轨道式集装箱龙门起重机应力远程监测系统设计.pdf

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、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、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、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 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、R5、二极管 VD 和电容则控制场效应管的栅极电压，用于稳定输出信号幅值。2.2.2 应力采集模块软件设计系统通过 RS485 硬件接口接收采集到的应力数据信号，协议层兼容标准工业 Modbus谣RTU 协议。主机读取命令帧如表 1 所示，从机响应命令帧如表 2所示。从机地址功能码寄存器地址高字节寄存器数量高字节寄存器数量低字节CRCCRCOx01Ox04Ox00Ox00Ox01Ox60Ox0a表 1 主机读取命令帧从机地址功能码字节数应力高字节应力低字节CRCCRCOx01Ox04Ox02Ox01Ox31Ox79Ox74表 2 从机响应命令帧2.3 数据通信模块2.3.1 数据通信协议设计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在与智能网关进行数据通信时，同时支持无线通信和有线通信两种模式，分别为基于 Wi谣Fi 网络和 RS485 总线，对应采用的数据通信协议为 Modbus谣TCP 和 Modbus谣RTU。Modbus谣TCP 和Modbus谣RTU 是 Modbus 在数据通信链路上的两种不同实现形式。Modbus谣TCP 应用于 TCP/IP，实现 Wi谣Fi网络通信2；Modbus谣RTU 则是实现 RS485 总线上的通信3。考虑到港口现场使用环境及与其他监控系统功能的兼容性，本系统采用 Wi谣Fi 网络进行数据通信。由于 Modbus谣TCP 在 Modbus谣RTU 前面添加了MBAP 报文头，且 TCP/IP 是基于可靠连接的服务，因此，Modbus谣TCP 不再需要循环冗余校验（cyclicredundancy check,CRC）。Modbus谣TCP 通信数据格式如表 3 所示。MBAP 报文头通信数据格式如表 4 所示，由事务处理标识（2 Byte）、协议标识（2 Byte）、数据长度（2 Byte）、单元标识符（1 Byte）4 个部分组成。为保持MBAP 报文头功能码起始地址数据7 Byte1 Byte2 ByteN Byte表 3 Modbus谣TCP 通信数据格式图 2 主控系统程序设计流程开始系统、Wi谣Fi、接口初始化外设初始化Modbus 通信协议初始化启动数据通信线程读取数据是否超出上下限值否是关闭蜂鸣器开启蜂鸣器图 3 应力采集模块电路R2LC-+R3R4R1R5NS专题综述1372023 年 6 月事务处理标识协议标识数据长度单元标识符2 Byte2 Byte2 Byte1 Byte表 4 MBAP 报文头通信数据格式Modbus谣TCP 与 Modbus谣RTU 通信数据格式的一致性，通常将单元标识符用于 Modbus谣RTU 的地址码功能。2.3.2 FireBeetle Board谣ESP32 的 Wi谣Fi 接入由于 FireBeetle Board谣ESP32 的 Wi谣Fi 设置储存在闪存系统中，因此，在启动 FireBeetle Board谣ESP32并连接 Wi谣Fi 时，其会尝试使用闪存系统中储存的信息来进行 Wi谣Fi 连接，接入流程如图 4 所示。2.4 报警电路模块当轨道式集装箱龙门起重机应力远程监测系统采集到的应力达到警戒阈值时，蜂鸣器提示用户监测应力超出正常工作范围。报警电路模块由蜂鸣器、泄流二极管、开关管、电容和电阻组成。其中，电容用于电源滤波，以减小蜂鸣器控制时对系统电路的影响4；开关管用于控制蜂鸣器的开关；泄流二极管用于泄流，防止蜂鸣器关闭时产生高压电流进而烧毁其他元件；电阻主要起到限流作用，保证开关管能够正常工作，报警电路模块如图 5 所示。3 系统验证测试为验证轨道式集装箱龙门起重机应力远程监测系统的测量值是否满足要求、设备运行是否稳定，比较远程读取本系统实时的应力值和现场就地读取的应力值，应力测试值如表 5 所示。通过计算处理测试数据可以得出，本系统最大相对误差为 3.8%，满足设备安全运行监测要求5。4 结语采用低功耗微控制器 FireBeetle Board谣ESP32 为核心的轨道式集装箱龙门起重机应力远程监测系统，通过 RS485 硬件接口，遵循标准工业 Modbus谣RTU协议，采集设置在轨道式集装箱龙门起重机上的振弦式应力传感器信号。利用 Wi谣Fi 网络将数据无线传输至智能网关，智能网关则通过 5G 网络与服务器及总控室建立连接，较好地规避了现场布线的复杂与不便，并确保通信安全。通过实验测试，轨道式集装箱龙门起重机应力远程监测系统的最大相对误差为3.8%，达到相关功能要求，为保障轨道式集装箱龙门起重机的安全运行提供了有力的技术支撑。参考文献1 刘易，卢军.基于 ARM11 的远程温湿度实时监控系统设计J.电子设计工程，2017，25（17）：133-136.2 丛航，孙晰，欧阳劲松.基于 Modbus 协议的工业自动化网络规范：基于串行链路和 TCP/IP 的 Modbus 应用协议J.仪器仪表标准化与计量，2003（1）：14-17，48.3 王兴贵，张明智，杜莹.ModbusRTU 通信协议在智能仪表与工控机通信中的应用J.低压电器，2008（2）：8-11.4 王凯，刘子杰.大棚温湿度无线控制系统设计J.自动化仪表，2021，42（12）：86-89，99.5 王安强.基于 PLC 控制技术的桥门式起重机挠度自动化检测J.机械制造与自动化，2023，52（2）：135-138.作者简介院刘朝斌（1972），男，汉族，安徽芜湖人，本科，工程师，研究方向为港口设备电气自动化与运营管理。实际值测试值测量偏差114.15109.864.29152.13150.581.55109.11111.28-2.17116.65117.02-0.37117.85119.97-2.12128.69131.81-3.12151.46154.76-3.30135.82138.08-2.26147.52150.88-3.36表 5 应力测试值单位院MPa图 4 FireBeetle Board谣ESP32 的 Wi谣Fi 接入流程ESP32 启动ESP32连接网络连接失败连接成功启动无线接入点模式让用户连接用户使用终端连接连接失败连接成功ESP32 再次启动无线接入点模式图 5 报警电路模块供电电压R3D1C2R1Q1蜂鸣器R2C1专题综述138