塔式起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

張慶豐 陸 凱 吳 鋒 史 海 丁高耀

寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 寧波 315048

0 引言

目前，塔式起重機(jī)（以下簡稱塔機(jī)）安全事故時(shí)有發(fā)生，并呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢。為有效降低違章操作帶來的風(fēng)險(xiǎn)隱患，減少塔機(jī)事故，塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用給施工企業(yè)安全管理部門提供了一種全新的科技管理手段，降低塔機(jī)在施工現(xiàn)場發(fā)生安全事故的頻率。塔機(jī)監(jiān)管部門通過監(jiān)控系統(tǒng)對工地塔機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行掌控，實(shí)現(xiàn)了由過去盲目的、粗放的監(jiān)管向準(zhǔn)確、精細(xì)監(jiān)管的轉(zhuǎn)變。

近年來，國內(nèi)在塔機(jī)監(jiān)控智能化領(lǐng)域的研究不斷深入，在此期間不斷有研究成果和產(chǎn)品出現(xiàn)。國內(nèi)某公司開發(fā)的塔機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng) GBST-100[1]可使塔機(jī)安全監(jiān)控前端監(jiān)控裝置和后端遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺無縫融合，可在實(shí)現(xiàn)塔機(jī)現(xiàn)場安全監(jiān)控的同時(shí)通過遠(yuǎn)程高速無線數(shù)據(jù)傳輸，將塔機(jī)運(yùn)行工況安全數(shù)據(jù)和報(bào)警信息實(shí)時(shí)發(fā)送到遠(yuǎn)程GIS可視化監(jiān)控平臺，并模擬塔機(jī)的全方位運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程報(bào)警和遠(yuǎn)程告知。某大學(xué)研究開發(fā)了一種基于信息技術(shù)的塔機(jī)遠(yuǎn)程安全監(jiān)控系統(tǒng)[2]，該遠(yuǎn)程安全監(jiān)控系統(tǒng)是綜合了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信傳感技術(shù)、信息通訊技術(shù)等高科技的智能平臺，實(shí)現(xiàn)對塔機(jī)運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)安全監(jiān)控，只要GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋到的地方都在可監(jiān)控的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了在辦公室登錄互聯(lián)網(wǎng)即可查看塔機(jī)的工作參數(shù)。

本文建立的塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)以dsPIC30F系列數(shù)字信號控制器為控制核心，采用以CAN總線為通訊方式的主從2級控制方式，可對塔機(jī)的起升高度、回轉(zhuǎn)角度、回轉(zhuǎn)幅度、起重量限制器等關(guān)鍵信號進(jìn)行采集處理。若信號數(shù)據(jù)值超過額定值，系統(tǒng)能發(fā)出預(yù)警或切斷線路禁止塔機(jī)繼續(xù)向危險(xiǎn)方向運(yùn)行。該系統(tǒng)不但能通過LCD液晶顯示技術(shù)對塔機(jī)的狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，有效提高人機(jī)交互功能，而且經(jīng)USB主從機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，可將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至U盤中，為分析塔機(jī)的工作狀態(tài)提供依據(jù)，并加入4G DTU無線傳輸模塊，實(shí)現(xiàn)塔機(jī)工作狀態(tài)數(shù)據(jù)通過塔石云服務(wù)云平臺上傳至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，為監(jiān)察部門提供塔機(jī)工作狀態(tài)數(shù)據(jù)創(chuàng)造條件。

1 總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)分為塔機(jī)端和遠(yuǎn)程端，塔機(jī)端和遠(yuǎn)程端采用4G DTU無線傳輸模塊，而塔機(jī)端的主從控制系統(tǒng)采用CAN通訊，如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心包括客戶端和服務(wù)器?？蛻舳送ㄟ^端口接收4G DTU模塊發(fā)送塔機(jī)的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，并通過上位機(jī)軟件對塔機(jī)狀態(tài)實(shí)施監(jiān)控。塔機(jī)端包括主控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集從控系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集從控系統(tǒng)讀取、處理、存儲(chǔ)關(guān)鍵信號值，再通過CAN總線把關(guān)鍵信號數(shù)據(jù)發(fā)送給主控系統(tǒng)。主控系統(tǒng)判斷從控系統(tǒng)發(fā)送來的數(shù)據(jù)是否達(dá)到預(yù)警值，是否需要發(fā)出報(bào)警或者切斷信號指令，并實(shí)現(xiàn)LCD液晶顯示，工作狀態(tài)信息存儲(chǔ)和4G DTU無線傳輸模塊等功能。該系統(tǒng)軟件包括遠(yuǎn)程監(jiān)控端軟件實(shí)現(xiàn)的上位機(jī)功能和塔機(jī)端下位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)的下位機(jī)功能。

1.1 遠(yuǎn)程監(jiān)控端軟件實(shí)現(xiàn)的上位機(jī)功能

在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心端通過塔石云服務(wù)云端建立4G DTU 塔機(jī)工作狀態(tài)數(shù)據(jù)通訊鏈路，在監(jiān)控中心PC端以圖表形式實(shí)時(shí)顯示塔機(jī)起升高度、幅度、回轉(zhuǎn)角度和起重量限制器。若參數(shù)超限，塔機(jī)端和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心端同時(shí)報(bào)警，并可在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心端發(fā)出控制命令，通過無線通訊實(shí)現(xiàn)對塔機(jī)端的控制。

1.2 塔機(jī)端下位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)的下位機(jī)功能

1）關(guān)鍵信號的采集、處理、存儲(chǔ)，并讀取存儲(chǔ)的報(bào)警數(shù)據(jù)；

2）CAN模塊設(shè)置，實(shí)現(xiàn)主從控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊和命令控制；

3）主控系統(tǒng)端鍵盤輸入、液晶顯示以及報(bào)警控制；

4）dsPIC30F主控系統(tǒng)串口UART設(shè)置，實(shí)現(xiàn)主控系統(tǒng)與USB存儲(chǔ)模塊和4G DTU 無線傳輸模塊的通訊。

2 監(jiān)控系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

2.1 主從控制系統(tǒng)控制器的選擇

dsPIC30F數(shù)字信號控制器[3]既擁有16位單片機(jī)功能強(qiáng)大的外圍設(shè)備和快速中斷處理能力，又兼具數(shù)字信號處理器的計(jì)算能力和數(shù)據(jù)吞吐能力，融合了可管理高速計(jì)算活動(dòng)的數(shù)字信號處理器功能，執(zhí)行指令速度可達(dá)30 MIPS。

dsPIC30F4012帶有28個(gè)引腳、6個(gè)10位A/D轉(zhuǎn)換通道、1個(gè)CAN2.0總線模塊、8個(gè)CN電平變化輸入、3個(gè)外部中斷源，其功耗低，能在工業(yè)級溫度和擴(kuò)展級溫度范圍內(nèi)工作，適應(yīng)很寬的工作電壓。dsPIC30F4012外圍的配置及性能完全能滿足監(jiān)控系統(tǒng)對關(guān)鍵信號數(shù)據(jù)的采集、處理和通訊，故選用dsPIC30F4012為從控系統(tǒng)控制器。dsPIC30F4012的最小系統(tǒng)電路如圖2所示。

圖2 dsPIC30F4012最小系統(tǒng)電路圖

LCD顯示和報(bào)警控制模塊需占用主控制器較多的I/O口，約需20～30個(gè)引腳。4G DTU無線傳輸模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊共需占用2個(gè)UART口，而dsPIC30F6010自帶80個(gè)引腳，其中54個(gè)為可編程數(shù)字I/O口，2個(gè)帶有FIFO緩沖區(qū)的UART模塊，2個(gè)符合2.0B協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的CAN模塊，故選用dsPIC30F6010為主控系統(tǒng)控制器。dsPIC30F6010的最小系統(tǒng)電路與dsPIC30F4012類似，不再累述。

2.2 數(shù)據(jù)采集從控系統(tǒng)

1）電壓型信號采集從控系統(tǒng)

起升高度值、回轉(zhuǎn)角度值、幅值的采集傳感器采用的均為DXZ型多功能行程限位器。DXZ型多功能行程限位器主要由高精度大傳動(dòng)比的減速器和與其輸出軸同步的機(jī)械記憶凸輪控制機(jī)構(gòu)、角度傳感器（電位器）組成，如圖3所示。

圖3 DXZ型多功能行程限位器

該傳感器對關(guān)鍵信號的采集主要由電氣信號與機(jī)械信號共同作用，對角度傳感器施加規(guī)定的工作電壓，隨著塔機(jī)的起升、回轉(zhuǎn)、變幅機(jī)構(gòu)卷筒軸帶動(dòng)行程限位開關(guān)輸入軸的旋轉(zhuǎn)，使角度傳感器信號輸出端產(chǎn)生電壓產(chǎn)生變化。因此，通過記憶凸輪動(dòng)作微動(dòng)開關(guān)的零點(diǎn)校正及監(jiān)測角度傳感器輸出端電壓信號，即可實(shí)時(shí)監(jiān)控塔機(jī)的起升高度、回轉(zhuǎn)角度及幅值。

以DXZ型多功能限位器為例，其精度等級為0.05，絕緣電阻為750Ω，防護(hù)等級為IP66，靈敏度為1.0 mV/V，最大供橋電壓為15 V，輸出信號為0～9 V電壓模擬信號。

由此可見，電位器的輸出信號為0～9 V的電壓模擬信號，而dsPIC30F4012的A/D轉(zhuǎn)換通道的電壓信號輸入范圍是0～5 V，A/D轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓也為5 V，故需對電位器的輸出電壓范圍調(diào)整至0～5 V。圖4為從控系統(tǒng)控制器采集電位器輸出電壓的電路，輸出信號通過由精密放大器OP27組成的電壓跟隨器的阻抗匹配，又經(jīng)電阻R2、可調(diào)電阻R3、R5的分壓作用，使輸出信號的電壓范圍在A/D通道的輸入范圍內(nèi)。輸出端2個(gè)穩(wěn)壓二極管的作用是使輸出電壓信號鉗位在0～5 V，保護(hù)dsPIC30F4012的A/D端口。

圖4 電壓信號采集原理

2）電流型信號采集從控系統(tǒng)

起重量限制器可選用ZX軸銷式傳感器，如圖5所示，其精度等級為0.05，輸入阻抗為750Ω，絕緣電阻≥5 000 MΩ，防護(hù)等級為IP66，靈敏度為1.0 mV/V，輸出阻抗為750Ω，最大供橋電壓為24 V，輸出信號為4～20 mA電流信號。

圖5 ZX軸銷式傳感器

由此可見，起重量傳感器的輸出信號為4～20 mA的電流模擬信號，首先要轉(zhuǎn)化成電壓信號，如圖6所示。電流信號經(jīng)精密放大器輸入端的2個(gè)精密采樣電阻R61、R62轉(zhuǎn)化成電壓信號，其余電路原理與電壓信號采樣原理類似，經(jīng)阻抗變換和電阻分壓后，通入A/D轉(zhuǎn)換口。

圖6 電流信號采集原理

2.3 CAN通訊模塊

塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的底層傳感器信號采集系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)向主控控制器發(fā)送工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，且能接收主控系統(tǒng)的命令。要求實(shí)時(shí)性好、可靠性高、信號采集點(diǎn)可擴(kuò)展，一個(gè)傳感器采集模塊的增加、減少和破壞，不會(huì)影響其余節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通訊。CAN通訊不僅傳輸速度快、抗干擾性強(qiáng)、適合于構(gòu)建分布式控制系統(tǒng)[4]，且能根據(jù)CAN模塊中設(shè)置過濾屏蔽功能來決定是否接收該報(bào)文，故CAN通訊適用于塔機(jī)的安全監(jiān)控系統(tǒng)中。

為使監(jiān)控系統(tǒng)中各個(gè)數(shù)據(jù)采集從控系統(tǒng)獨(dú)立與主控系統(tǒng)傳遞數(shù)據(jù)，而各從控系統(tǒng)保持互不干擾，相互不接收數(shù)據(jù)，可通過設(shè)置報(bào)文幀的ID值、CAN模塊屏蔽寄存器和接收過濾器的設(shè)置來實(shí)現(xiàn)。從控系統(tǒng)與主控系統(tǒng)間的CAN通訊硬件布局如圖7所示，可根據(jù)實(shí)際需要增加塔機(jī)工作狀態(tài)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)。

圖7 CAN節(jié)點(diǎn)硬件布置

2.4 USB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)接口電路

塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊選用深圳某公司的串口記錄儀，如圖8所示。塔機(jī)的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)從控系統(tǒng)控制器dsPIC30F4012的CAN控制器發(fā)送到CAN總線，主控系統(tǒng)控制器接收到數(shù)據(jù)后，經(jīng)主控制器的串口UART模塊發(fā)送給串口數(shù)據(jù)記錄儀，從而將塔機(jī)的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在記錄模塊的U盤上。

圖8 串口數(shù)據(jù)記錄模塊

該記錄儀與主控控制器的接口電路十分簡單，只需要互連兩者的UART模塊端口。主控系統(tǒng)存儲(chǔ)塔機(jī)工作狀態(tài)數(shù)據(jù)主要通過主控芯片對記錄儀實(shí)行串口通訊來實(shí)現(xiàn)，對記錄儀的操作主要包括數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和存儲(chǔ)文件的操作指令。

1）數(shù)據(jù)的存儲(chǔ) 引腳ST端口為高電平，記錄儀處于數(shù)據(jù)傳輸模式。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)只需主控系統(tǒng)通過串口向記錄儀直接發(fā)送數(shù)據(jù)，無需任何指令，自動(dòng)將串口數(shù)據(jù)保存到U盤。

2）存儲(chǔ)文件操作指令 此時(shí)引腳ST端口為低電平，記錄儀處于指令操作模式。常用的文件操作指令有讀磁盤數(shù)據(jù)、刪除文件、復(fù)位、新建目錄文件夾等，新建子目錄文件夾、TXT與16進(jìn)制顯示選擇。若要執(zhí)行以上文件操作指令，需要主控系統(tǒng)向串口記錄儀發(fā)送命令字，當(dāng)記錄儀接收到命令字，發(fā)出對應(yīng)的相應(yīng)，則表示執(zhí)行相應(yīng)的指令成功。串口記錄儀的運(yùn)行流程如圖9所示。

圖9 串口記錄儀運(yùn)行流程圖

2.5 4G DTU無線傳輸模塊

為了實(shí)現(xiàn)塔機(jī)工作狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，需要在塔機(jī)端和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心端配備無線通訊設(shè)施，可采用4G DTU TAS-LTE-363無線傳輸設(shè)備，如圖10所示，圖11為塔石設(shè)備的應(yīng)用原理。

圖10 TAS-LTE-363無線設(shè)備

圖11 塔石設(shè)備應(yīng)用原理圖

通過該遠(yuǎn)程無線傳輸設(shè)備，塔機(jī)端和監(jiān)控端的數(shù)據(jù)傳輸方式有點(diǎn)對點(diǎn)和多對一。點(diǎn)對點(diǎn)傳輸方式是在塔機(jī)端和監(jiān)控端分別配置一塔石設(shè)備，通過在塔機(jī)端和監(jiān)控端對塔石設(shè)備實(shí)施串口數(shù)據(jù)通訊，即可實(shí)現(xiàn)1臺塔機(jī)的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸給監(jiān)控中心。如果監(jiān)控中心要對多臺塔機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控，則需采用多對一的傳輸方式。每個(gè)塔機(jī)端需要配置1臺TAS-LTE-363，在監(jiān)控端配置1臺TAS-LTE-363，監(jiān)控端塔石設(shè)備采用輪詢的方式接收塔機(jī)端塔石設(shè)備的數(shù)據(jù)，即可在監(jiān)控端顯示塔機(jī)的工作狀態(tài)。同理，在監(jiān)控端發(fā)送命令數(shù)據(jù)，通過塔石設(shè)備和塔石云服務(wù)云平臺可對塔機(jī)端實(shí)施控制。

TAS-LTE-363的硬件接口很簡單，在遠(yuǎn)程監(jiān)控端用標(biāo)準(zhǔn)RS232接口連接PC機(jī)和塔石設(shè)備。在塔機(jī)端，主控制器上的UART接口連接TTL轉(zhuǎn)232模塊，再連接TAS-LTE-363上的RS232接口。該設(shè)備只需在軟件上通過簡單的串口通訊操作，即可實(shí)現(xiàn)塔機(jī)端到遠(yuǎn)程監(jiān)控端的雙向數(shù)據(jù)透明傳輸。

2.6 預(yù)警控制模塊功能

1）若塔機(jī)的工作狀態(tài)參數(shù)達(dá)到報(bào)警值，則蜂鳴、燈光顯示起報(bào)警作用；

2）工作狀態(tài)值繼續(xù)增大，影響到塔機(jī)安全使用時(shí)，必須停止機(jī)構(gòu)向危險(xiǎn)方向繼續(xù)運(yùn)行。這就需要主控系統(tǒng)控制器的I/O口輸出動(dòng)作信號，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路，使串入到機(jī)構(gòu)運(yùn)行電氣線路中的繼電器動(dòng)作，從而切斷相應(yīng)機(jī)構(gòu)繼續(xù)向危險(xiǎn)方向運(yùn)動(dòng)，確保塔機(jī)安全運(yùn)行。

3 監(jiān)控系統(tǒng)精度性能分析

3.1 采集單元精度分析

監(jiān)控系統(tǒng)對起升高度、回轉(zhuǎn)角度、幅值等關(guān)鍵信號的采集采用DXZ多功能限位器中的電位器來測量，從電氣方面看，關(guān)鍵信號值的采集精度主要取決于電位器的非線性度和A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度，電位器的獨(dú)立非線性度為0.1%, 10位AD轉(zhuǎn)換非線性度為0.5%，遠(yuǎn)小于GB/T 28264—2017《起重機(jī)械 安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》對起升高度、幅度、回轉(zhuǎn)角度綜合相對誤差不大于5%的規(guī)定[5]。

起重量限制器ZX軸銷式傳感器的輸出信號是電流信號，經(jīng)采樣電阻轉(zhuǎn)化為電壓模擬信號，誤差分析情況與電位器類似。ZX軸銷式傳感器的精度等級為0.05，為傳感器一級精度，起重量綜合誤差主要取決于AD轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換精度和外界干擾。同理，起重量綜合誤差也滿足GB/T 28264—2017《起重機(jī)械 安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》的規(guī)定。

3.2 采樣周期

dsPIC30F系列數(shù)字信號控制器指令執(zhí)行速度可達(dá)30 MIPS，主從控制系統(tǒng)的控制器CPU執(zhí)行速度快，A/D轉(zhuǎn)換器最大轉(zhuǎn)換速度為500 ksps，作為主從控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊的CAN模塊最大速度可達(dá)1 Mb/s。因此，在系統(tǒng)軟件中合理設(shè)置數(shù)據(jù)采集周期，遠(yuǎn)遠(yuǎn)可滿足GB/T 28264—2017《起重機(jī)械 安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》中系統(tǒng)實(shí)際程序的掃描周期不大于100 ms的規(guī)定。

3.3 存儲(chǔ)時(shí)間

串口記錄儀器存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)自帶有時(shí)間戳，滿足存儲(chǔ)數(shù)據(jù)需要有年/月/日/時(shí)/分/秒的格式要求。假設(shè)串口通訊波特率為9 600 b/s，該記錄儀連續(xù)不間斷地存儲(chǔ)，自帶的32 GB存儲(chǔ)空間被存儲(chǔ)完需要1 a時(shí)間，遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定需要有30個(gè)連續(xù)工作日存儲(chǔ)量的要求。

4 結(jié)論

1）本文搭建了一種以dsPIC30F系列數(shù)字信號控制器為控制核心的基于CAN總線的主從控制式的塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)，這種主從分布式控制系統(tǒng)方便了關(guān)鍵信號采集點(diǎn)的增加，只需將數(shù)據(jù)采集從控系統(tǒng)接入到CAN總線即可。減少了信號增加點(diǎn)與主控芯片間的引線，有效降低了傳感器與信號采集處理系統(tǒng)的距離，減小了外界對控制系統(tǒng)的干擾，且無需占用主控芯片的硬件資源，具有實(shí)時(shí)性好、可靠性高、易于擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)。

2）確立了串口數(shù)據(jù)記錄儀為監(jiān)控系統(tǒng)的USB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，并在硬件上介紹了與主控系統(tǒng)間的電氣接口，在軟件上介紹了文件操作指令。這種USB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式滿足了監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)時(shí)性、存儲(chǔ)時(shí)間上的要求；確立了4G DTU 模塊TAS-LTE-363為塔機(jī)端與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心端的無線傳輸模塊，為實(shí)現(xiàn)監(jiān)管部門對塔機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控做好鋪墊。

3）根據(jù)GB/T 28264—2017《起重機(jī)械 安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》的相關(guān)要求，設(shè)計(jì)的塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)滿足在信號采集精度、實(shí)時(shí)性、歷史追溯性、存儲(chǔ)時(shí)間方面的要求。