1、 钢丝绳现场监测软件系统构设与开发第一章绪论1.1 论文研究的背景及意义钢丝绳是用途最广泛的承重工业构件之一。相对于其它的承重构件，钢丝绳的重量较轻、弹性强度好、承载能力强、工作可靠性高，且由于其可以卷绕，从而很大程度上方便了钢丝绳的运输以及安装等步骤，因此，钢丝绳在桥梁建筑、煤矿生产、旅游服务等各行业均得到了十分广泛的应用。例如各类起重设备、提升设备以及货运客运索道等都大量地使用着各式的钢丝绳。然而，作为工程承载构件，钢丝绳在使用的过程中会受到工作环境、人为操作等各式各样的原因影响，导致其出现疲劳、诱烛、磨损甚至断裂等现象。由于钢丝绳的工作可靠性直接关系到生产状况甚至人身安全，因此其安全使用
2、问题一直备受关注。长期以来，人们对钢丝绳的检测方法主要釆用人工目测法、抽样测试法两种，同时利用定期更换钢丝绳的方法力求避免事故的发生。人工目测法即检测人员利用目视或者简易的辅助工具等在现场进行检测。由于钢丝绳在工作时表面一般会有油腻附着，且许多断裂腐烛等故障发生在钢丝绳内部，因此检测人员从外表查看很可能会忽视某些故障而导致未能及时维修更换而导致事故的发生，故而人工目测法存在着不可靠性和局限性，且其效率低下；抽样离线测试法即随机抽取一段钢丝绳进行故障诊断分析，由于存在着随机性与偶然性，其可靠程度也不高。定期更换钢丝绳虽然不会有上述提到的问题，但是由于其盲目性而造成了巨大的浪费。调查发现，在已经被
3、替换下来的钢丝绳中，有 70%以上有很少甚至没有强度损耗，仅有 10%左右的钢丝绳已经处于危险状态，造成了比较大的经济损失。近些年，随着钢丝绳在生产、生活上的用途越来越广，不论是科研单位还是实际的工程设计单位都在尽最大的努力提高钢丝绳制造工艺的技术水平，同时也尽力在钢丝绳无损检测技术水平上有所发展，力求达到钢丝绳使用期限的最大化，以实现钢丝绳使用的经济性与安全性的完美结合。然而，随着钢丝绳制造水平的发展，钢丝绳自身材料、结构的复杂性，损伤缺陷的不确定性和多样性日渐提高，无形之中增加了钢丝绳无损检测的技术实现难度。从现阶段的情况综合来看，市场上目前存在的钢丝绳无损检测系统很难能够满足实际的工业现
4、场需求，究其原因可以总结为以下几点：1、系统的稳定性不足。由于钢丝绳无损检测系统是典型的现场监测系统，因此在有些现场监测场合可能需要系统能够全天候不间断的进行损伤故障信号采集、数字信号处理等功能。但是，使用钢丝绳的工业现场往往处于比较恶劣复杂的环境(比如煤矿井下的高压环境、缆车吊索的高湿度环境等)，对系统的硬件、软件的稳定性提出了很高的要求。因此，钢丝绳无损检测系统是否能够在极端恶劣环境下实现稳定的运行是其设计研发中的一个重点考虑因素之一。2、系统的精确性欠缺。现场监测系统往往需要连续不断的数据釆集过程，而同时保证信号釆集与信号处理的顺利实现也是现代钢丝绳无损检测系统需要研究的重点之一。系统一
5、旦出现了数据覆盖或者丢失的情况，就可能会导致重要的损伤故障信息的忽略，从而耽误了钢丝绳的最佳检测与更换时间，轻则需要重新检测从而导致人力、物力的浪费，重则可能导致严重的生产安全事故的出现。另一方面，精确地定量检测钢丝绳损伤故障也是非常重要的。钢丝绳在工作中产生一些损伤是十分普遍的，为了保证不出现恶劣的事故且避免浪费，检测系统是否能够精确地得到不同损伤类型的故障量、故障发生位置等详细信息进行后期分析、寿命预估等也是目前钢丝绳无损检测技术亟需解决的问题之一。3、系统的可扩充性差。现有的钢丝绳种类中，其结构参数千差万别，加之各生产单位不断推出新型号的钢丝绳，钢丝绳无损检测系统需要具有良好的可扩充性能
6、。例如：硬件方面是否能够满足针对不同型号的钢丝绳的精确检测，软件的架构是否清晰、接口是否完善、升级是否方便等等。目前市场上的钢丝绳无损检测系统还未能够达到良好的可扩充性能。4、系统的兼容性较低。在不同的使用钢丝绳的工业现场中，系统软、硬件的环境平台或许不同。比如在集成系统的架构方面，有些环境中使用的是 CAN 总线系统架构，而有些是以太网通信架构；在计算机的操作系统方面，有些环境中使用的 Windows 操作系统，有些是效率更高的 Linux 操作系统。因此，在钢丝绳无损检测系统的开发设计过程中，必须考虑到系统移植代价的最小化与系统兼容的最大化这两个方面。除了上述提到的稳定性、精确性、可扩充性
7、以及兼容性意外，目前在市场上的钢丝绳无损检测系统在操作性、易维护性、以及智能性等多方面均有待提高，因此，研究钢丝绳无损检测的方法与系统的设计具有重要的理论与实际意义。第二章钢丝绳结构、损伤及漏磁检测原理2.1 现代钢丝绳的结构、损伤概述2.1.1 钢丝绳的结构特征现代工业生产设备与公共服务领域内实际采用的钢丝绳一般是由含碳量 0.5%0.8%，且含硫量小于等于 0.3%的高强度碳素钢经过多次冷拔、热处理等多道工艺之后得到的直径为 0.1mni5mrn 的高强度钢丝(强度为 10002100N/mm2),再将钢丝经过绕制而制造的 16。一般而言，用于制造钢丝绳的钢材料采用直径大约在 6mm 左右
8、的圆型钢。由于用于吊桥、矿井等工业生产制造等场合的钢丝绳一般都比较长，为了方便运输与存放，可以将钢丝绳绕成卷。另一方面，钢丝绳的弹性模量大约只为钢材料的 1/3，具有能够很好的吸收冲击的优点。因此，钢丝绳在工业生产、公共服务等各领域内用途十分广泛。为了使钢丝绳在不同的使爪场合达到最好的使用效果，在生产、制造钢丝绳的时候为其设计了很多不同的结构形式以适应于不同的用途。典型的钢丝绳的主要构成有绳芯和绳股，如图 2-1 所示。最主要部分，其结构制造方法是把高碳钢丝绞在芯线上制成，主要有圆股、三角股、楠圆股等结构形式。一般情况下，标准成品钢丝绳的直径在 0.6120mni 之间，而使用在特殊场合的钢丝
9、绳(比如桥梁建筑中载重用的高强度钢丝绳)的直径较一般情况要大。不论在任何一种实际场合，钢丝绳在使用的过程中不可避免地会与其他机器设备产生机械碰撞与相互摩擦。同时，作为广泛使用的承载设备，钢丝绳在工作中一般会经受比较大的应力作用、甚至经历反复弯曲与伸直的机械变形。另外，由于钢丝绳一般使用在工业现场，所以钢丝绳经常处于比如高湿度、极端温度、高压力等较为复杂与恶劣的环境下。因此，随着钢丝绳使用时间的持续，不可避免的会发生一些破损、腐蚀等现象。若检测人员未能及时发现故障并更换钢丝绳，就有可能会导致钢丝绳的突然断裂、失效，造成严重的安全事故。因此钢丝绳的用途与结构特点，需要制定相应的损伤缺陷判定、报废标
10、准。第三章钢丝绳现场监测软件系统的设计.173.1 系统的整体架构与设计.173.2 故障信息釆集模块的优化与改进.183.3 下位机信号处理模块的设计.193.3.1 下位机软件系统的需求分析.203.3.2 下位机软件系统的整体架构.223.3.3 信号实时采集中的二级缓存设计.233.3.4 信号处理与报警机制的设计.233.3.5 钢丝绳现场监测软件系统的数据库设计.243.3.6 系统的故障分析报告设计.253.4 上位机下位机通信协议的设计.273.4.1TCP 协议通信流程.283.4.2Winsock 网络编程技术的实现 .293.5 本章小结.33第四章钢丝绳现场监测软件系统
11、的实现.354.1 系统平台搭建及软硬件运行环境.354.1.1 系统平台的搭建.354.1.2 系统工作的硬件、软件环境.364.2 系统的实现及应用.374.2.1 系统登陆.384.2.2 系统参数的初始化.384.2.3 故障漏磁检测的实现.404.2.4 历史故障数据库.414.2.5 故障分析报告.424.3 本章小结.42结论本论文首先介绍了钢丝绳无损检测技术的研究意义，分析与总结了国内外钢丝绳无损检测技术的研究现状。在进一步研究了钢丝绳无损检测各项原理的基础上，选择并开发出了基于漏磁通检测法的钢丝绳现场监测软件系统。此系统基于实验室自主研发的钢丝绳无损漏磁检测探伤仪作为钢丝绳故
12、障信号采集的基础，通过对多通道数据采集卡的优化设计与二次开发，将检测到的信号放大、滤波之后进行 A/D 转换，通过 USB 接口送入下位机工作站进行信号处理；通过下位机工作站的在线分析，系统可以对钢丝绳损伤故障实时报警、给出实时波形曲线、详细的故障信息，并且存入后台数据库做进一步的离线分析处理，同时与上位机远程监控系统建立 TCP 连接进行数据交换，基本实现了钢丝绳的在线无损检测。本论文完成的主要工作如下：1、设计了钢丝绳漏磁检测系统的整体架构。在基于实验室自主研发的钢丝绳无损漏磁检测探伤仪的基础上，通过对基于 USB 总线协议的多通道数据釆集卡的优化设计与二次开发，解决了多通道数据之间的串扰
13、问题，并实现了钢丝绳损伤故障的物理信号计算机能够识别的数字信号的转换。2、钢丝绳漏磁检测系统下位机应用软件的设计与实现。在分析与研究了应用软件的主要功能需求的基础上，针对系统开发中遇到的几个关键性问题(信号采集与处理的二次缓存设计、故障分析与报警机制的设计、漏磁检测系统数据库的设计、检测分析报告的设计以及与上位机远程监控系统数据通信的设计)进行了详细的分析与研究。在使用 Visual C+集成软件开发环境的基础上，运用 COM 技术、Winsock 技术以及 ADO 等技术，开发了钢丝绳漏磁检测系统的下位机工作站应用软件。3、在实验室环境下，系统对型钢丝绳进行了实际的漏磁检测试验；结果分析，本论文开发的钢丝绳漏磁检测系统可以基本实现钢丝绳故障的无损检测，且故障分析与处理结果与实际损伤情况基本相符，具有一定的实用价值。
