轨道式集装箱龙门起重机应力远程监测系统设计.pdf
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1、2023 年 6 月轨道式集装箱龙门起重机应力远程监测系统设计刘朝斌袁周俊袁苗伟袁张积毅(安徽港口集团芜湖有限公司,安徽 芜湖241000)【摘要】轨道式集装箱龙门起重机是重要的港口专用装备遥 随着我国港口货物吞吐量不断攀升袁对轨道式集装箱龙门起重机的安全性有了更高的要求遥 在港口设备远程监控管理系统技改项目中袁设计了一款基于无线通信技术的轨道式集装箱龙门起重机应力远程监测系统袁 能够通过 Modbus 通信协议远程实时监测振弦式应力传感器数据变化袁当应力变化超出阈值时袁该系统自动启动蜂鸣器报警遥 通过实验测试袁轨道式集装箱龙门起重机应力远程监测系统精度满足要求袁为设备持续安全运行提供了有力的
2、保障遥【关键词】轨道式集装箱龙门起重机曰FireBeetle Board谣ESP32曰应力曰振弦式应力传感器曰Modbus【中图分类号】TH218【文献标识码】A【文章编号】1006-4222(2023)06-0136-030 引言随着社会经济的蓬勃发展,我国成为世界上最具有影响力的水运大国之一。轨道式集装箱龙门起重机是港口集装箱货物堆码作业的专用机械,港口吞吐量的不断攀升,对轨道式集装箱龙门起重机的安全监测提出了更新、更高的要求。在轨道式集装箱龙门起重机安全监测项目中,应力是一种重要的检测指标。通过监测应力变化情况,可以测定主要负荷构件上关键受力部位和较大应力点的应力状况,为结构的强度核算、
3、安全评估以及钢构件的疲劳寿命估算提供数据依据。在港口设备远程监控管理系统技改项目中,采用无线通信技术监测轨道式集装箱龙门起重机应力变化,能够实时监测并传输应力数据信息,有效地保证设备系统的安全运行。1 总体设计轨道式集装箱龙门起重机由主梁、支腿、运行小车、起升机构、大车运行机构、电气系统、操作驾驶室等组成。其中,主梁和支腿是应力监测的重点部位。根据轨道式集装箱龙门起重机的应力采集要求,共设置 10 个振弦式应力传感器,分别采集左前承重梁应力、左后承重梁应力等 10 个应力数据。系统采用振弦式应力传感器实时监测各个点位应力变化,该传感器安装方便,且对安装座无剪力要求,固定可靠,同时具有高灵敏度、
4、高精度、高稳定性的优点,适于长期观测。采用低功耗微控制器 FireBeetle Board谣ESP32 作为轨道式集装箱龙门起重机应力远程监测系统的核心部件,负责接收、处理及显示应力传感器数据。该控制器配备了 ESP谣WROOM谣32 双核芯片,可通过自带的 Wi谣Fi 模块或者外接 RS485 总线进行数据传输1,通信功能十分强大;外围兼容低功耗硬件设计,深度睡眠模式下功耗仅为 10 uA。系统能够实时采集起重机的应力传感器等相关参数,通过智能网关,利用 5G 网络与服务器及总控室建立连接,以实现远程监测、预警。2 系统设计2.1 主控系统模块2.1.1 系统硬件设计主控系统模块主要包括电源
5、、晶振、FireBeetleBoard谣ESP32、QSPI Flash 存储器、复位电路 5 个组成部分。电源为系统提供 DC3.3V 电流;晶振为 Fire原Beetle Board谣ESP32 提供时钟脉冲信号;QSPI Flash在掉电状态下,保证数据不丢失,保证系统数据存储安全;复位电路支持系统上电自动复位和手动复位功能。主控系统框架如图 1 所示。2.1.2 系统软件设计系统软件设计基于实时系统设计框架,并采用图 1 主控系统框架复位电路电源FireBeetleBoard谣ESP32晶振QSPI Flash存储器专题综述1362023 年 6 月模 块 化 程 序 设 计,最 大
6、限 度 发 挥 FireBeetleBoard谣ESP32 性能,并确保应力采集的实时性和稳定性。系统程序启动后会对微控制单元(micro controlunit,MCU)内部寄存器、Wi谣Fi 网络、通用异步收发器(universal asynchronous receiver/transmitter,UART)、应力传感器、液晶屏、按键等进行初始化,确保各系统子模块均在最佳工作状态。待各功能子模块正常运行后,实时读取传感器、可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)和变频器等现场数据,检测判断当前值是否已超出预设的报警上下限,并通过检测结果控制报
7、警蜂鸣器启停。主控系统程序设计流程如图 2 所示。2.2 应力采集模块2.2.1 应力采集模块硬件设计单台轨道式集装箱龙门起重机设置 10 个传感器检测点,系统采用 ETY1500 振弦式应力传感器采集应力,量程范围为依1 500 滋着;使用环境温度范围为-40耀80 益;测量精度达 0.1%FS,可满足系统对测量精度和实时性的要求,应力采集模块电路如图 3 所示。振弦式应力传感器可以等效为一个并联的 LC 回路。由于振弦的 Q 值(品质因数)很高,电路只有在振弦的固有振动频率上才能满足振荡条件。图 3 中 R1、R2、R3 和场效应管组成负反馈网络,起到控制起振条件和振荡幅度的作用,而 R4
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