液压抓斗工作参数在线监测与管理系统

液压抓斗工作参数在线监测与管理系统

杨 智 刘永宽 龚元明 孙 裴

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1 上海佩纳沙士吉打机械有限公司 上海 201713 2 上海工程技术大学 上海 200336

摘 要：液压抓斗作为垃圾焚烧厂供料系统的核心设备，其安全高效工作有助于垃圾的快速处理，因此对液压抓斗工作状态的监控十分重要。文中采用传感器技术、无线网络通信技术和总线技术，设计开发了基于ZigBee网络、CAN总线网络、GPRS网络的液压抓斗工作状态在线监测与诊断系统，实现了液压抓斗工作参数在线监控、无线控制和数据远程传输等功能，以及状态实时监测、故障实时报警、维保实时提醒等，为实现垃圾焚烧厂无人值守投料和自动化控制提供了有效可靠的解决方案。

关键词：液压抓斗；工业自动化；物联网；无线传输；远程监测

中图分类号：U653.929+.1 文献标识码：B 文章编号：1001-0785（2019）16-0036-04

Abstract: As the key equipment of the waste incineration plant’s feeding system, the safe and efficient work of the hydraulic

grab is helpful for the rapid disposal of waste, so it is very important to monitor the working state of the hydraulic grab. By using sensor technology, wireless network communication technology and bus technology, an online monitoring and diagnosis system of hydraulic grab based on ZigBee network, CAN bus network and GPRS network is designed and developed. The system realizes online monitoring of hydraulic grab working parameters, wireless control, remote data transmission and other functions, as well as real-time state monitoring, real-time fault alarm, real-time maintenance reminder, etc. It provides an effective and reliable solution for unattended feeding and automatic control of garbage incineration plants.

Keywords: hydraulic grab bucket; industrial automation; IoT; wireless transmission; remote monitoring

液压抓斗是通过液压动力源为液压缸提供动力，从而驱动左右两个组合斗或多个颚板的开合抓取和卸出散状物料的一种工作装置，主要用于垃圾焚烧投料，装卸黄砂、煤炭、矿粉、矿石、水泥等散货，要求能在工作环境恶劣条件下可靠工作，如垃圾焚烧厂，垃圾吊运起重机及液压抓斗的任务是给垃圾焚烧炉供料，它的工作状态直接影响整个垃圾焚烧厂是否正常运行，因此，对液压抓斗工作参数在线监测和对液压系统进行工作诊断和报警，可以减小因液压抓斗出现故障停止供料而造成整个垃圾焚烧发电厂停炉、停机事故。

液压抓斗工作参数在线监测与管理系统主要由安装在液压抓斗上的现场参数采集与控制子系统、安装在抓斗操控室的数据处理与通信子系统和抓斗管理云平台三大子系统组成，实现液压抓斗数据采集、数据无线传输、抓斗开闭无线遥控、数据远距离云存储和故障诊断以及与起重机控制设备通信等功能，系统组成原理如图1所示，典型四抓斗的工作现场液压抓斗与起重机PLC局域网络拓扑结构图如图2所示。

抓斗现场参数采集与控制子系统以及操控室数据处理与通信子系统之间采用短距离无线数据通信，操控室数据处理与通信子系统、抓斗管理云平台之间采用远距离GPRS通信。以操控室数据处理与通信子系统模块为主节点，抓斗现场参数采集与控制子系统模块为从节点，采用从节点编码的方式，实现一个操控室数据处理

1 系统主要组成与工作原理

1.1 系统主要组成

引　用　格　式杨智，刘永宽，龚元明，等. 液压抓斗工作参数在线监测与管理系统[J]. 起重运输机械，2019（16）：36-39.36

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EQUIPMENT TECHNOLOGY设备技术与通信子系统模块主节点对应多个抓斗现场参数采集与控制子系统，即操控室数据处理与通信子系统实时监测多台抓斗工作状态以及对多台抓斗进行无线控制。抓斗现场参数采集与控制子系统模块与起重机控制系统采用CAN总线或工业以太网进行通信，实现数据共享。

图1 液压抓斗工作参数在线监测与管理系统组成原理

图2 液压抓斗与行车PLC局域网络拓扑结构图

1.2 系统工作原理

1）抓斗现场参数采集与控制子系统工作原理抓斗现场参数采集与控制子系统主要负责液压抓斗工作参数数据采集和液压缸开闭控制，抓斗现场参数采集与控制子系统采集的工作参数实时无线发送给操控室数据处理与通信子系统，同时接收来自操控室数据处理与通信子系统的无线控制命令，实现液压抓斗张开和闭合的无线控制。

2）操控室数据处理与通信子系统工作原理操控室数据处理与通信子系统接收来自抓斗现场参数采集与控制子系统采集的工作参数，对工作参数进行

数据处理以及对液压抓斗工作参数数据辨识，预测抓斗工作状态并进行故障报警提醒，实时显示相关工作参数并上传工作参数给抓斗管理云平台进行数据存储。同时对抓斗开闭请求开关进行信号处理，转换成无线数字信号发射给抓斗现场参数采集与控制子系统，实现对抓斗无线遥控。操控室数据处理与通信子系统通过CAN实现与起重机控制系统进行数据通信，实现数据共享。

3）抓斗管理云平台工作原理

抓斗管理云平台通过GPRS与操控室数据处理与通信子系统进行数据通信，实时接收其数据信息，保存在云平台中，可实时查看抓斗当前和历史工作状态。

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设备技术EQUIPMENT TECHNOLOGY

2 现场参数采集与控制子系统

2.1 现场参数采集与控制子系统工作原理

现场参数采集与控制子系统模块安装在液压抓斗上，实时采集控制液压抓斗的液压缸进出压力、回油温度、抓取质量、液压箱液位、电机温度、环境温度、抓斗姿态等工作参数。通过无线通信模块，发送到控制室数据处理与通信模块。现场参数采集与控制子系统硬件外观图与工作原理框图如图3所示。

图3 现场参数采集与控制子系统工作原理框图

2.2 现场参数采集与控制子系统主要功能

液压抓斗在工作过程中，其工作参数数量较多。根据分类可分为液压系统参数、电气系统参数、抓取质量参数与环境参数。通过对以上参数的实时监测，可有效防止液压抓斗工作过程中由于液压系统故障（如油路泄漏堵塞、油箱缺油等）以及电器系统故障（如驱动电机温升过高、缺项）与操作失误（冲击碰壁、抓斗过度倾斜）等造成的抓斗损毁。同时对抓斗重要工作参数（如抓取质量）进行采集。系统检测参数见表1。

该系统能通过接受操控室数据处理与通信子系统的遥控指令，对抓斗开闭低压电磁阀进行直接控制，实现对抓斗开闭的遥控。由于无线通讯系统具有受环境影响小，控制效果好，且能避免传统有限控制抓斗因控制线

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长度所造成的长线控制干扰问题，故具有很好的实用性，可大幅度降低维护成本。

表1 现场参数采集与控制子系统主要检测参数与控制功能

名称输出形式类别液压缸进油压力传感器模拟量液压缸出油压力传感器模拟量滤清器回油压力模拟量液压系统参数液压油位开关量液压油温度开关量驱动电机相电压模拟量电器系统参数驱动电机温度开关量抓取质量模拟量抓取质量参数倾斜角度模拟量环境参数环境温度模拟量电磁阀打开控制24 V直流控制开闭电磁阀控制电磁阀闭合控制24 V直流控制3 抓斗操控室数据处理与通信子系统

3.1 现场参数采集与控制子系统工作原理

抓斗操控室数据处理与通信子系统模块安装于抓斗操作控制室，通过无线通信模块，接收来自现场参数采

集模块所采集的工作参数，进行数据处理，实时显示抓斗相关工作参数，同时通过GPRS发送到指定服务器。控制室数据处理与通信模块通过CAN总线与现场其他设备（如起重机PLC控制系统）进行通信，实现数据交换和共享。抓斗操控室数据处理与通信子系统外形图与工作原理框图如图4所示。

图4 抓斗操控室数据处理与通信子系统工作原理框图

EQUIPMENT TECHNOLOGY设备技术3.2 现场参数采集与控制子系统主要功能

现场参数采集与控制子系统主要功能是无线接收来自现场参数采集与控制子系统采集的抓斗工作参数传感器信号，进行数据处理，输出显示以及与起重机控制系统进行通信，执行对抓斗的开闭控制。为了使系统适应于不同生产厂起重机控制系统的需求，现场参数采集与控制子系统集成了CAN总线接口，并开发了CAN转4-20 mA抓斗抓取质量信号模拟输出和CAN转TCP/

图5 抓斗操控室数据处理与通信子系统主要功能框图

IP抓斗抓取质量数字信号输出功能。见图5。

图6 抓斗管理云平台拓扑框图

4 抓斗管理云平台工作原理

抓斗管理云平台（即远程服务器）接收来自控制室数据处理与通信模块通过GPRS发送的数据信息，进行数据存储和显示。抓斗管理云平台工作原理如图6所示。

而通过有效干预阻止其扩大，防止停炉、停机事故和造成液压抓斗严重损毁。另外，该系统还能够设置抓斗产品日常维修、保养实时提醒，及时提醒用户进行必要的维护保养，确保抓斗能够保持良好的工作状态。

5 结语

该液压抓斗工作参数在线监测与管理系统已在浙江、江苏、山东、广东等多个垃圾焚烧项目中得到实际应用。实际使用表明，该系统可靠性较高，数据无线传输距离长，并且在恶劣环境中能保证长时间稳定工作；由于抓斗的开闭为遥控操作，故不需要布置复杂的长距离控制电缆，大幅度降低了使用与维护成本。

同时，通过抓斗管理云平台，生产厂能够对液压抓斗工作过程中的状态进行事实数据监测。对于液压抓斗故障，可在其出现早期征兆时即可发现并予以诊断，从

作 者：杨 智

参考文献

[1] 孙鹏，田雨，龚元明，等. 基于ZigBee与CAN的工程机 械液压系统参数监测系统设计[J].计算机测量与控制， 2018（1）.

[2] 陈晓辉,龚元明,曹笑笑,等. 液压抓斗控制器在环仿 真系统设计与测试[J]. 计算机测量与控制, 2018, 26(11): 25-29.

电子邮箱：yangzhi@shpeiner.com收稿日期：2019-01-08

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