橋式起重機安全監控管理系統研究

潘攀+李靖宇+李長安+韓瑞彬

摘 要 起重機械象征著現代社會的文明程度，很多行業都要應用它來完成體積大、質量重的物件的移動。其中橋式起重機是應用最廣發，使用數量最多的起重機械。近年來，隨著起重機的使用量增加，起重機事故數量也在上升。起重機的事故往往會造成較大的經濟損失，一方面由于單臺設備價格高，設備損壞的損失大，另一方面某使用場合設備數量少，事故發生易造成停產。因此，找出有效的防止橋式起重機事故發生的辦法顯得尤為重要。起重機安全監控管理系統已經在塔式起重機和門座式起重機上應用，但是應用于橋式起重機的安全監控管理系統還很少。因此開發一款橋式起重機安全監控管理系統非常有意義。

關鍵詞 黑匣子；節點；安全監控；起重量

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）07-0018-04

起重機安全監控管理系統已經在塔式起重機和門座式起重機上應用，但是應用于橋式起重機的安全監控管理系統還很少。另外黑匣子作為多信息采集記錄儀已經成熟發展，飛行器、輪船、汽車都開發出其相應黑匣子，并廣泛應用。但是飛行器和船用黑匣子監測參數眾多，結構復雜，成本很高，而且起重機黑匣子的極限工作環境遠遠不會達到以上兩種黑匣子的要求，因此起重機用戶不會采用飛行器和船舶用黑匣子。汽車黑匣子技術，在我國還不成熟，而且汽車黑匣子偏重于監測汽車的行駛路線與周圍車距，不適合用在橋式起重機上。因此開發一款橋式起重機安全監控管理系統非常有意義。

1 系統總體方案設計

1.1 系統總體結構

橋式起重機安全監控管理系統的工作原理設計為：通過各種傳感器采集橋式起重機的運行參數和人員信息，匯聚到黑匣子節點，黑匣子節點再通過GPRS_DTU模塊把數據發送到基站，基站通過網絡把數據存入遠程服務器，相關職能部門通過網絡訪問遠程服務器在特點軟件系統中顯示各監測對象。系統總體結構如圖1。

圖1 系統總體結構圖

1.2 黑匣子節點結構

橋式起重機黑匣子硬件按照功能可以分為：外殼保護單元、單片機、數據采集模塊、數據通訊模塊、數據儲存模塊、實時時鐘模塊、數據顯示模塊、電源模塊等幾個部分。橋機黑匣子系統的結構框圖如圖2所示。

圖2 黑匣子節點結構框圖

1.3 系統解決方案設計

1.3.1 主控芯片的選擇

由于監測數據種類較少，目前起重機的安全監測管理系統一般是采用51單片機，此類單片機應用比較廣泛，價格相對較低，發展也已成熟。

1.3.2 黑匣子節點采集方案選擇

本系統黑匣子節點需要采集起重量、起升高度、行程開關、限位開關、同一軌道兩車間距等信息。其中行程開關直接通過單片機數字I/O口采集，其他數據采集需要其他輔助設備。

1）行程、限位開關采集。限位開關的信號接入有兩種方式。方式一：橋式起重機限位器一般同時有常開和常閉兩對觸點，其中常閉觸點接入起重機控制電路，控制電機電源。常開觸點一般是空置的，I/O量采集模塊可以利用通過監控這個空置的常開觸點狀態反映限位器的狀態。方式二：橋式起重機械限位器的常閉觸點接入控制電路。通過在控制電路限位各開關觸點位置串入220 V繼電器的線包，然后通過監測繼電器開關狀態得出限位器的狀態。方式一完全獨立于橋式起重機的控制電路，簡單可靠，但由于不同限位器遍布橋式起重機各個部位，需要進行長距離的布線。方式二需要在原控制電路中串接繼電器，降低了系統的可靠性，但由于限位器接入控制電路的位置相對集中，需要布線很少，連線如圖3。

圖為大車1、大車2、小車1、小車2連線示意圖。其中INL1等表示黑匣子系統接線端。

2）起重量信息采集。本系統的起重載荷值直接從橋式起重機械標配中的起重量限制器中獲取。其精度一般小于5%。試驗用的橋式起重機配置的載荷限制器為浙江常州某廠家的產品，型號為QCX-M系列。該產品具有實時重量顯示、零點自動跟蹤、儲存超載次數等功能。同時提供4-20 mA、RS485等接口。

圖3 行程開關連線示意圖

3）起升高度信息采集。絕對式編碼器/電位器這種方法一般用于測量旋轉物體的角位移；雖然高度并非角位移，但是只需測量卷筒的角位移和其直徑就可以計算出線位移。只是以上方法的局限是：角位移的測量范圍有限，僅限于一圈（360°），實際情況中卷筒的旋轉圈數范圍絕對不止一圈。因此卷筒軸必須外接減速器，是所測量限制在一圈以內。由于采用機械方式經過幾次轉換，而且再加上電位器本身就具有非線性，測量的精度會受很大影響。同時該方法也有優點，就是只要開始位置（即為零點）確定，不管測試系統在什么時候停機，重啟后，所讀取的數據都可以準確確定起重機吊鉤的位移量。以上兩種傳感器的不同之處就是：前者的輸出的是數字信號，而后者輸出的是電壓或電流模擬信號。系統中應用絕對式多圈光電編碼器測量起升高度。本設計中選用GAX60 R13/12 E10 LB編碼器。其輸出RS485信號，易于讀取。編碼器設置成主動模式時，主動向上位機發送數據。

圖4 儀器硬件原理圖

4）兩車間距信息采集。本系統選擇超聲波測距。超聲波測距模塊原理圖如圖4所示，模塊包括固有頻率正反饋發生器電路、換能器、線性電路（前置放大，噪音過濾，線性放大，整形電路）、單片機等部分。

本采集模塊設計時，單片機通過對40 kHz方波發生電路的控制實現對發射的控制。單片機的P1.0口以6個脈沖的序列發射信號再經過超聲波發射電路放大，單片機程序是通過延時函數實現的。脈沖發射同時打開定時器T0開始計時，發射后等待1 ms（主要目的是消除余波干擾，同時會導致測量盲區），打開外部中斷INT0，等待回波反射到接收探頭。

5）人員信息采集模塊。橋式起重機械操作人員信息的采集，主要是為了實現人員和設備的管理。本系統設計借鑒門禁系統的功能。endprint

讀寫器向IC卡發一組固定頻率的電磁波后，卡片內部的LC串聯諧振電路的頻率與讀寫器發射的頻率相同，在該電磁波的激勵下，LC諧振電路產生共振，從而使電容內有了電荷，在這個電容的另一端 ，接有一個單向導通的電子泵，將電容內的電荷送到另一個電容內儲存，當所積累的電荷達到2 V時，此電容可作為電源為其他電路提供工作電壓，并將卡內數據發射出去。

讀卡模塊從內部引出四根線，這四根線分別表示電源線、地線、數據線0、數據線1。每次讀卡時，如從0號數據線讀到一個低電平，則信號記為0，反之，從1號數據線讀到一個低電平，則信號記為1，每兩個信號的間隔大約為2.6 ms。硬件實現時，首先可用查詢方式確定第一個信號，而后用定時器定時2.6 ms再讀其中任一根數據線，這時兩線上至少有一根數據線出現信號。因此這種方法很容易實現，只是在讀第一個信號時，系統可能陷入不斷的查詢中。

6）數據儲存模塊。本系統設計的數據存儲功能，可以實現海量數據存儲，用于信息的保存與歷史數據的分析?，F場黑匣子主要應用于安全數據的保障存儲，根據實際需要保存近期7天的安全數據，一旦數據達到一定數量，能夠自動覆蓋遠些日期的數據。

一般監控數據的現場存儲采用專用的存儲裝置（如硬盤等），對基站節點的要求很高，節點價格將比較昂貴，不適用推廣。本系統研究了基于存儲卡的現場存儲方式，其中SD卡以其高存儲容量、快速的讀取速度、極大的移動靈活性以及很好的安全性成為本系統的選擇。同時為了使其在Windows操作系統可以識別，系統在SD卡中建立了FAT16格式的文件，同時實現數據的定期自動覆蓋。

7）實時時鐘模塊。橋式起重機每天工作后都要斷電，斷電后沒有任何措施保證單片機內部時鐘芯片的時間增量器正常工作，對于監測起重機運行參數來說是行不通的，因此需要選擇外部時鐘芯片，該芯片必須具有掉電檢測功能并且提供備用電源。經過多方測試，PhiliPs公司的PCF8563實時時鐘芯片是滿足要求的。該芯片平時用主機電源供電，可利用紐扣電池作為后備電源，掉電后，能正常計時。

8）數據上傳模塊。本系統選用深圳市某科技有限公司的GPRS 內嵌式DTU模塊，型號為KB3021。

2 黑匣子節點設計

本系統需要檢測的運行參數較少，但是通訊接口需要較多?？偤涂紤]節點單片機選用C8051F020。系統的電源模塊的電源輸入設計有外部交流220 V供電和直流+12 V供電兩種模式。長期監測需要采用外部供電模式，為減少電源超導線接線的安全隱患，系統首先利用AC/DC將220交流轉換為+12 V直流。系統通過SPI對SD卡進行讀寫擦除操作，SPI總線主要通過四根線進行數據傳輸：同步時鐘線SCK、主入/從出數據線MISO、主出/從入數據線MOSI、從機片選擇線CS（低電平有效）。黑匣子節點電路中最重要的是采集電路和通訊電路設計。下面分別介紹。

2.1 電路設計

1）采集模塊電路設計。開關量采集模塊的電路的設計較為簡單，可以先根據光耦的驅動電流確定輸入電阻的大小，然后選擇一個電容，使其與該輸入電阻構成一個RC濾波回路，再過濾通道上的毛刺干擾即可。系統共設計12路開關量采集通道，各通道用一個公共地。開關量采集電路如圖5所示。

圖5 開關量采集電路原理圖

2）通訊接口電路設計。系統單片機集成了串行通訊接口，使用這些串行通訊接口和RS485接口驅動芯片就可以構成總線型通訊網絡，實現數據通訊，即完成系統設定的采集任務。RS485通訊采用星型結構，這種結構具有接口簡單、靈活性好、價格低、易于控制等優點，已經非常廣泛的在工控系統中使用。美國TI公司生產的SN75LBC184是一種RS485接口芯片?？梢耘c單片機里連接，把TTL信號轉化為RS485信號。應用該芯片完成電路圖如圖6。

圖6 RS485通訊接口設計

2.2 程序設計

系統單片機需要完成以下工作。

1）讀取開關狀態并計時（第一路開關為橋機總電源按鈕，上電與斷電后分別記錄時間，用來記錄工作時間。其他開關量只在變化后存儲上傳）。

2）分別向各RS485接口發送查詢命令，并接受各模塊采集的數據，分別計時。

3）把所得數據和時間按照統一格式發送到SPI接口，存入SD卡，并上傳。

本設計中系統需要查詢開關量，通過RS485總線查詢起重量、起升高度、同一軌道兩車間距，通過IC查詢實時時鐘數據，通過SPI把讀取數據存儲到SD卡中，通過串口0，發送的DTU模塊，完成一個工作周期。

3 系統終端設計

監控系統的軟件設計主要是包括節點遠程參數設置、接收和處理終端發回的數據，數據庫設計、系統用戶界面設計、系統分析軟件設計等。

3.1 軟件功能模塊

1）用戶登錄分級管理。軟件實現用戶分級管理。A類用戶具有修改用戶名、密碼、遠程修改參數、刪除歷史記錄等權限；B類用戶具有遠程參數修改權限；C類用戶只有查看權限。系統登陸界面如圖7所示。

圖7 用戶登錄界面

2）服務器數據接收。當該服務器接收到一個網絡數據包后，它首先判斷該數據包是終端（遠程主機）發來的數據包還是修改參數的數據包，如果兩者都不是，說明接收到了異常的數據包，那么將進行異常處理。如果是修改參數的數據包，那么接下來發送指令到終端（遠程主機）如果是終端（遠程主機）發來的數據包，數據超過了閥值將進行軟件和硬件報警然后將該數據存入數據庫；如果沒有發生異常，那么除了正常顯示之外，將直接進行數據的存儲工作。

3）數據庫設計。數據庫作為監控系統的數據存儲部分，它的性能直接影響到整個監控系統的性能，本系統采用工廠模式三層架構開發數據庫。通常意義上的三層架構就是將整個業務應用劃分為：表現層（UI）、業務邏輯層（BLL）、數據訪問層（DAL）。區分層次的目的即為了“高內聚，低耦合”的思想。endprint

數據庫設計是從用戶對數據的需求出發、設計和實現數據庫的過程，既要滿足應用功能需求，又要具有良好的數據庫性能。數據庫模塊是監控平臺軟件中的核心部分。該軟件模塊主要實現數據存儲、數據查詢、數據庫維護等功能。在該系統中數據存儲主要包括：①測點采集的各個參數的數據；②測點的基本信息；③監測設備的報警信息；④測試節點的歷史數據等。

4）節點管理模塊。進入系統之后，在終端管理主界面上可以查看各節點的在線情況（如圖8所示），可觀察左側節點顏色判斷各節點在線與否，藍色指不在線，綠色指在線。

另外還可以查看其歷史數據。在工具欄中選擇“數據顯示”，再選擇“歷史數據顯示”，找到“起重量_間距_高度數據顯示”即可通過設置查看任何一小時的歷史數據。

4 結束語

為了保障橋式起重機的安全操作，滿足安監部門對設備管理的需求，本文研究橋式起重機械遠程安全監控系統。該系統將GPRS無線數傳技術、大容量數據的現場/遠程存儲技術等相結合，實現基于網絡的起重機械安全運行的監測及現場/遠程“黑匣子”功能，可廣泛應用在橋式起重機械的長期監測項目。

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