用于蒸压加气混凝土设备状态监测预警的有限元分析系统

技术领域

本发明属于蒸压混凝土设备状态监测预警系统领域，特别是涉及用于蒸压加气混凝土设备状态监测预警的有限元分析系统。

背景技术

蒸压加气混凝土生产线是一条由近200种不同设备或装置组合成的生产线，因此涉及到的各种机械、液压、电气上的零件就更不计其数了。保证每一台设备或装置的健康运行，是保证整条生产线能稳定、高效运行的基础；但由于生产线上所涉及的设备或装置实在太多，因此许多加气混凝土工厂对这些设备或装置的健康监测处于分散、无序、无计划的管理：通常是由每个班次安排一名或二名老师傅担任机修工，他们的主要工作就是在巡视生产线上的每一台设备的运行状况，若发生设备故障时及时的完成故障设备的修复；但这样的管理模式会有以下几个不可避免的问题：(1) 机修师傅的水平和经验的参差不齐，无法对设备的故障进行科学的判断； (2)对设备的监测不可能做到不间断、无盲区；(3)若突发某台设备故障，且该设备因监测不到位而导致没有现成的配件更换，使得不能不将生产线停下等待配件的送达；(4)无法做到预判：通常情况下，机修工是在设备出现问题时才进行组织人员和物料进行更换和修复，没法对可能会出现故障的设备进行提前干预；(5)管理成本过高：一方面这样的管理模式会要求工厂的备件仓库常年囤积各种备品备件，另一方面有技术和经验的机修工的人力成本是比较高的。

生产线的运行是每一台设备的共同作用，如果出现因一个小问题而导致一整条生产线停止，这对企业的损失是不可估量的。因此本发明就对蒸压加气混凝土生产企业，解决设备的在线监测问题。

发明内容

本发明提供了用于蒸压加气混凝土设备状态监测预警的有限元分析系统，解决了以上问题。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明的用于蒸压加气混凝土设备状态监测预警的有限元分析系统，包括微型有限元分析系统集成盒、安装于蒸压加气混凝土设备上且与微型有限元分析系统集成盒相连的传感器；

所述微型有限元分析系统集成盒内置有基于CMOS技术的MOS结构的主板以及安装于主板上的数据分析芯片、脉冲整波芯片、锂电池、电路保护模块、存储模块、逻辑分析模块、无线通信天线、POWR模块、以太网端口、 LORA模块、COM模块、DB总成模块、I/O接口，所述微型有限元分析系统集成盒通过以太网端口于云存储服务器相连；

所述蒸压加气混凝土设备包括电机、减速机、轴承、动力输出轴、液压缸、液压站、电控系统；所述传感器通过I/O接口与逻辑分析模块相连；所述传感器包括安装于电机外壳表面的第一温度传感器，安装于电机供电端子上的电流传感器，安装于电机输出轴上的扭力传感器，安装于减速机上联轴器之间的扭矩传感器，安装于减速机外壳边表面的第一运动传感器和第二温度传感器，安装于轴承外壳表面的第一振动传感器和第三温度传感器，安装于动力输出轴上的姿态传感器以及第二振动传感器、第二运动传感器，安装于液压缸上的第一压力传感器，安装于液压站上的第二压力传感器以及第四温度传感器，流量计传感器、液位传感器，安装于电控系统上的电气综合安全传感器。

进一步地，所述第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和第四温度传感器均采用PT100型号的热阻式温度传感器，通过螺纹或磁吸方式进行安装。

进一步地，所述电流传感器采用Rogowski柔性开合式带积分线圈传感器即罗戈夫斯基线圈，安装于设备接线端上端。

进一步地，所述第一振动传感器以及第二振动传感器均采用4-20mA模拟型输出传感器，安装在有轴承、电机、减速机和液压等运动时会产生振动的设备组件上。

进一步地，所述扭矩传感器采用4-20mA模拟型输出的动态扭距测量传感器；所述扭力传感器采用4-20mA模拟型输出的动态扭力测量传感器。

进一步地，所述姿态传感器采用协议双轴数字型输出姿态传感器安装在有旋转动作的活动组件上；所述运动传感器采用运动传感加速计3-Axis 2x2mm LGA-12 2g-16gprog 12-bit，安装在可移动或升降动作的活动组件上。

进一步地，所述第一压力传感器和第二压力传感器均4-4-20mA模拟输出型压力变送器，分别安装在压缩空间管道以及设备液压管道上。

进一步地，所述液位传感器采用4-20mA模拟输出型投入式液位变送器，安装在设备液压站上。

进一步地，所述流量传感器采用脉冲输出的涡轮流量传感器，安装在设备液压站上。

进一步地，所述电气综合安全传感器采用PNP型红外对射工业自动化区域光电传感器，安装在有设备运行的全部区域，相当于警戒线。

本发明相对于现有技术包括有以下有益效果：

1、本发明解决了加气混凝土生产线上各类型设备或装置健康运行的状态实时监测，具有预判干预，并能与生产线电控系统或智能系统互联通信，以达到确保整条生产线稳定、高效运行；真正实现了蒸压加气混凝土生产线上各类设备或装置的自动在线监测，有效的提升工厂的管理。

2、本发明能够减员增效，减少了工厂的人力成本，由于是自动监测装置可以剔除了人为的干扰因素，提高了工厂的效益。

3、本发明的生产线稳定可靠：由于是解决了监测盲区，实现全时段监测，因此保障了整个生产线连续、稳定、可靠运行。

4、本发明杜绝生产安全隐患和经济损失：本发明不仅因是全自动没有人干预消除安全隐患，更重要的是本发明在时时不间断的监测设备健康状况，因此能消除设备带病运行，从而杜绝了生产的安全隐患；不仅如此，还因本发明能预判所监测设备的生命周期，因此能有效地提升企业备件仓库的利用率，减少呆滞备件的存量，提高资金的效率。

5、本发明的经济效益包括减小了人力成本、保证生产线连续、稳定、可靠运行、杜绝生产安全隐患、减少呆滞备件的存量，提高资金利用率。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明用于蒸压加气混凝土设备状态监测预警的有限元分析系统生物框架示意图；

图2为图1中微型有限元分析系统集成盒的内部结构剖析图；

图3为图1中第二温度传感器和第一振动传感器的安装示意图；

图4为图1中电流传感器的安装示意图；

图5为图1中扭矩传感器的安装示意图；

图6为图1中姿态传感器的姿态传感器的安装示意图；

图7为图1中流量计传感器的安装示意图；

图8为图1中液位传感器的安装示意图；

图9为图1中电气综合安全传感器的安装示意图；

图10为本发明具体实施例的偏微分方程中的因变量的变化图；

图11为本发明实施例将所有的单元进行线性投影在一个二维空间形成的有限元分析原理图；

图12为本发明微型有限元分析系统集成盒内部芯片引脚图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1-第一温度传感器，2-电流传感器，3-扭力传感器，4-扭矩传感器， 5-第一运动传感器，6-第二温度传感器，7-第一振动传感器，8-第三温度传感器，9-姿态传感器，a-第二振动传感器，b-第二运动传感器，c-第一压力传感器，e-第二压力传感器，f-第四温度传感器，g-流量计传感器， h-液位传感器，r-电气综合安全传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“表面”、“上”、“外壳表面”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

现有的技术如申请号为202020301488.2，名称为“一种蒸压加气混凝土制品生产线系统”的中国实用专利，采用自动化控制的蒸土生产线压加气混凝生产线包括由球磨机、砂浆泵、料浆储罐等各种设备，这些设备上会安装有包括电机、减速机、轴承、动力输出轴、液压缸、液压站、电控系统的部件，由于现有的蒸压加气混凝土生产线采用的自动动化控制，其中各种部件和设备难免需要进行监控和预警，采用现有的人工方式会出现背景技术中所表述的各种问题，因此针对背景技术中的问题和上述问题，提供一种用于蒸压加气混凝土设备状态监测预警的有限元分析系统具有重要意义，本发明具体是通过如下技术方案解决的:

请参阅图1-12所示，本发明的用于蒸压加气混凝土设备状态监测预警的有限元分析系统，包括微型有限元分析系统集成盒、安装于蒸压加气混凝土设备上且与微型有限元分析系统集成盒相连的传感器；

微型有限元分析系统集成盒内置有基于CMOS技术的MOS结构的主板以及安装于主板上的数据分析芯片、脉冲整波芯片、锂电池、电路保护模块、存储模块、逻辑分析模块、无线通信天线、POWR模块、以太网端口、LORA 模块、COM模块、DB总成模块、I/O接口，所述微型有限元分析系统集成盒通过以太网端口于云存储服务器相连；数据分析芯片通过I/O接口于本地警告模块和服务器推送告警模块相连；

其中，本具体实施例中，主板采用DS_Z01型主板，数据分析芯片采用由自主研发的DO SMART IC iVJRF_32芯片，脉冲整波芯片采用DO SMART SC 12F0AA1型芯片，逻辑分析模块采用TLA7BC4型高性能逻辑分析仪模块；电路保护模块采用MOS结构主板通用的电路保护模块，具体为基于IR2130驱动模块的MOSFET驱动保护电路；存储模块采用存储卡或KSZ9031RNXCA型存储器；无线通信天线采用常规型GPRS天线或蓝牙天线；其它电路部件的名称及结构均为现有技术，此处不赘述；

逻辑分析模块内置对传感器传输来的数据进行分析和自我学习，主要是运用线性回归的数理模型：划分成：“安全值域”、“待检值域”、“故障值域”，并加上时长、频率等约束条件来判断从传感器传送来的数据所对应的设备的健康状况，并由该集成盒做出相应的指令给外接机构，如报警器、PLC、前置系统等。

有限元分析原理：某函数υ可能是一个偏微分方程中的因变量(即温度、扭力、振动、压力等)。可以根据下列表达式，通过基函数的线性组合将函数υ近似为新的函数υh：

以及u＝u

以及在此，ψi代表这些基函数，而υi则代表用来对υ进行近似的υh函数中的系数。图11用一个一维问题阐明这一原理。

例如，υ可以表示某一均匀加热的杆在特定长度(x)处的温度。图10 中的线性基函数的值，在各自的节点处为1，在其他节点处为0。在这个例子中，函数的定义域所在的x-轴部分(即这根杆的长度)共有七个单元。

函数υ(一实线)通过υh(另一实线)进行逼近，后者是线性基函数的线性组合(ψi第三实线表示)。线性基函数的系数由υ0到υ7表示。

使用有限元法的好处之一就是该方法在离散度的选择方面提供了极大的自由(同时包括用于离散空间和离散基函数的单元的离散度选择)。比如，在图10中，这些单元均匀地分布在x-轴上(虽然并不总会是这种情况)。在函数υ的一个梯度较大的区域中，也可以使用较小的单元，如下所示。函数υ(一实线)通过υh(另一实线)进行逼近，后者是线性基函数的线性组合(ψi第三实线表示)。线性基函数的系数由υ0到υ7表示。

通过有限元分析芯片计算出各个脉冲采集的单元，将所有的单元进行线性投影在一个二维空间上，当某一时间区域内的脉冲函数值超出平均函数值时触发报警(如图10所示)。

蒸压加气混凝土设备包括电机、减速机、轴承、动力输出轴、液压缸、液压站、电控系统；传感器通过I/O接口与逻辑分析模块相连；所述传感器包括安装于电机外壳表面的第一温度传感器1，安装于电机供电端子上的电流传感器2，安装于电机输出轴上的扭力传感器3，安装于减速机上联轴器之间的扭矩传感器4，安装于减速机外壳边表面的第一运动传感器5和第二温度传感器6，安装于轴承外壳表面的第一振动传感器7和第三温度传感器8，安装于动力输出轴上的姿态传感器9以及第二振动传感器a、第二运动传感器b，安装于液压缸上的第一压力传感器c，安装于液压站上的第二压力传感器e以及第四温度传感器f，流量计传感器g、液位传感器h，安装于电控系统上的电气综合安全传感器r。

其中，第一温度传感器1、第二温度传感器6、第三温度传感器8和第四温度传感器f均采用PT100型号的热阻式温度传感器，通过螺纹或磁吸方式进行安装。

其中，电流传感器采用Rogowski柔性开合式带积分线圈传感器即罗戈夫斯基线圈，安装于设备接线端上端。

其中，第一振动传感器7以及第二振动传感器a均采用4-20mA模拟型输出传感器，安装在有轴承、电机、减速机和液压等运动时会产生振动的设备组件上。

其中，扭矩传感器4采用4-20mA模拟型输出的动态扭距测量传感器；扭力传感器3采用4-20mA模拟型输出的动态扭力测量传感器。

其中，姿态传感器9采用协议双轴数字型输出姿态传感器安装在有旋转动作的活动组件上；运动传感器b采用运动传感加速计3-Axis 2x2mm LGA-12 2g-16g prog 12-bit，安装在可移动或升降动作的活动组件上。

其中，第一压力传感器c和第二压力传感器e均4-4-20mA模拟输出型压力变送器，分别安装在压缩空间管道以及设备液压管道上。

其中，液位传感器采用4-20mA模拟输出型投入式液位变送器，安装在设备液压站上。

其中，流量传感器采用脉冲输出的涡轮流量传感器，安装在设备液压站上。

其中，电气综合安全传感器r采用PNP型红外对射工业自动化区域光电传感器，安装在有设备运行的全部区域，相当于警戒线。

本发明的实现机理：

本装置通过一台装载自主开发的数据处理分析芯片的集成盒为核心 (微型有限元分析系统)，根据蒸压加气混凝土生产线各个设备或装置的机械结构件、液压、电气特点接入相对应的传感器，并由传感器获取的数据传送至微型有限元分析系统，微型有限元分析系统通过内置算法分析该设备的运行状况是否健康；并做出相应的决策，是否触发警报，并暴露设备所产生的问题的位置，且可以将判断结论传送至整线电控系统或智能系统的前置机中，以便工厂的管理人员或操作人员做出正确的应对措施。

本发明的系统原理是：

该系统通过传感器收集数据传输至自主研发的微型有限元分析系统的微型有限元分析系统集成盒中，并由其内部的处理芯片和模块计算处理后输出指令传输给报警器、指示灯、PLC等执行机构；本微型有限元分析系统通过程序算法做出相应的判断或指令，判断是否启动报警、蜂鸣或直接给 PLC做相应的指令。

本发明的机制原理是：本系统通过分析加气混凝土生产线上各类设备的特点，对每类设备的关键部位装上对应的各类传感器：如温度、振动、电流等，以达到能精准的获取该设备运行中的真实数据，这些数据经过微型有限元分析系统集成盒的处理分析后，会做出不同的响应；当设备处于健康状态下运行时，这些由传感器上获取的数据是在一定的值域里的，我们将这个值域脚座“安全值域”；如果某个传感器在连续一段的时间内发出的数据偏离安全值域时，那么可以判断该传感器所监测的设备或装置出了问题或故障，这个适合微型有限元分析系统将自动发出报警或对PLC做出指令，若紧急情况下还将自动启停生产线；

本发明的微型有限元系统集成盒的原理：该集成盒是由自主研发的DO SMART ICiVJRF_32\DO SMART SC 12F0AA1芯片及其他元器件集合而成；内置对传感器传输来的数据进行分析和自我学习，主要是运用线性回归的梳理模型：划分成：“安全值域”、“待检值域”、“故障值域”，并加上时长、频率等约束条件来判断从传感器传送来的数据所对应的设备的健康状况，并由该集成盒做出相应的指令给外接机构，如报警器、PLC、前置系统等。

有益效果：

1、本发明解决了加气混凝土生产线上各类型设备或装置健康运行的状态实时监测，具有预判干预，并能与生产线电控系统或智能系统互联通信，以达到确保整条生产线稳定、高效运行；真正实现了蒸压加气混凝土生产线上各类设备或装置的自动在线监测，有效的提升工厂的管理。

2、本发明能够减员增效，减少了工厂的人力成本，由于是自动监测装置可以剔除了人为的干扰因素，提高了工厂的效益。

3、本发明的生产线稳定可靠：由于是解决了监测盲区，实现全时段监测，因此保障了整个生产线连续、稳定、可靠运行。

4、本发明杜绝生产安全隐患和经济损失：本发明不仅因是全自动没有人干预消除安全隐患，更重要的是本发明在时时不间断的监测设备健康状况，因此能消除设备带病运行，从而杜绝了生产的安全隐患；不仅如此，还因本发明能预判所监测设备的生命周期，因此能有效地提升企业备件仓库的利用率，减少呆滞备件的存量，提高资金的效率。

5、本发明的经济效益包括减小了人力成本、保证生产线连续、稳定、可靠运行、杜绝生产安全隐患、减少呆滞备件的存量，提高资金利用率。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。