塔式起重機(jī)群機(jī)防碰撞設(shè)計(jì)

肖 清鄧建宇李 豐

（1．江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院 贛州 341000）

（2．贛州市建設(shè)工程安全監(jiān)督管理站 贛州 341000）

塔式起重機(jī)群機(jī)防碰撞設(shè)計(jì)

肖 清1鄧建宇2李 豐1

（1．江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院 贛州 341000）

（2．贛州市建設(shè)工程安全監(jiān)督管理站 贛州 341000）

塔式起重機(jī)多應(yīng)用于建筑行業(yè)，一個(gè)區(qū)域內(nèi)多臺(tái)塔式起重機(jī)工作時(shí)，相互靠近的塔式起重機(jī)容易發(fā)生碰撞事故。本設(shè)計(jì)是基于2．4G頻率的ZIGBEE通訊模塊組網(wǎng)通訊，抗干擾性強(qiáng)，可配置通道號(hào)以區(qū)別不同的通訊組，通過其實(shí)現(xiàn)設(shè)備動(dòng)態(tài)的接入，可完成局域范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)交換，滿足有限距離的通訊，從而滿足局域塔式起重機(jī)防碰撞的需要。塔式起重機(jī)群機(jī)防碰撞系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)際檢驗(yàn)，系統(tǒng)工作可靠，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、物流、電力、水利、環(huán)保等行業(yè)的塔式起重機(jī)防碰撞控制。

群機(jī)防碰撞 力矩限制器 Zigbee 物聯(lián)網(wǎng)

塔式起重機(jī)作業(yè)可能存在的碰撞隱患，如單臺(tái)塔式起重機(jī)與其他物體的碰撞隱患——塔式起重機(jī)吊繩與物體、吊鉤與過往車輛、吊物與公共區(qū)域的碰撞；塔式起重機(jī)群作業(yè)時(shí)存在相互碰撞可能性。因此，塔式起重機(jī)群作業(yè)時(shí)需要使用塔式起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)，防止塔機(jī)之間以及塔機(jī)與其它物體之間的碰撞，并且防止塔機(jī)吊重物進(jìn)入禁行、禁吊區(qū)域。對(duì)所有碰撞可能的危險(xiǎn)和非法入侵提供實(shí)時(shí)預(yù)警、現(xiàn)場(chǎng)管理、遠(yuǎn)程監(jiān)控、視頻監(jiān)控、無線傳輸?shù)榷喾N信息的智能測(cè)控，是一種非常有實(shí)用價(jià)值的安全防護(hù)監(jiān)控設(shè)備，并逐漸廣泛應(yīng)用于建筑業(yè)施工起重機(jī)械。

由C8051F580單片機(jī)控制整個(gè)安全操作系統(tǒng)，其自動(dòng)檢測(cè)起重機(jī)所吊載物體重量質(zhì)量、起重大臂所處的水平面角度，并能將額定載重量、實(shí)際載荷、垂直塔身的傾斜角度、大臂工作半徑、起重臂垂直面所處的角度。實(shí)時(shí)監(jiān)控檢測(cè)起重機(jī)工況，具有設(shè)備自診斷功能，快速危險(xiǎn)狀況預(yù)警、報(bào)警及安全控制。具備黑匣子功能，自動(dòng)記錄作業(yè)時(shí)的實(shí)時(shí)工況，為事前分析、事中監(jiān)管、事后追責(zé)提供依據(jù)。

市場(chǎng)上現(xiàn)有的塔式起重機(jī)防碰撞系統(tǒng)大多基于PC104主板、數(shù)據(jù)采集卡、DTU模塊、ZIGBEE外置模塊等硬件搭建的系統(tǒng)，這樣的設(shè)計(jì)雖然在硬件設(shè)計(jì)上便捷，但是總體的體積較大、成本增加，并且有些不能做到單機(jī)本身自帶群機(jī)防碰撞功能，即需要額外的主機(jī)專門作為防碰撞使用。

本設(shè)計(jì)基于ZIGBEE與GPRS聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)終端的塔機(jī)防碰撞設(shè)計(jì)，將GPRS模塊、ZIGBEE模塊集成到系統(tǒng)主板上，集成度高度增加，融力矩限制與群機(jī)防碰撞于一體，通過ZIGBEE模塊組成MESH網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備動(dòng)態(tài)加入，參數(shù)可通過遠(yuǎn)程設(shè)定、并可遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)本身的故障，其可廣泛應(yīng)用于需要加強(qiáng)塔式起重機(jī)安全監(jiān)控的場(chǎng)合。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

塔式起重機(jī)群智能防碰撞安全防護(hù)系統(tǒng)由塔式起重機(jī)防碰撞安全系統(tǒng)（也即塔機(jī)力矩限制器終端設(shè)備）和塔式起重機(jī)群遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)（后臺(tái)系統(tǒng)）兩部分組成。塔機(jī)智能安全防護(hù)系統(tǒng)主要有防碰撞報(bào)警、限位報(bào)警、禁行區(qū)、禁吊區(qū)防護(hù)、制動(dòng)控制、運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、運(yùn)行過程記錄、歷史運(yùn)行狀態(tài)查詢、碰撞事故黑匣子記憶等功能。

塔式起重機(jī)群防碰撞報(bào)警系統(tǒng)由報(bào)警控制器、角度傳感器、幅度傳感器、高度傳感器、無線通信控制器等組成。報(bào)警控制器用于塔式起重機(jī)碰撞危險(xiǎn)的實(shí)時(shí)報(bào)警，報(bào)警形式：聲音警示，顯示屏圖文并行警示；報(bào)警范圍：碰撞危險(xiǎn)預(yù)警報(bào)警、超限位報(bào)警、超力矩報(bào)警、超重報(bào)警、傾角報(bào)警、風(fēng)速報(bào)警、禁行區(qū)及禁吊區(qū)報(bào)警。幅度傳感器：感知塔式起重機(jī)小車距標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的距離，精度：0．10m；角度傳感器：感知塔式起重機(jī)吊臂的角度，精度：0．3°；高度傳感器：感知吊鉤高度，精度：0．10m；傾角傳感器：檢測(cè)塔身傾斜角度，精度0．01°；風(fēng)速傳感器：檢測(cè)風(fēng)速；無線通信：用于塔式起重機(jī)與塔式起重機(jī)之間，塔式起重機(jī)與遠(yuǎn)程監(jiān)控器數(shù)據(jù)通訊的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。有效距離：1．5km；頻點(diǎn)范圍：2．4GHz。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 塔機(jī)防碰撞系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

2 終端硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件核心控制器主要為C8 0 5 1 F 5 8 0，人機(jī)交互由貼膜鍵盤、8．0TFT顯示器（像素點(diǎn)800×600）、報(bào)警蜂鳴器組成，硬件系統(tǒng)的電路計(jì)主要包括C8051F580主模塊電路、局域組網(wǎng)ZIGBEE通訊模塊、開關(guān)電源模塊、I/O擴(kuò)展模塊和人機(jī)交互模塊。C8051F580主模塊電路包含UART串口通訊電路、信號(hào)濾波及跟隨電路、傳感器接口電路等。

塔式起重機(jī)涉及起重安全，系統(tǒng)穩(wěn)定性要求高，特別是塔式起重機(jī)電機(jī)啟停頻繁，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的干擾特別大尤其是對(duì)系統(tǒng)終端的電源沖擊。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，在電源側(cè)設(shè)計(jì)了共模磁環(huán)抗干擾電路過濾共模的電磁干擾信號(hào)、安規(guī)電容保護(hù)電路，如圖2所示。

圖2 抗干擾及保護(hù)電路

幅度、角度、高度等傳感器輸出為0~5V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，其接入電路如圖3所示，輸入端設(shè)有濾波電容，濾除干擾信號(hào)。

圖3 信號(hào)濾波及跟隨電路

為保證塔機(jī)防碰撞的可靠性，獨(dú)立采用了一片C8051F340作為從機(jī)用于塔機(jī)群的組網(wǎng)通訊，獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)再與主單片機(jī)通訊。

3 系統(tǒng)功能

塔機(jī)力矩限制器終端設(shè)備和數(shù)據(jù)庫(kù)及平臺(tái)無縫融合，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、開放、多源數(shù)據(jù)的監(jiān)控，在對(duì)塔式起重機(jī)實(shí)現(xiàn)力矩、載重、角度、風(fēng)速等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控、記錄和聲光報(bào)警；可根據(jù)客戶需要定制手機(jī)短信通知功能，向相關(guān)人員進(jìn)行短信報(bào)警，使得塔機(jī)安全監(jiān)控成為開放的、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、可溯源的監(jiān)控。

實(shí)現(xiàn)了塔式起重機(jī)聯(lián)網(wǎng)及起重設(shè)備工況安全的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，從技術(shù)手段保障了監(jiān)管部門、使用者對(duì)塔機(jī)使用過程和行為的實(shí)時(shí)監(jiān)控，真正將控制設(shè)備運(yùn)行過程中的危險(xiǎn)因素和安全隱患落到實(shí)處，切實(shí)有效的防范塔式起重機(jī)安全生產(chǎn)事故發(fā)生。

塔式起重機(jī)集群智能防碰撞安全防護(hù)系統(tǒng)集成全方位安全監(jiān)控功能：終端設(shè)備上的各臺(tái)塔機(jī)的參數(shù)設(shè)置；載重、幅度、力矩、傾角、風(fēng)速等信號(hào)采集；閾值設(shè)置及預(yù)警、報(bào)警；控制輸出；單機(jī)防碰撞；塔式起重機(jī)集群防撞；運(yùn)行數(shù)據(jù)終端設(shè)備存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程下載；數(shù)據(jù)報(bào)表功能；短信通知；塔機(jī)違規(guī)管理；租賃商管理權(quán)限（遠(yuǎn)程加鎖、解鎖）；設(shè)備定位；多級(jí)別監(jiān)控授權(quán)。

4 塔式起重機(jī)參數(shù)設(shè)定

群塔防碰撞需要設(shè)定群塔在區(qū)域的參數(shù)，見表1。

表1 參數(shù)設(shè)定列表

通過系統(tǒng)終端人機(jī)界面設(shè)置表1中的參數(shù)。

5 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)加入與局域數(shù)據(jù)交換

每一個(gè)塔式起重機(jī)防碰撞設(shè)備都將傳感器檢測(cè)、無線通信、計(jì)算能力集成在終端，也即成為一個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)采用動(dòng)態(tài)方式加入和退出，防碰撞區(qū)域的設(shè)備能通過競(jìng)爭(zhēng)獲得主機(jī)控制權(quán)，即便同時(shí)開機(jī)或者現(xiàn)有成為主機(jī)的設(shè)備關(guān)機(jī)退出了，所有其它節(jié)點(diǎn)的設(shè)備亦能正常工作。

各節(jié)點(diǎn)控制器將檢測(cè)載重、角度、幅度等變量，并將數(shù)據(jù)上傳給本防碰撞區(qū)域的主機(jī)，主機(jī)再將數(shù)據(jù)統(tǒng)一發(fā)給各從機(jī)，局域間的通信通過2．4G無線傳輸模塊(ZIGBEE)交換數(shù)據(jù)。主機(jī)作為主控節(jié)點(diǎn)完成局域無線信號(hào)收發(fā)控制，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行必要的轉(zhuǎn)換和預(yù)處理?，F(xiàn)場(chǎng)無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)可以有多個(gè)。防碰撞系統(tǒng)參數(shù)可由一臺(tái)終端設(shè)定并將參數(shù)發(fā)給本群組的其它設(shè)備，無需到每臺(tái)終端上去設(shè)置。每臺(tái)終端既能獨(dú)立地完成數(shù)據(jù)采集和控制，又可將數(shù)據(jù)傳送到現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)。

圖4 動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)加入流程圖

6 防碰撞算法

在本塔機(jī)進(jìn)行防碰撞判斷之前，先由微處理器模塊通過幅度傳感器和角度傳感器獲取本塔機(jī)信息，從而計(jì)算出本塔機(jī)的大臂末端坐標(biāo)和小車坐標(biāo)，再通過ZIGBEE無線通信獲取干涉塔機(jī)的大臂末端坐標(biāo)、回轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)、干涉塔機(jī)的大臂長(zhǎng)，然后進(jìn)行防碰撞判斷。

防碰撞方法判斷如下，假設(shè)：

x1和y1分別為本塔機(jī)大臂末端的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；

x2和y2分別為干涉塔機(jī)大臂末端的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；

x3和y3分別為干涉塔機(jī)回轉(zhuǎn)中心的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；

x4和y4分別為本塔機(jī)小車的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；

L1為本塔機(jī)大臂末端與干涉塔機(jī)大臂末端間距，

其公式為：

L2為本塔機(jī)大臂末端與干涉塔機(jī)回轉(zhuǎn)中心間距，其公式為：

L3為本塔機(jī)小車到干涉塔機(jī)回轉(zhuǎn)中心間距，其公式為：

當(dāng)以下三種情況任意一種發(fā)生時(shí)控制器將發(fā)出報(bào)警，提醒操作人員注意操作，從而起到防碰撞報(bào)警作用：

情況一：如圖5（a）所示，當(dāng) L1小于防碰撞限定值時(shí)；

情況二：如圖5（b）所示，當(dāng)L1+L2-L3小于防碰撞限定值時(shí)；

情況三：如圖5（c）所示，當(dāng)小車進(jìn)入干涉區(qū)(即L3小于L2)時(shí)(若本機(jī)大臂高度低于相干涉的塔機(jī)的大臂高度，將不需要考慮本情況，大臂高度參數(shù)需在使用前錄入)。

通過ZIGBEE通信模塊，實(shí)現(xiàn)了塔機(jī)間的無線通信，使得防碰撞信息的獲取成為可能；在獲取了防碰撞信息的基礎(chǔ)上，通過上述判斷方法的判定，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)塔機(jī)集群作業(yè)防碰撞的全方位安全監(jiān)控，有效避免碰撞事故發(fā)生。

圖5 防碰撞示意圖

7 輸出控制與報(bào)警

根據(jù)前一小節(jié)的防碰撞算法進(jìn)行判斷是否將發(fā)生碰撞，并根據(jù)這一結(jié)果進(jìn)行報(bào)警和控制輸出防止發(fā)生碰撞。

7.1 回轉(zhuǎn)方向標(biāo)定

由于控制器與塔機(jī)旋轉(zhuǎn)方向并無關(guān)聯(lián)，所以要進(jìn)行塔機(jī)回轉(zhuǎn)方向標(biāo)定，使得回轉(zhuǎn)傳感器（行程限位器）反饋到系統(tǒng)的AD值增加或減少與回轉(zhuǎn)方向關(guān)聯(lián)。

在角度標(biāo)定時(shí)，按照系統(tǒng)圖示要求先標(biāo)0°，然后順時(shí)鐘旋轉(zhuǎn)90°，如果90°對(duì)應(yīng)的角度AD值比0°時(shí)的角度AD值大，將回轉(zhuǎn)方向標(biāo)志位Rotary_ Direction寫為“1”，否則寫為“0”。

7.2 塔機(jī)回轉(zhuǎn)危險(xiǎn)方向判斷

為進(jìn)行回轉(zhuǎn)控制，就必須對(duì)塔機(jī)回轉(zhuǎn)危險(xiǎn)方向進(jìn)行判斷。如果塔機(jī)進(jìn)入報(bào)警區(qū)域，那么回轉(zhuǎn)危險(xiǎn)方向記錄到Rotary_Danger_Direction（0：回轉(zhuǎn)無危險(xiǎn)；1：順時(shí)鐘回轉(zhuǎn)危險(xiǎn)；2：逆時(shí)鐘回轉(zhuǎn)危險(xiǎn)），如果當(dāng)前運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)入危險(xiǎn)方向，那么該方向?qū)⒂涗浀絉otary_ Danger_Direction，并且系統(tǒng)將禁止該方向的運(yùn)動(dòng)，但可反方向運(yùn)動(dòng)，直到其離開報(bào)警區(qū)域后 ，Rotary_ Danger_Direction將被置0。此外，進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域后，塔式起重機(jī)小車將禁止向外變幅。

為了準(zhǔn)確判斷出危險(xiǎn)方向，記錄危險(xiǎn)標(biāo)記Rotary_Danger_Direction，將在由非報(bào)警區(qū)進(jìn)入報(bào)警區(qū)時(shí)修改回轉(zhuǎn)危險(xiǎn)方向，而由報(bào)警區(qū)退出報(bào)警區(qū)時(shí)將回轉(zhuǎn)危險(xiǎn)方向記錄清零。

表2 回轉(zhuǎn)控制邏輯表

8 局域數(shù)據(jù)通信

系統(tǒng)形成基于Zigbee通訊模塊的MESH網(wǎng)絡(luò)，組網(wǎng)通訊，實(shí)現(xiàn)局域數(shù)據(jù)通訊。每臺(tái)終端設(shè)備在本工作群組都有一個(gè)Zigbee通訊模塊，設(shè)有唯一的ID。開機(jī)后該群組的設(shè)備將展開競(jìng)爭(zhēng)，其中一臺(tái)的終端設(shè)備成為主機(jī)，負(fù)責(zé)組網(wǎng)通訊，其它作為從設(shè)備，每臺(tái)終端設(shè)備都通過主機(jī)無誤的獲取數(shù)據(jù)，對(duì)10組設(shè)備通訊測(cè)試對(duì)比，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示通訊準(zhǔn)確率達(dá)100%。如果主機(jī)退出后，其它剩余的設(shè)備將競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)生一臺(tái)主機(jī)，繼續(xù)完成數(shù)據(jù)收發(fā)的任務(wù)。

9 總結(jié)

塔式起重機(jī)集群防碰撞系統(tǒng)安裝在江西理工大學(xué)校內(nèi)建設(shè)工地的兩臺(tái)塔式起重機(jī)上、北京央視大樓附近的CBD項(xiàng)目，經(jīng)過多月的實(shí)際測(cè)試，其有效的提高了作業(yè)安全性，系統(tǒng)運(yùn)行可靠。本算法及系統(tǒng)應(yīng)用于建筑用塔式起重機(jī)的集群防碰撞，可靠性高，其通過系統(tǒng)局域組網(wǎng)通訊模塊Zigbee模塊組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域低成本、高可靠的通訊，系統(tǒng)具有很強(qiáng)的開放性，設(shè)備動(dòng)態(tài)接入，靈活方便。

本系統(tǒng)對(duì)建設(shè)施工垂直運(yùn)輸起重設(shè)備——塔機(jī)進(jìn)行監(jiān)控、預(yù)報(bào)警、記錄數(shù)據(jù)的同時(shí)，通過移動(dòng)通訊基站將塔機(jī)運(yùn)行各項(xiàng)涉及安全數(shù)據(jù)和預(yù)警、報(bào)警信息等發(fā)送到服務(wù)器，并能在發(fā)生報(bào)警或者違規(guī)操作時(shí)自動(dòng)觸發(fā)手機(jī)短信通知，也可在手機(jī)上安裝APP，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將塔機(jī)運(yùn)行信息推送至手機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)有效的、開放的、實(shí)時(shí)的、動(dòng)態(tài)的、可溯源監(jiān)管。

其工作原理及設(shè)計(jì)思路適用于測(cè)點(diǎn)分布范圍廣、數(shù)據(jù)需要遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膽?yīng)用場(chǎng)合，系統(tǒng)設(shè)計(jì)可移植應(yīng)用于工業(yè)過程控制、便攜式儀器儀表、測(cè)量、無線智能傳感器以及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。

[1] 潘琢金．C8051 Fxxx高速SoC單片機(jī)原理及應(yīng)用[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002．

[2] 令召蘭．基于MAS的多塔機(jī)防碰撞控制系統(tǒng)研究[D]．西安：西安理工大學(xué)，2007．

[3] 楊鵬．基于MSP430和nRF905的塔式起重機(jī)無線遙控系統(tǒng)[J]．機(jī)電工程，2008，25(1)：34-36．

[4] 傅?。趩纹瑱C(jī)控制的塔式起重機(jī)起重性能顯示[J]．PLC＆FA，2006，(05)：94-96．

[5] 皮紅梅，楊松，李英順．用單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)起重機(jī)力限器的設(shè)計(jì)[J]．吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，20(2)：70-72．

[6] 張大志．塔式起重機(jī)力矩限制器調(diào)試[J]．建筑機(jī)械，2003，(04)：55-57．

[7] 贛州德業(yè)電子科技有限公司．一種塔機(jī)集群作業(yè)防碰撞方法及其裝置[P]．中國(guó)：ZL201110126096．2，2013-05-15．

Anti-Collision Design of the Tower Crane

Xiao Qing1Deng Jianyu2Li Feng1
(1. College Of Applied Science, Jiangxi University Of Science and Technology Ganzhou 341000)
(2. Ganzhou construction safety supervision and management station Ganzhou 341000)

The tower crane is more and more used in the construction industry, crash accident between adjacent tower cranes is easy to happen when a plurality of tower crane machine are working in one region. This design is based on wireless network communications using ZIGBEE module in 2.4G frequency with high anti-interference performance, can arrange different communication ID address and channel number for different sites, could take data exchange in a local region through its implementation of dynamic access equipment to satisfy communication in fnite distance and the requirement of collision preventing of tower cranes in a local region. Through the actual test, tower crane anti-collision system works reliably, and can be widely used on torque control device in industry, agriculture, transportation, logistics, electricity, water conservancy, environmental protection and other industries.

Group for preventing collision Torque control ZIGBEE Internet of things

X941

B

1673-257X(2017)01-0021-05

10．3969/j．issn．1673-257X．2017．01．004

肖清(1975～)，男，碩士，講師，主要從事微機(jī)控制、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用工作。

2016-04-26）