一種塔式起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)的研究

張南慶　張強　陳孝玉　劉小雍

【摘 要】在現(xiàn)代高層建筑建設當中，塔式起重機，后續(xù)簡稱塔機，扮演著越來越重要的角色。但是，在實際操作當中，塔機操作者不能獲得塔機本身足夠的狀態(tài)信息去對塔機進行控制[1]，例如，何時起重，以及起重的重量等。為了提高塔機工作的安全性和效率，本文提出了一種塔機安全監(jiān)控方案，用于多角度獲取塔機狀態(tài)信息。此方案能夠讓塔機操作者通過傳感器技術，數(shù)據處理技術以及無線傳輸技術，實時的獲取到更多細節(jié)性和復雜性的狀態(tài)信息[2-3]。本方案主要是為了降低塔機事故發(fā)生率，并起到在危險環(huán)境下保護工程管理者，建筑設備以及塔機操作者安全的作用。

【關鍵詞】塔機；傳感器；狀態(tài)監(jiān)控；LCD報警

中圖分類號：TH89 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）35-0127-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.35.053

Research on Condition Monitoring System of Tower Crane

ZHANG Nan-qing ZHANG Qiang CHEN Xiao-yu LIU Xiao-yong

（Zunyi Normal University， Zunyi Guizhou 563006， China）

【Abstract】Tower crane is playing a more and more important role in the construction of high-rise buildings. However， crane operators do not acquire adequate conditioning information from tower crane itself， such as lifting moment and the weight being lifted， to control the tower crane. In order to work safer and more efficient， this paper presents a condition monitoring system （CMS） that provides a solution to receive sufficient information. The CMS can monitor the detailed and comprehensive information which is related to the safety of tower crane in real time with sense， signal processing and wireless technologies. This CMS aims at degrading the tower crane accidents and protecting the project manager， construction equipment and operators from dangerous situation.

【Key words】Tower crane； Sensor； CMS； Alarm

0 引言

近年來，在高速發(fā)展的中國經濟助推之下，建筑業(yè)，特別是高層建筑作為中國經濟的支柱性產業(yè)之一，得到了極大的增長。從而使得塔機的使用變得越來越廣泛且作用變得越來越重要，伴隨而來的是，塔機事故發(fā)生率變高，據不完全統(tǒng)計，2013年3-4月之間全國各地就有17起塔機相關的事故發(fā)生[4]。通過分析發(fā)現(xiàn)，有3個原因導致塔機事故的發(fā)生，如表1所示。

表1中統(tǒng)計了導致塔機事故發(fā)生最主要的3個因素，但是本文只將塔機操作人員的非法操作作為研究范疇。所以本文提出一種塔機狀態(tài)安全監(jiān)控方案，幫助塔機操作人員實時掌握與塔機運行安全相關的狀態(tài)信息。

1 安全監(jiān)控系統(tǒng)

安全監(jiān)控系統(tǒng)包含4個模塊，分別為數(shù)據采集模塊；核心控制模塊；通信模塊；報警模塊[11]，其系統(tǒng)架構圖如圖1所示：

1.1 傳感子系統(tǒng)

傳感子系統(tǒng)包含5個傳感器，用于獲取塔機在正常載荷運行狀態(tài)下的幾個關鍵狀態(tài)參數(shù)，例如，物體重量，物體高度，物體水平方向的幅度，塔機的回轉角度，塔機頂部風速。傳感器輸出信號包含電壓，電流和頻率信號，經過預處理的信號流通過MAX1148進行模數(shù)轉換，最后將信號輸入核心控制模塊的主控芯片LPC2294（ARM7架構）。

1.2 控制子系統(tǒng)

控制子系統(tǒng)由數(shù)據處理電路，LCD顯示模塊，核心處理模塊，同步時鐘模塊組成。數(shù)據處理電路主要是對傳感器采集的信號進行濾波，放大等處理，然后將處理后的信號接入到核心處理模塊的輸入端（此處采用基于ARM7架構的LPC2294），核心控制模塊將獲取到的關鍵信息進行轉換，輸出到LCD模塊進行顯示；當塔機事故發(fā)生時，在同步時鐘模塊作用下，將事故發(fā)生時的塔機各狀態(tài)參數(shù)精確記錄到存儲器，便于后續(xù)對事故數(shù)據進行分析，得出事故發(fā)生原因，對提高塔機安全性提供數(shù)據支撐。

1.3 通信子系統(tǒng)

通信子系統(tǒng)以中國移動GPRS無線傳輸技術為基礎[10]，將塔機關鍵數(shù)據傳送至后臺主機，便于后臺實時了解塔機運行狀況；同時，后臺也可通過通信子系統(tǒng)向塔機監(jiān)控終端發(fā)送控制命令。

1.4 報警子系統(tǒng)

報警子系統(tǒng)主要由生、光報警器組成四級報警。終端會對塔機的回轉角度，物體重量，物體可上升高度，重物水平運行幅度以及現(xiàn)場風速進行閾值設置，當各參數(shù)介于閾值的0.93～0.96時，報警系統(tǒng)輸出I級蜂鳴器提示報警，當各參數(shù)介于閾值的0.96～1.00，II聲音報警器打開，當各參數(shù)介于閾值的1.00～1.20時，III聲光報警器被打開，當各參數(shù)大于閾值的1.20時，IV級報警打開，塔機電源被強制切斷。

最后，報警數(shù)據將被記錄和存儲到CAT24C256的EEPROM芯片之中，然后將存儲數(shù)據進行分析，得出塔機事故發(fā)生的可能原因。

2 傳感器選型與布局

2.1 傳感器選型

為了準確測量塔機現(xiàn)場環(huán)境下的各關鍵參數(shù)，本文選取了圖2的幾款傳感器構成塔機監(jiān)控終端的傳感系統(tǒng)，其技術參數(shù)如表所示。

2.2 傳感器布局

圖3展示了傳感子系統(tǒng)中各個傳感器在塔機上的安裝位置，風速傳感器安裝于現(xiàn)場塔機的頂部，回轉角度傳感器安裝于塔機的回轉機構處，高度傳感器安裝于塔機平衡臂之上，幅度傳感器安裝于變幅小車之上，重力傳感器安裝于起重鉤結構之上。

3 實驗

通過模擬現(xiàn)場環(huán)境，對監(jiān)控終端的各項功能進行測試，并將數(shù)據顯示于LCD屏幕之上，如圖4所示。

圖4中重點以重物重量為例，對系統(tǒng)進行了測試，從圖4中可以看出，目前重力傳感器獲取的實際重量為6.08噸，而此臺塔機所能承受的額定重量為3.50噸，大于額定重量的%120，所以在報警輸出一欄，報警級別為IV級，報警級別全亮。另外LCD界面還顯示了幅度、風力等級、塔機回轉角度等信息。軟件設計時，針對報警流程，所有的監(jiān)控參數(shù)之間存在一個互斥的關系，只要監(jiān)控參數(shù)中有一個以上參數(shù)值超過相應的報警級別，則報警流程被激活。

4 結論

通過實驗可以得出如下結論，此狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)能夠準確、實時獲取塔機相關參數(shù)，并在參數(shù)值超出閾值時，能夠執(zhí)行報警動作，可以起到幫助塔機操作者感知塔機運行狀態(tài)和約束塔機操作者操作行為的作用，以達到降低人為操作導致塔機事故發(fā)生率的目的。

【參考文獻】

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[4]塔機365網，國內最新塔機事故分析.http：//www.tadiao365.com/kzsh.asp？%20MenuID=&keywords;=&id;=2&Search;%20Type%20ID=&page;=1.

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[11]賈永峰.塔式起重機多源信息監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].西安建筑科技大學碩士學位論文，2005.