塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)探討

何懿翔，李華貴，溫 和

（廣西建工集團(tuán)建筑機(jī)械制造有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530299）

塔式起重機(jī)（以下簡稱“塔機(jī)”）安全監(jiān)控系統(tǒng)是一種具有塔機(jī)運(yùn)行安全監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)等功能的黑匣子設(shè)備，對(duì)數(shù)據(jù)采集的可靠性和存儲(chǔ)的穩(wěn)定性有較高要求。傳統(tǒng)的塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采用直接采集或僅進(jìn)行簡單的平均值濾波或者低通濾波[1]處理，無法真正意義得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)；對(duì)數(shù)據(jù)采用簡單的循環(huán)存儲(chǔ)[2]，無掉電保護(hù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，容易造成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)混亂及掉電易失。為解決以上問題，本文提出一種基于抖動(dòng)平滑濾波算法及掉電循環(huán)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的新方案，解決傳統(tǒng)塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)混亂與易失等問題。

1 數(shù)據(jù)及存儲(chǔ)構(gòu)成

塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)通常由采集傳感器、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元構(gòu)成，采集傳感器一般由起重量限制、起重力矩限制、風(fēng)速、幅度、高度、回轉(zhuǎn)角度等傳感器等組成，是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源；數(shù)據(jù)處理單元負(fù)責(zé)采集傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波處理，將數(shù)據(jù)結(jié)果輸出給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)及存儲(chǔ)的基本組成見圖1。

圖1 數(shù)據(jù)及存儲(chǔ)構(gòu)成圖

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 設(shè)計(jì)原理

數(shù)據(jù)處理單元的采集單元實(shí)時(shí)采集各個(gè)采集傳感器動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)寫入緩存隊(duì)列，當(dāng)緩存隊(duì)列數(shù)量達(dá)到濾波處理數(shù)量時(shí)，將該數(shù)量數(shù)據(jù)進(jìn)行出隊(duì)放入排序緩存冒泡算法排序處理（圖2）。采集單元應(yīng)盡可能提高采樣率，在塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)要求的采樣周期內(nèi)，獲取盡量多的采樣數(shù)據(jù)樣本，提高數(shù)據(jù)的可靠性。排序好的數(shù)據(jù)重新寫入排序緩存中并標(biāo)記已排序，然后數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)篩選單元。篩選單元篩選分別去除排序數(shù)據(jù)中兩端偏大偏小的一定數(shù)量數(shù)據(jù)。然后剩余數(shù)據(jù)進(jìn)行相鄰大小差值逐次比較，差值不符合指定閾值范圍內(nèi)的中間值去掉，閾值限制是為了避免傳感器本身的靜態(tài)噪聲干擾波動(dòng)，其中閾值根據(jù)各個(gè)傳感器實(shí)際情況設(shè)定。最后將剩下的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值平滑處理，避免數(shù)據(jù)小范圍變化，即可得到可靠穩(wěn)定的數(shù)據(jù)結(jié)果。

圖2 數(shù)據(jù)處理步序

2.2 重量傳感器實(shí)驗(yàn)

通過上述數(shù)據(jù)采集濾波算法應(yīng)用，針對(duì)目前塔機(jī)重量傳感器普遍出現(xiàn)誤差較大問題，現(xiàn)場(chǎng)以1 100kg 砝碼重量進(jìn)行吊裝擺動(dòng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如由圖3 所示，其中原始數(shù)據(jù)未經(jīng)任何處理，在吊裝過程中，重物擺動(dòng)導(dǎo)致數(shù)據(jù)波動(dòng)頻繁，測(cè)量值與實(shí)際值偏差大，而通過觀察濾波后數(shù)據(jù)可以看出，重量數(shù)據(jù)較為平穩(wěn)，能有效克服塔機(jī)吊裝重量數(shù)據(jù)波動(dòng)大問題，且濾波實(shí)驗(yàn)重量數(shù)值符合實(shí)際重量值±5%以內(nèi)，滿足標(biāo)準(zhǔn)使用要求。

圖3 重量數(shù)據(jù)處理效果

2.3 電壓型傳感器濾波實(shí)驗(yàn)

目前風(fēng)速、幅度、高度、回轉(zhuǎn)角度等傳感器多采用電位器形式，而電位器實(shí)際上為一個(gè)旋轉(zhuǎn)式的滑動(dòng)電阻，原理為固定電阻兩端供電5V，采集滑動(dòng)端電壓變化值換算出機(jī)構(gòu)運(yùn)行的行程量，但是電壓信號(hào)容易受到塔機(jī)變頻器磁場(chǎng)瞬間干擾，造成電壓信號(hào)疊加，偏離實(shí)際值。實(shí)驗(yàn)通過幅度電位器為例，將采集線纜置于運(yùn)行的塔機(jī)變頻器旁，模擬磁場(chǎng)干擾現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4 所示，采樣時(shí)間為200ms/次，原始數(shù)據(jù)出現(xiàn)2 次磁場(chǎng)干擾造成電壓信號(hào)疊加情況，而觀察濾波數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，算法可以有效過濾電磁干擾造成的波峰值，得到平滑數(shù)據(jù)，達(dá)到預(yù)期效果。以此類推，對(duì)于電壓型風(fēng)速儀同樣具有很好抗磁場(chǎng)過濾，避免磁場(chǎng)干擾造成電壓采樣值過大引起風(fēng)速突然變大，錯(cuò)誤發(fā)出報(bào)警提示。

圖4 電位器數(shù)據(jù)處理效果

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

綜上所述，本濾波算法對(duì)重量傳感器吊裝擺動(dòng)、風(fēng)速、幅度、高度、回轉(zhuǎn)角度等電壓型傳感器磁場(chǎng)干擾等過程信號(hào)有明顯過濾作用，并且數(shù)據(jù)平滑處理，符合實(shí)際值誤差范圍內(nèi)，解決傳統(tǒng)塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)重量傳感器在吊裝過程信號(hào)波動(dòng)幅度大，風(fēng)速、幅度、高度、回轉(zhuǎn)角度等電壓型傳感器受磁場(chǎng)干擾信號(hào)激增，無法有效過濾干擾數(shù)據(jù)，造成提前誤報(bào)電子限位報(bào)警，引起塔機(jī)無法正常作業(yè)等采集數(shù)據(jù)不可靠問題。

3 存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

3.1 設(shè)計(jì)原理

掉電保護(hù)循環(huán)存儲(chǔ)主要由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)管理結(jié)構(gòu)兩部分組成，其中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)管理結(jié)果負(fù)責(zé)掉電保護(hù)與循環(huán)存儲(chǔ)。

1）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu) 包含數(shù)據(jù)幀頭、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)內(nèi)容，數(shù)據(jù)校驗(yàn)值4 個(gè)部分，如表1 所示，其中數(shù)據(jù)幀頭2 個(gè)字節(jié)大小，為固定值，由用戶自定義設(shè)置，用于做數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)頭，方便數(shù)據(jù)遍歷查找。

2）數(shù)據(jù)長度 為2 個(gè)字節(jié)大小，用于描述數(shù)據(jù)內(nèi)容的具體存儲(chǔ)多少個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)內(nèi)容長度在0～65 535 范圍內(nèi)。

3）數(shù)據(jù)內(nèi)容 為用戶存儲(chǔ)真實(shí)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)內(nèi)容可以為各個(gè)傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或靜態(tài)數(shù)據(jù)等。

4）數(shù)據(jù)校驗(yàn)值 為2 個(gè)字節(jié)，采用16 位CRC 校驗(yàn)算法，校驗(yàn)從幀頭到數(shù)據(jù)內(nèi)容截止，用于核對(duì)數(shù)據(jù)是否被破壞，存儲(chǔ)是否完整。

5）數(shù)據(jù)管理結(jié)構(gòu) 包括數(shù)據(jù)塊起始地址、數(shù)據(jù)塊大小，數(shù)據(jù)塊數(shù)量，最新存儲(chǔ)地址4 個(gè)部分（表1）。其中，起始地址為標(biāo)識(shí)存儲(chǔ)起始位置；數(shù)據(jù)塊大小表示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)分配的大小；數(shù)據(jù)塊數(shù)量用于限定存儲(chǔ)空間大小，配合數(shù)據(jù)塊大小可以得出結(jié)束地址位置，便于判斷數(shù)據(jù)是否寫入到末端，及時(shí)調(diào)整到起始地址循環(huán)存儲(chǔ)；最新存儲(chǔ)地址為每次寫入數(shù)據(jù)都更新一次寫地址，用于下次上電尋找最新寫入位置，做掉電保護(hù)用。

表1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式樣例

3.2 存儲(chǔ)優(yōu)點(diǎn)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)明確寫入數(shù)據(jù)的格式，且加入CRC 校驗(yàn)算法，每次讀取都進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)核對(duì)，確保每次讀取數(shù)據(jù)可靠性，解決數(shù)據(jù)存儲(chǔ)不穩(wěn)定問題。數(shù)據(jù)管理結(jié)構(gòu)規(guī)定了整個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域的基本信息，明確了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的開始地址、存儲(chǔ)空間大??；最新寫入地址確保了數(shù)據(jù)能夠自動(dòng)覆蓋，循環(huán)存儲(chǔ)，且發(fā)生掉電時(shí)，通過讀取最新寫入地址找到上一次掉電寫入位置，起到掉電保護(hù)作用，解決了數(shù)據(jù)掉電易失問題。

3.3 實(shí)驗(yàn)論證

實(shí)驗(yàn)通過將本存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于Flash 存儲(chǔ)設(shè)備中，每200ms 寫入一次重量、風(fēng)速、幅度、高度、回轉(zhuǎn)角度等傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，每5s斷電1次，間隔5s 重新上電，分別重復(fù)60、90、120 次，模擬系統(tǒng)異常掉電情況，系統(tǒng)是否能起到掉電保護(hù)，穩(wěn)定存儲(chǔ)的作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示，其中丟失數(shù)量指重新上電存儲(chǔ)位置與上一次斷電存儲(chǔ)位置的差值除以存儲(chǔ)塊的大小，數(shù)據(jù)異常數(shù)量值讀取的數(shù)據(jù)不合法的傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，3 次測(cè)試結(jié)果的丟失數(shù)量和數(shù)據(jù)異常數(shù)量均為0，表明本存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)掉電保護(hù)，穩(wěn)定存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，提升傳統(tǒng)安全監(jiān)控系統(tǒng)黑匣子存儲(chǔ)穩(wěn)定性。

表2 存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語

基于上述的數(shù)據(jù)抖動(dòng)平滑濾波算法處理及掉電保護(hù)循環(huán)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，表明該濾波算法可以有效過濾采樣的抖動(dòng)數(shù)據(jù)，提取符合實(shí)際值的數(shù)據(jù)，誤差范圍符合設(shè)計(jì)要求。掉電保護(hù)循環(huán)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以有效提升數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性，同時(shí)解決系統(tǒng)掉電造成數(shù)據(jù)易失，無法循環(huán)存儲(chǔ)等問題，有效解決傳統(tǒng)塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采樣不可靠和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)不穩(wěn)定的痛點(diǎn)，提升了塔機(jī)黑匣子性能。