橋式起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)研究

潘攀+李靖宇+李長安+韓瑞彬

摘 要 起重機(jī)械象征著現(xiàn)代社會(huì)的文明程度，很多行業(yè)都要應(yīng)用它來完成體積大、質(zhì)量重的物件的移動(dòng)。其中橋式起重機(jī)是應(yīng)用最廣發(fā)，使用數(shù)量最多的起重機(jī)械。近年來，隨著起重機(jī)的使用量增加，起重機(jī)事故數(shù)量也在上升。起重機(jī)的事故往往會(huì)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，一方面由于單臺(tái)設(shè)備價(jià)格高，設(shè)備損壞的損失大，另一方面某使用場合設(shè)備數(shù)量少，事故發(fā)生易造成停產(chǎn)。因此，找出有效的防止橋式起重機(jī)事故發(fā)生的辦法顯得尤為重要。起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)已經(jīng)在塔式起重機(jī)和門座式起重機(jī)上應(yīng)用，但是應(yīng)用于橋式起重機(jī)的安全監(jiān)控管理系統(tǒng)還很少。因此開發(fā)一款橋式起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)非常有意義。

關(guān)鍵詞 黑匣子；節(jié)點(diǎn)；安全監(jiān)控；起重量

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）07-0018-04

起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)已經(jīng)在塔式起重機(jī)和門座式起重機(jī)上應(yīng)用，但是應(yīng)用于橋式起重機(jī)的安全監(jiān)控管理系統(tǒng)還很少。另外黑匣子作為多信息采集記錄儀已經(jīng)成熟發(fā)展，飛行器、輪船、汽車都開發(fā)出其相應(yīng)黑匣子，并廣泛應(yīng)用。但是飛行器和船用黑匣子監(jiān)測(cè)參數(shù)眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本很高，而且起重機(jī)黑匣子的極限工作環(huán)境遠(yuǎn)遠(yuǎn)不會(huì)達(dá)到以上兩種黑匣子的要求，因此起重機(jī)用戶不會(huì)采用飛行器和船舶用黑匣子。汽車黑匣子技術(shù)，在我國還不成熟，而且汽車黑匣子偏重于監(jiān)測(cè)汽車的行駛路線與周圍車距，不適合用在橋式起重機(jī)上。因此開發(fā)一款橋式起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)非常有意義。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

橋式起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的工作原理設(shè)計(jì)為：通過各種傳感器采集橋式起重機(jī)的運(yùn)行參數(shù)和人員信息，匯聚到黑匣子節(jié)點(diǎn)，黑匣子節(jié)點(diǎn)再通過GPRS_DTU模塊把數(shù)據(jù)發(fā)送到基站，基站通過網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)存入遠(yuǎn)程服務(wù)器，相關(guān)職能部門通過網(wǎng)絡(luò)訪問遠(yuǎn)程服務(wù)器在特點(diǎn)軟件系統(tǒng)中顯示各監(jiān)測(cè)對(duì)象。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 黑匣子節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

橋式起重機(jī)黑匣子硬件按照功能可以分為：外殼保護(hù)單元、單片機(jī)、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)通訊模塊、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、電源模塊等幾個(gè)部分。橋機(jī)黑匣子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 黑匣子節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

1.3 系統(tǒng)解決方案設(shè)計(jì)

1.3.1 主控芯片的選擇

由于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)種類較少，目前起重機(jī)的安全監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)一般是采用51單片機(jī)，此類單片機(jī)應(yīng)用比較廣泛，價(jià)格相對(duì)較低，發(fā)展也已成熟。

1.3.2 黑匣子節(jié)點(diǎn)采集方案選擇

本系統(tǒng)黑匣子節(jié)點(diǎn)需要采集起重量、起升高度、行程開關(guān)、限位開關(guān)、同一軌道兩車間距等信息。其中行程開關(guān)直接通過單片機(jī)數(shù)字I/O口采集，其他數(shù)據(jù)采集需要其他輔助設(shè)備。

1）行程、限位開關(guān)采集。限位開關(guān)的信號(hào)接入有兩種方式。方式一：橋式起重機(jī)限位器一般同時(shí)有常開和常閉兩對(duì)觸點(diǎn)，其中常閉觸點(diǎn)接入起重機(jī)控制電路，控制電機(jī)電源。常開觸點(diǎn)一般是空置的，I/O量采集模塊可以利用通過監(jiān)控這個(gè)空置的常開觸點(diǎn)狀態(tài)反映限位器的狀態(tài)。方式二：橋式起重機(jī)械限位器的常閉觸點(diǎn)接入控制電路。通過在控制電路限位各開關(guān)觸點(diǎn)位置串入220 V繼電器的線包，然后通過監(jiān)測(cè)繼電器開關(guān)狀態(tài)得出限位器的狀態(tài)。方式一完全獨(dú)立于橋式起重機(jī)的控制電路，簡單可靠，但由于不同限位器遍布橋式起重機(jī)各個(gè)部位，需要進(jìn)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(tǒng)的可靠性，但由于限位器接入控制電路的位置相對(duì)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(tǒng)接線端。

2）起重量信息采集。本系統(tǒng)的起重載荷值直接從橋式起重機(jī)械標(biāo)配中的起重量限制器中獲取。其精度一般小于5%。試驗(yàn)用的橋式起重機(jī)配置的載荷限制器為浙江常州某廠家的產(chǎn)品，型號(hào)為QCX-M系列。該產(chǎn)品具有實(shí)時(shí)重量顯示、零點(diǎn)自動(dòng)跟蹤、儲(chǔ)存超載次數(shù)等功能。同時(shí)提供4-20 mA、RS485等接口。

圖3 行程開關(guān)連線示意圖

3）起升高度信息采集。絕對(duì)式編碼器/電位器這種方法一般用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體的角位移；雖然高度并非角位移，但是只需測(cè)量卷筒的角位移和其直徑就可以計(jì)算出線位移。只是以上方法的局限是：角位移的測(cè)量范圍有限，僅限于一圈（360°），實(shí)際情況中卷筒的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)范圍絕對(duì)不止一圈。因此卷筒軸必須外接減速器，是所測(cè)量限制在一圈以內(nèi)。由于采用機(jī)械方式經(jīng)過幾次轉(zhuǎn)換，而且再加上電位器本身就具有非線性，測(cè)量的精度會(huì)受很大影響。同時(shí)該方法也有優(yōu)點(diǎn)，就是只要開始位置（即為零點(diǎn)）確定，不管測(cè)試系統(tǒng)在什么時(shí)候停機(jī)，重啟后，所讀取的數(shù)據(jù)都可以準(zhǔn)確確定起重機(jī)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(shù)字信號(hào)，而后者輸出的是電壓或電流模擬信號(hào)。系統(tǒng)中應(yīng)用絕對(duì)式多圈光電編碼器測(cè)量起升高度。本設(shè)計(jì)中選用GAX60 R13/12 E10 LB編碼器。其輸出RS485信號(hào)，易于讀取。編碼器設(shè)置成主動(dòng)模式時(shí)，主動(dòng)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖4 儀器硬件原理圖

4）兩車間距信息采集。本系統(tǒng)選擇超聲波測(cè)距。超聲波測(cè)距模塊原理圖如圖4所示，模塊包括固有頻率正反饋發(fā)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(jī)等部分。

本采集模塊設(shè)計(jì)時(shí)，單片機(jī)通過對(duì)40 kHz方波發(fā)生電路的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射的控制。單片機(jī)的P1.0口以6個(gè)脈沖的序列發(fā)射信號(hào)再經(jīng)過超聲波發(fā)射電路放大，單片機(jī)程序是通過延時(shí)函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。脈沖發(fā)射同時(shí)打開定時(shí)器T0開始計(jì)時(shí)，發(fā)射后等待1 ms（主要目的是消除余波干擾，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致測(cè)量盲區(qū)），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(jī)械操作人員信息的采集，主要是為了實(shí)現(xiàn)人員和設(shè)備的管理。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)借鑒門禁系統(tǒng)的功能。endprint

讀寫器向IC卡發(fā)一組固定頻率的電磁波后，卡片內(nèi)部的LC串聯(lián)諧振電路的頻率與讀寫器發(fā)射的頻率相同，在該電磁波的激勵(lì)下，LC諧振電路產(chǎn)生共振，從而使電容內(nèi)有了電荷，在這個(gè)電容的另一端 ，接有一個(gè)單向?qū)ǖ碾娮颖茫瑢㈦娙輧?nèi)的電荷送到另一個(gè)電容內(nèi)儲(chǔ)存，當(dāng)所積累的電荷達(dá)到2 V時(shí)，此電容可作為電源為其他電路提供工作電壓，并將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去。

讀卡模塊從內(nèi)部引出四根線，這四根線分別表示電源線、地線、數(shù)據(jù)線0、數(shù)據(jù)線1。每次讀卡時(shí)，如從0號(hào)數(shù)據(jù)線讀到一個(gè)低電平，則信號(hào)記為0，反之，從1號(hào)數(shù)據(jù)線讀到一個(gè)低電平，則信號(hào)記為1，每兩個(gè)信號(hào)的間隔大約為2.6 ms。硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)，首先可用查詢方式確定第一個(gè)信號(hào)，而后用定時(shí)器定時(shí)2.6 ms再讀其中任一根數(shù)據(jù)線，這時(shí)兩線上至少有一根數(shù)據(jù)線出現(xiàn)信號(hào)。因此這種方法很容易實(shí)現(xiàn)，只是在讀第一個(gè)信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)可能陷入不斷的查詢中。

6）數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，可以實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，用于信息的保存與歷史數(shù)據(jù)的分析。現(xiàn)場黑匣子主要應(yīng)用于安全數(shù)據(jù)的保障存儲(chǔ)，根據(jù)實(shí)際需要保存近期7天的安全數(shù)據(jù)，一旦數(shù)據(jù)達(dá)到一定數(shù)量，能夠自動(dòng)覆蓋遠(yuǎn)些日期的數(shù)據(jù)。

一般監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的現(xiàn)場存儲(chǔ)采用專用的存儲(chǔ)裝置（如硬盤等），對(duì)基站節(jié)點(diǎn)的要求很高，節(jié)點(diǎn)價(jià)格將比較昂貴，不適用推廣。本系統(tǒng)研究了基于存儲(chǔ)卡的現(xiàn)場存儲(chǔ)方式，其中SD卡以其高存儲(chǔ)容量、快速的讀取速度、極大的移動(dòng)靈活性以及很好的安全性成為本系統(tǒng)的選擇。同時(shí)為了使其在Windows操作系統(tǒng)可以識(shí)別，系統(tǒng)在SD卡中建立了FAT16格式的文件，同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的定期自動(dòng)覆蓋。

7）實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊。橋式起重機(jī)每天工作后都要斷電，斷電后沒有任何措施保證單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘芯片的時(shí)間增量器正常工作，對(duì)于監(jiān)測(cè)起重機(jī)運(yùn)行參數(shù)來說是行不通的，因此需要選擇外部時(shí)鐘芯片，該芯片必須具有掉電檢測(cè)功能并且提供備用電源。經(jīng)過多方測(cè)試，PhiliPs公司的PCF8563實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片是滿足要求的。該芯片平時(shí)用主機(jī)電源供電，可利用紐扣電池作為后備電源，掉電后，能正常計(jì)時(shí)。

8）數(shù)據(jù)上傳模塊。本系統(tǒng)選用深圳市某科技有限公司的GPRS 內(nèi)嵌式DTU模塊，型號(hào)為KB3021。

2 黑匣子節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)需要檢測(cè)的運(yùn)行參數(shù)較少，但是通訊接口需要較多?？偤涂紤]節(jié)點(diǎn)單片機(jī)選用C8051F020。系統(tǒng)的電源模塊的電源輸入設(shè)計(jì)有外部交流220 V供電和直流+12 V供電兩種模式。長期監(jiān)測(cè)需要采用外部供電模式，為減少電源超導(dǎo)線接線的安全隱患，系統(tǒng)首先利用AC/DC將220交流轉(zhuǎn)換為+12 V直流。系統(tǒng)通過SPI對(duì)SD卡進(jìn)行讀寫擦除操作，SPI總線主要通過四根線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸：同步時(shí)鐘線SCK、主入/從出數(shù)據(jù)線MISO、主出/從入數(shù)據(jù)線MOSI、從機(jī)片選擇線CS（低電平有效）。黑匣子節(jié)點(diǎn)電路中最重要的是采集電路和通訊電路設(shè)計(jì)。下面分別介紹。

2.1 電路設(shè)計(jì)

1）采集模塊電路設(shè)計(jì)。開關(guān)量采集模塊的電路的設(shè)計(jì)較為簡單，可以先根據(jù)光耦的驅(qū)動(dòng)電流確定輸入電阻的大小，然后選擇一個(gè)電容，使其與該輸入電阻構(gòu)成一個(gè)RC濾波回路，再過濾通道上的毛刺干擾即可。系統(tǒng)共設(shè)計(jì)12路開關(guān)量采集通道，各通道用一個(gè)公共地。開關(guān)量采集電路如圖5所示。

圖5 開關(guān)量采集電路原理圖

2）通訊接口電路設(shè)計(jì)。系統(tǒng)單片機(jī)集成了串行通訊接口，使用這些串行通訊接口和RS485接口驅(qū)動(dòng)芯片就可以構(gòu)成總線型通訊網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，即完成系統(tǒng)設(shè)定的采集任務(wù)。RS485通訊采用星型結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有接口簡單、靈活性好、價(jià)格低、易于控制等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)非常廣泛的在工控系統(tǒng)中使用。美國TI公司生產(chǎn)的SN75LBC184是一種RS485接口芯片?？梢耘c單片機(jī)里連接，把TTL信號(hào)轉(zhuǎn)化為RS485信號(hào)。應(yīng)用該芯片完成電路圖如圖6。

圖6 RS485通訊接口設(shè)計(jì)

2.2 程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)單片機(jī)需要完成以下工作。

1）讀取開關(guān)狀態(tài)并計(jì)時(shí)（第一路開關(guān)為橋機(jī)總電源按鈕，上電與斷電后分別記錄時(shí)間，用來記錄工作時(shí)間。其他開關(guān)量只在變化后存儲(chǔ)上傳）。

2）分別向各RS485接口發(fā)送查詢命令，并接受各模塊采集的數(shù)據(jù)，分別計(jì)時(shí)。

3）把所得數(shù)據(jù)和時(shí)間按照統(tǒng)一格式發(fā)送到SPI接口，存入SD卡，并上傳。

本設(shè)計(jì)中系統(tǒng)需要查詢開關(guān)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(shí)時(shí)時(shí)鐘數(shù)據(jù)，通過SPI把讀取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SD卡中，通過串口0，發(fā)送的DTU模塊，完成一個(gè)工作周期。

3 系統(tǒng)終端設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是包括節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置、接收和處理終端發(fā)回的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)、系統(tǒng)用戶界面設(shè)計(jì)、系統(tǒng)分析軟件設(shè)計(jì)等。

3.1 軟件功能模塊

1）用戶登錄分級(jí)管理。軟件實(shí)現(xiàn)用戶分級(jí)管理。A類用戶具有修改用戶名、密碼、遠(yuǎn)程修改參數(shù)、刪除歷史記錄等權(quán)限；B類用戶具有遠(yuǎn)程參數(shù)修改權(quán)限；C類用戶只有查看權(quán)限。系統(tǒng)登陸界面如圖7所示。

圖7 用戶登錄界面

2）服務(wù)器數(shù)據(jù)接收。當(dāng)該服務(wù)器接收到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包后，它首先判斷該數(shù)據(jù)包是終端（遠(yuǎn)程主機(jī)）發(fā)來的數(shù)據(jù)包還是修改參數(shù)的數(shù)據(jù)包，如果兩者都不是，說明接收到了異常的數(shù)據(jù)包，那么將進(jìn)行異常處理。如果是修改參數(shù)的數(shù)據(jù)包，那么接下來發(fā)送指令到終端（遠(yuǎn)程主機(jī)）如果是終端（遠(yuǎn)程主機(jī)）發(fā)來的數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)超過了閥值將進(jìn)行軟件和硬件報(bào)警然后將該數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫；如果沒有發(fā)生異常，那么除了正常顯示之外，將直接進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)工作。

3）數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)庫作為監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分，它的性能直接影響到整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的性能，本系統(tǒng)采用工廠模式三層架構(gòu)開發(fā)數(shù)據(jù)庫。通常意義上的三層架構(gòu)就是將整個(gè)業(yè)務(wù)應(yīng)用劃分為：表現(xiàn)層（UI）、業(yè)務(wù)邏輯層（BLL）、數(shù)據(jù)訪問層（DAL）。區(qū)分層次的目的即為了“高內(nèi)聚，低耦合”的思想。endprint

數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)是從用戶對(duì)數(shù)據(jù)的需求出發(fā)、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的過程，既要滿足應(yīng)用功能需求，又要具有良好的數(shù)據(jù)庫性能。數(shù)據(jù)庫模塊是監(jiān)控平臺(tái)軟件中的核心部分。該軟件模塊主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)庫維護(hù)等功能。在該系統(tǒng)中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)主要包括：①測(cè)點(diǎn)采集的各個(gè)參數(shù)的數(shù)據(jù)；②測(cè)點(diǎn)的基本信息；③監(jiān)測(cè)設(shè)備的報(bào)警信息；④測(cè)試節(jié)點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)等。

4）節(jié)點(diǎn)管理模塊。進(jìn)入系統(tǒng)之后，在終端管理主界面上可以查看各節(jié)點(diǎn)的在線情況（如圖8所示），可觀察左側(cè)節(jié)點(diǎn)顏色判斷各節(jié)點(diǎn)在線與否，藍(lán)色指不在線，綠色指在線。

另外還可以查看其歷史數(shù)據(jù)。在工具欄中選擇“數(shù)據(jù)顯示”，再選擇“歷史數(shù)據(jù)顯示”，找到“起重量_間距_高度數(shù)據(jù)顯示”即可通過設(shè)置查看任何一小時(shí)的歷史數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

為了保障橋式起重機(jī)的安全操作，滿足安監(jiān)部門對(duì)設(shè)備管理的需求，本文研究橋式起重機(jī)械遠(yuǎn)程安全監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)將GPRS無線數(shù)傳技術(shù)、大容量數(shù)據(jù)的現(xiàn)場/遠(yuǎn)程存儲(chǔ)技術(shù)等相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的起重機(jī)械安全運(yùn)行的監(jiān)測(cè)及現(xiàn)場/遠(yuǎn)程“黑匣子”功能，可廣泛應(yīng)用在橋式起重機(jī)械的長期監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。

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