采集结点12a与多个应力传感器及多个模态传感器相连接。
[0030]其中，无线通讯模块可采用任何能进行无线数据收发的模块，优选地，包括但不限于:ZIGBEE通讯模块；所述有线通讯模块可采用任何能通过线缆进行数据收发的模块，优选地，包括但不限于:以太网通讯模块。[0031]优选地，数据采集结点12基于自身所在的起重机械的位置和/或所连接的传感器的种类来确定采用无线通信方式或是有线通信方式；例如，连接声发射传感器的数据采集结点，则包含有线通信模块；又例如，在起重机械布线不方便的位置，则数据采集结点包含无线通讯模块。
[0032]优选地，各数据采集结点12可基于数字信号处理器或微处理器来构建。
[0033]例如，一种优选的数据采集结点结构如图2a及2b所示，数据采集结点12a包括与传感器连接的接口电路121、连接所述接口电路121的模数转换(ADC)单元122、连接所述模数转换单元122的微控单元(MCU) 123、连接所述微控单元123的存储单元124及以太网通讯模块125 ;数据采集结点12b与数据采集结点12a不同仅在于:连接所述微控单元123的为 ZIGBEE 通讯模块 125’。其中，MCU 可选用 Texas Instruments (TI)公司的 LM3S8962微控制器MCU，该MCU实现对采样、通讯、控制等的调度；各应力、声发射、模态及环境传感器等输出等模拟信号经过放大、调理、滤波等接口电路121处理后转换为数字信号。模数转换单元122可选用TI公司的ADS7864芯片，可实现6通道12位500kHz同步模数采样。存储单元124可采用Sandiskl6G TF卡，用于保存各传感器所采样的数据，根据FIFO原则，微控单元判断当所存储的数据超限时则删除较早的历史数据。
[0034]所述状态结点分析中心13设置在所述起重机械，用于与各数据采集结点12通信以及对来自各数据采集结点12的信息进行分析以确定所述起重机械的结构健康状况。
[0035]其中，所述状态结点分析中心13与各采用ZIGBEE通讯模块的各数据采集结点12通信可采用不同频段，由此来提高系统总体带宽。
[0036]优选地，所述状态结点分析中心12包括能向预定设备实时发送警报信息的警报发布模块；其中，所述预定设备包括但不限于:1)预定移动设备，例如，手机、PDA、便携式电脑、平板电脑等；2)远程监控中心等。
[0037]优选地，所述状态结点分析中心13可基于单片机、工控机或计算机来构建。
[0038]例如，所述状态结点分析中心13为一台商用计算机，其搭载英特尔(Intel)17-3770为中央处理器、海盗船(Corsair) 8G内存、英特尔(Intel)、256G固态硬盘和希捷(Seagate) 2T机械硬盘。中央结点以串口或USB连接ZIGBEE协调器，与采用ZIGBEE通讯模块的各数据采集结点组成ZIGBEE网络，实现无线数据传输。中央结点与采用以太网通讯模块的各数据采集结点共同连接至友讯(D-Link) 24端口交换机实现局域网数据传输。
[0039]作为一种优选方式，所述起重机械结构健康监测系统I还包括与所述状态结点分析中心13连接的远程监控中心。
[0040]具体地，所述远程监控中心通过诸如友讯(D-Link) 24端口交换机等网络设备连接状态结点分析中心13。
[0041]上述起重机械结构健康监测系统I的检测步骤如下:
[0042]首先，将各数据采集结点12分别安装在起重机械待检测的各关键位置，并与临近的传感器11连接。各数据采集结点12上电后与状态结点分析中心13实现通信同步，通过各自的MCU单元123控制ADC转换单元122根据采样需求读取相应传感器的模拟信号，经滤波、放大等处理后由ADC转换单元122模块转为数字信号。如果预设参数为对采集的数据进行预分析的参数，则MCU单元123进行数据分析，并判断当前状况是否出现异；如果预设参数为保存采集的数据，则MCU单元123判断当前存储器空间是否充足，如果不足则删除较早的历史数据，然后再将数据存储于存储单元124中，并通过以太网通讯模块125或ZIGBEE通讯模块125’将数据传输至位于起重机上的状态结点分析中心13。该状态结点分析中心13通过内置的预定算法对起重机械各点实时数据进行分析，判断当前起重机械的结构健康是否出现异常。若起重机械结构健康出现问题，状态结点分析中心13的警报发布模块则将当前状态信息通过移动通讯网络或短信平台发送至远程信息监控中心和移动电话终端，同时将无线结点的数据进行打包，通过以太网传送到远程监控中心进行分析，而采用以太网通讯模块的数据采集结点11也可以直接通过以太网将输出实时传送至远程监控中心。
[0043]综上所述，本发明的多层多采集点的起重机械结构健康监测系统通过各传感器检测起重机械关键点的应力、声发射、模态和环境等信息，实现结构健康的全面监测；并通过以太网和ZIGBEE两种网络优化组合，解决大数据量、高精度采样数据传输和传感节点灵活分布两种需求；此外，采用传感器、状态结点分析中心及远程监测中心的多层结构，尤其是状态结点分析中心同样位于起重机械上，可有效缩短数据传输距离，提高抗干扰性，并能更好得利用系统带宽；再有，警报发布模块还可将异常安全状态信息通过移动通讯网络或短信平台发送至远程信息监控中心和移动电话终端；这些特点使得本发明可以实时在线监测并评价起重机械健康状况，提高了重机械使用的安全性。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0044]上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属【技术领域】中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
【权利要求】
1.一种多层多采集点的起重机械结构健康监测系统，其特征在于，所述多层多采集点的起重机械结构健康监测系统至少包括: 分别设置在起重机械不同位置的多个传感器； 分别设置在起重机械一关键位置的多个数据采集结点，每一数据采集结点均与各自所在位置附近的至少一个传感器连接，用于存储来自传感器的信息和/或对来自传感器的信息进行预分析以确定起重机械是否有异常；其中，每一数据采集结点包括无线通讯模块和有线通讯模块中的一种； 设置在所述起重机械的状态结点分析中心，用于与各数据采集结点通信以及对来自各数据采集结点的信息进行分析以确定所述起重机械的结构健康状况。
2.根据权利要求1所述的多层多采集点的起重机械结构健康监测系统，其特征在于:与数据采集结点连接的传感器为应力传感器、声发射传感器、模态传感器以及环境参数传感器中的一种或多种。
3.根据权利要求1或2所述的多层多采集点的起重机械结构健康监测系统，其特征在于:在所有数据采集结点中，部分数据采集结点包括无线通讯模块，部分数据采集结点包括有线通讯模块。
4.根据权利要求3所述的多层多采集点的起重机械结构健康监测系统，其特征在于:所述无线通讯模块包括ZIGBEE通讯模块；所述有线通讯模块包括以太网通讯模块。
5.根据权利要求4所述的多层多采集点的起重机械结构健康监测系统，其特征在于:采用ZIGBEE通讯模块的各数据采集结点各自与所述状态分析结点通信所采用的频段不完全相同。
6.根据权利要求1所述的多层多采集点的起重机械结构健康监测系统，其特征在于:所述数据采集结点基于数字信号处理器或微处理器来构建。
7.根据权利要求1所述的多层多采集点的起重机械结构健康监测系统，其特征在于:所述状态结点分析中心包括能向预定设备实时发送警报信息的警报发布模块。
8.根据权利要求1或7所述的多层多采集点的起重机械结构健康监测系统，其特征在于:所述状态结点分析中心基于单片机、工控机或计算机来构建。
9.根据权利要求1所述的多层多采集点的起重机械结构健康监测系统，其特征在于还包括:与所述状态结点分析中心连接的远程监控中心。
10.根据权利要求9所述的多层多采集点的起重机械结构健康监测系统，其特征在于:包括有线通信模块的数据采集结点基于自身的有线通信模块将信息传送至所述远程监控中心。
【文档编号】G01D21/02GK103557890SQ201310574689
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年11月15日 优先权日:2013年11月15日
【发明者】赵伟, 杨恒, 李昕欣, 魏文杉 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所