CN101537981B - 基于超声传感网络的塔式起重机失稳在线监测预警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声传感网络的塔式起重机失稳在线监测预警系统及方法，采用多超声传感器融合技术进行塔机上部结构的摆动和扭动监测，进而获取塔机整体失稳信息，将可能失稳状态及时通知塔机司机。系统包括主控制器模块、监测点模块和参考点模块，三者之间通过无线网络形式进行通信，监测点模块和参考点模块之间的距离采用超声测距原理进行测量。该系统和方法解决了塔机失稳状态监测这一难题，具有抗干扰能力强、实时性好、简单易用的特点，有效降低塔机司机劳动强度，提高塔机失稳监测水平，降低塔机倾覆事故的发生，使塔机安全、高效运行。

Description

基于超声传感网络的塔式起重机失稳在线监测预警系统及方法

技术领域

本发明涉及一种塔式起重机安全监测系统，尤其涉及一种基于超声传感网络的塔式起重机失稳在线监测预警系统以及采用该系统在线监测预警的方法。

背景技术

塔式起重机(以下简称塔机)是建筑行业应用范围最广的一类起重机械，主要用于建筑工地上的水平和垂直吊装，它的工作特点是起吊高度高、工作幅度大，属高空作业。近年来，随着国民经济的快速发展和建筑业规模的扩大，塔机创造了很好的经济和社会效益。

由于城市建设的发展和高层建筑结构的增多，塔机满载率加大，工作繁忙程度加重，塔机在使用过程中出现的倒塌、断臂、碰撞等机毁人亡的重大事故也日益增多。为此，国家相关部门对塔机安全监管十分重视，相继制定了《塔式起重机操作使用规程》、《建筑起重机械安全监督管理规定》、《建筑施工特种作业人员管理规定》等相关国家标准和安全法规，这些规定的出台对保障建筑起重设备安全使用起到了重要作用。但是，近年来塔机事故还是时有发生，并呈上升趋势。据国家安全生产监督管理总局政府网站事故查询系统不完全统计，从2004年1月至2008年12月，国内一次性死亡3人以上的塔机较大安全事故就有34起，造成124人死亡，47人受伤。这些塔机事故的发生造成了严重的人员伤亡和经济损失。有资料对国内120余例塔机事故进行了统计分析，塔机整机倾覆事故所占比例达一半以上，其次是碰撞及塔身、起重臂折断。

塔机的失稳是整机倾覆事故发生的主要原因，对失稳状态的监测显得尤为重要。造成塔机失稳的因素较多，例如载荷的作用性质、作业环境以及作业人员的操作等。现有塔机安全保护系统通常可以监测塔机的实际起升重量、力矩幅值、小车幅度、吊钩高度、回转角度、风速等运行参数，获取塔机的各部分工作状态信息，依靠司机进行整体失稳状态判断。这种监测方法不仅监测参数多，同时也增加了塔机司机劳动强度，大大降低了塔机的工作效率和安全水平。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于，提供一种基于超声传感网络的塔机失稳在线监测预警系统以及采用该系统在线监测预警的方法。

为了实现上述任务，本发明采用如下的技术方案：

一种基于超声传感网络的塔式起重机失稳在线监测预警系统，其特征在于，该系统包括：

一个主控制器模块，用于完成塔身及水平臂监测点的摆动和扭动计算，与失稳模型匹配并进行失稳评价，结果存储并将可能失稳通过人机接口通知塔机司机及时采取有效预防措施；

一个以上的监测点模块，分别布置在塔身和水平臂若干位置，用于观测点的摆动及扭动原始位移监测，并将结果上传主控制器模块；

一个以上的参考点模块，为监测点的原始位移监测提供绝对参考源和相对参考源；

主控制器模块以无线网络方式与监测点模块和参考点模块通信，监测点模块和参考点模块之间距离采用超声形式进行测量。

所述主控制器模块包括：CPU处理单元、存储单元、无线通信单元、人机接口单元和电源等。主控制器模块的CPU处理单元通过无线通信单元实时收集系统监测点与参考点的距离信息并对其进行分析，得出塔机上部摆动和扭动特征信息，输入失稳模型计算得出塔机稳定状态量值，将其结果存储并将可能失稳通过人机接口通知塔机司机。

所述监测点模块包括：CPU处理单元、存储单元、无线通信单元、超声信号接收单元、补偿单元和电源等。监测点模块通过无线通信单元和超声信号接收单元实时接收参考点模块发出的超声信号，进行计算获取其本身与参考点的距离信息，并将该信息实时上传主控制器模块。

所述参考点模块包括：CPU处理单元、存储单元、无线通信单元、超声信号发射单元和电源等。参考点模块通过无线通信单元和超声信号发射单元实时发射超声信号，协同监测点模块进行距离测量。

上述基于超声传感网络的塔式起重机失稳在线监测预警系统的监测方法，其特征在于，该方法采用设置主控制器模块、多个监测点模块和参考点模块实现对塔机上部结构的摆动和扭动进行监测，进而获取塔机整体失稳信息，将可能失稳状态及时通知塔机司机，具体包括如下步骤：

a、主控制器模块、多个监测点模块和多个参考点模块在塔式起重机开机立即初始化；

b、主控制器模块启动无线通信单元，处于等待状态；参考点模块与监测点模块协同工作实时测量监测点与参考点距离；参考点模块将实时测量结果上传主控制器模块；

c、主控制器模块通过处理监测点与参考点的距离信息得出塔机上部摆动和扭动信息，与失稳模型匹配并进行失稳评价；

d、结果存储并将可能失稳通过主控制器模块上的人机接口通知塔机司机。

本发明的基于超声传感网络的塔式起重机失稳在线监测预警系统及其方法，具有抗干扰能力强、实时性好、简单易用的特点，能够有效降低塔机司机劳动强度，提高塔机失稳监测水平，降低塔机倾覆事故的发生，使塔机安全、高效运行。

附图说明

图1为本发明的在线监测系统组成框图；

图2为本发明的摆动、扭动参考点及监测点布置示意图；

图3为本发明的主控制器模块组成框图；

图4为本发明的监测点模块组成框图；

图5为本发明的参考点模块组成框图；

图6为本发明的主控制器模块软件结构图；

图7为本发明的主控制器模块系统管理程序工作流程；

图8为本发明的监测点模块工作流程；

图9为本发明的参考点模块工作流程。

下面结合附图与实施例对本发明做进一步详细说明。

具体实施方式

研究发现，虽然造成塔机整机失稳的因素较多，但在表现形式上，整机失稳通常与塔机上部的摆动及扭动异常有着密切的关系。从钢结构理论分析，塔机作为一种大型钢结构，又与桥梁、塔架、井架等大型钢结构不同，它是不断运动的，其上部结构(塔臂与塔身)是一个低频、大振幅的随机振动系统。实际使用中及停机时由于风载和地面振动的激励塔顶摆幅达300mm以上，起吊重物时塔顶摆幅可达800mm以上，而且摆动的方向和幅度是随机的。

为了解决塔机整机失稳状态监测这一难题，申请人的发明人提出了采用多超声传感器融合技术进行塔机上部结构的摆动和扭动监测，进而获取塔机整体失稳信息这一新方法。超声传感技术的特点在于：

(a)超声传感器测量精度高、范围大、可靠性好，基于超声波测距的产品已在市场上成功推广。

(b)超声传感器具有低成本、无需现场维护的特点，使之非常适合于布置在环境恶劣或人类不易到达的区域。这一特点对于露天高空作业的塔机来讲显然是非常适合的。

(c)超声传感器节点相互之间以及超声传感器节点与数据融合中心可以通过无线网络传递数据和交换信息，适合多传感器信息融合技术实现。

如图1所示，本发明的基于超声传感网络的塔式起重机失稳在线监测预警系统，由主控制器模块、多个监测点模块以及多个参考点模块三部分组成。

主控制器模块主要完成塔身及水平臂(包括平衡臂和起重臂)监测点的摆动和扭动计算，与失稳模型匹配并进行失稳评价，结果存储并将可能失稳信息通过人机接口通知塔机司机及时采取有效预防措施。

监测点模块分别布置在塔身和水平臂若干关键位置，完成观测点的摆动及扭动原始位移监测，并将结果上传主控制器模块。

参考点模块因布置点不同可分为绝对参考点模块和相对参考点模块，但其模块组成相同，为监测点的原始位移监测提供绝对参考源和相对参考源。主控制器模块、监测点模块以及参考点模块都分别设置有无线通信单元，这三类模块之间的控制指令、同步指令、数据信息等通过无线网络方式进行传递。

如图2所示，本发明的一个实施例中，本发明的主控制器模块、监测点模块以及参考点模块的布局如图所示。

主控制器模块位于塔机驾驶室，用于完成塔身及水平臂监测点的摆动和扭动计算，与失稳模型匹配并进行失稳评价，结果存储并将可能失稳信息通过人机接口通知塔机司机及时采取有效预防措施；

监测点模块1～4分别位于塔身顶升套架外侧监测点1～4，监测点模块5位于塔机平衡臂尾部监测点5，监测点模块6位于塔机起重臂前端监测点6；

参考点模块分为绝对参考源和相对参考源，其中相对参考源位于塔帽上部的参考源3，该位置布置参考点模块3和参考点模块4，分别朝向监测点5和监测点6；绝对参考源1位于监测点1和2朝向某地面固定点，该位置布置参考点模块1，绝对参考源2位于监测点3和4朝向某地面固定点，该位置布置参考点模块2。

在线监测预警系统通过监测点1～4的位移监测通过融合计算得出塔机上部摆动和扭动信息。通过监测点5～6的相对位移监测实现水平臂的相对塔帽的摆动监测，其绝对运动可通过塔身绝对坐标系变换实现。

塔身上部摆动监测工作流程如下：塔身上部摆动监测流程：使用超声传感器测量监测点1，2与绝对参考源1的距离信息r1，r2，以及监测点3，4与绝对参考源2的距离信息r3，r4后，通过(r1，r2)信息融合及(r3，r4)信息融合，实时获取塔身上部标准节水平中心点的相互垂直两个方向上的摆动信息，即摆幅大小、摆动平衡位置与对应的时间。

塔身上部扭动监测工作流程如下：使用超声传感器测量监测点1，2与绝对参考源1的距离信息r1，r2，以及监测点3，4与绝对参考点2的距离信息r3，r4后，通过(r1，r2，r3，r4)信息融合，实时获取塔身上部标准节的扭动信息，即扭幅大小、及扭动周期。

塔臂摆动监测工作流程如下：使用超声传感器测量监测点5，6与相对参考源3的距离信息(r5，r6)获取平衡臂和起重臂摆动的相对运动情况，再通过坐标变换获得水平臂的绝对摆动信息。

上述摆动及扭动信息以及趋势预测将作为塔机的失稳预警信息。

图3给出了本发明的一个具体实施例，在实施例中，主控制器模块核心处理器采用ARM920T系列的S3C2440处理器，ARM920T具有全性能的MMU、指令和数据Cache以及高速AMBA总线接口。作为S3C2440芯片的CPU芯核，16/32位ARM920T RISC微处理器采用0.13um CMOS标准单元结构，具有独立的16kB指今缓存和16kB数据缓存。外围扩展存储器采用64M的NANDFlash，用来存储引导程序、内核程序、文件系统和应用程序。键盘显示模块采用触摸式LCD显示器，进行系统参数设置和状态显示。USB接口通过接入移动闪存盘存储塔机失稳监测数据。无线通信单元采用具有802.15.4通信协议的cc2480芯片，与其他无线通信单元组成Mesh网，该单元通过串口与处理器连接。音频输出模块用来输出塔机可能危险状态，提醒塔机司机安全操作。JTAG接口用来非侵入式调试主控制器模块。主控制器模块的CPU处理单元通过无线通信单元实时收集系统监测点与参考点的距离信息并对其进行分析，得出塔机上部摆动和扭动特征信息，输入失稳模型计算得出塔机稳定状态量值，将其结果存储并通过人机接口通知塔机司机。

图4给出了本发明的一个具体实施例，在实施例中，监测点模块由CPU处理单元、Flash存储单元、无线通信模块、超声接收模块、温度补偿模块、JTAG接口和电源等组成。CPU处理单元选用C8051F330处理器，该处理器具有CIP-51微控制器内核，CIP-51与MCS-51指令集完全兼容，C8051F330器件是完全集成的混合信号片上系统型MCU，C8051F330单片机片内资源丰富，包括1个全速、非侵入式的在系统调试接口(片内)，10位200ksps的16通道单端/差分ADC，带模拟多路器，10位电流输出DAC，高精度可编程的25MHz内部振荡器，8KB可在系统编程的Flash存储器，768字节片内RAM，硬件实现的SMBus/I²C、增强型UART和增强型SPI串行接口，17个端口I/O(容许5V输入)。JTAG接口以非侵入式调试监测点模块程序。无线通信单元采用具有802.15.4通信协议的cc2480芯片，并与其他无线通信单元组成Mesh网。Flash存储器用来保存监测点模块相关参数。超声接收模块由超声波传感器(接收型)、放大电路和滤波电路组成，用来实时接收监测点的超声波距离信号。温度检测模块由温度传感器、调理电路组成，监测环境温度，进行超声距离测量精度补偿。监测点模块通过无线通信单元和超声信号接收单元实时接收参考点模块发出的超声信号，通过计算获取其本身与参考点的距离信息，并将该信息实时上传主控制器模块。

图5给出了本发明的一个具体实施例，在实施例中，参考点模块由CPU处理单元、存储单元、无线通信单元、超声信号发射单元和电源等组成。CPU处理单元选用C8051F330处理器。JTAG接口以非侵入式调试监测点模块软件。无线通信单元采用具有802.15.4通信协议的cc2480芯片，并与其他无线通信单元组成Mesh网。Flash存储器用来保存参考点模块相关参数。超声发射模块由超声波传感器(发射型)、驱动电路组成，用来实时向监测点发射超声波距离信号，该超声波距离信号具备参考点身份识别信息，同时还具有伪随机码信息，以提高系统距离测量精度。参考点模块通过超声发射模块实时向监测点模块发射超声信号，协同监测点模块进行监测点位移监测。

图6给出了本发明的一个具体实施例，在实施例中，主控制器模块中的软件结构分为三层，底层为驱动程序层，包括串口驱动程序、USB驱动程序、LCD驱动程序、音频驱动程序、触摸屏驱动程序和Flash驱动程序，这些驱动程序为系统应用软件提供对应底层硬件操作接口。中间层为嵌入式Linux操作系统，本实施例中，选用了裁剪过Linux 2.6.13内核，去掉不需要的功能模块，有效减小系统规模，提供系统的实时性。最上层是应用软件层，包括系统管理程序、失稳计算程序、系统校准程序、无线网络传输程序和yaffs文件系统。系统管理程序是塔机失稳监测的主程序，完成系统总体管理工作，主要包括系统工作参数管理、系统校准管理、失稳监测管理、数据存储管理等；失稳计算程序综合塔机监测点数据，计算塔机的摆动和扭动状态，与失稳模型匹配并进行失稳评价，输出计算结果；系统校准程序负责系统工作精度的校准工作；无线网络传输程序通过串口驱动完成与无线通信的连接，负责系统自定义数据通信解析；yaffs文件系统负责对系统的逻辑文件进行管理，包括对逻辑文件的复制、删除、修改等操作，该文件系统通过Flash驱动实现移动闪存的文件操作，实现系统工作数据保存和备份。

图7给出了本发明的一个具体实施例，在实施例中，主控制器模块系统管理程序工作流程如下：操作人员通过触摸屏选择启动主控制器模块系统管理程序，系统首先进入自检状态，巡检自身状态、各监测点状态和各参考点状态，如果发现故障则通过LCD显示器图像文字显示和通过音频方式提醒操作者进行故障检查及排除，若故障排除，管理程序重新进行系统自检，若自检通过，进入系统功能选择界面，主要包括设定系统参数、系统校准、启动失稳监测和关闭系统。若选择设定系统参数，系统进入工作参数设定界面，设置相关系统参数，先进行主控制器参数设定，然后依次通过无线网络设定参考点模块参数和监测点模块参数，并在系统工作参数保存后返回系统功能选择界面；若选择系统校准功能，进行系统校准，在各硬件模块准备就绪后，启动系统校准程序，完成各监测点模块距离测量精度校准以及摆动、扭动监测模型调整，校准完成后返回；若选择启动失稳监测功能，依次启动参考点模块、监测点模块，并启动失稳计算程序，在完成一组监测点数据接收后，进行失稳计算，评价塔机系统失稳风险，若存在失稳可能，则进行语音报警并保存监测数据，相反则在保存监测数据后在LCD上显示监测结果，然后进行再次循环监测，直至系统关闭退出；若管理程序收到关闭系统指令，首先保存工作参数，然后向各检测点模块和参考点模块发送停机指令，在收到各检测点模块和参考点模块停机确认信息后退出关闭管理程序。

图8给出了本发明的一个具体实施例，在实施例中，各监测点模块工作流程如下：监测点模块主程序在收到主控制器模块发送的启动指令后，进行模块功能初始化，然后进入工作模式选择状态，等待主控制器模块发送工作指令。若选择系统设定模式，主程序接收工作参数进行保存并更改当前工作参数，随后进入停机模式。若选择停机模式，则首先上传本模块停机信号告知主控制器模块，然后停机，即进入模块低功耗状态。若选择超声接收模式，首先通过无线通信网络获取本次参考点发射的伪随机码，若未收到则再次查询接收伪随机码，若收到伪随机码，启动超声信号接收，进行距离计算。在接收到超声信号后，进行自相关解调，获取超声精确起始点，在进行温度补偿后，计算出本次本监测点距离参考点的距离数据，通过无线网络上传本次数据。上传结束手，查询是否要求停机，若不停机，则返回伪随机码接收查询准备下一次监测；若要求停机，则返回到停机模式。

图9给出了本发明的一个具体实施例，在实施例中，各参考点模块工作流程如下：参考点模块主程序在收到主控制器模块发送的启动指令后，进行模块功能初始化，然后进入工作模式选择状态，等待主控制器模块发送工作指令。若选择系统设定模式，主程序接收工作参数进行保存并更改当前工作参数，随后进入停机模式。若选择停机模式，则首先上传本模块停机信号告知主控制器模块，然后停机，即进入模块低功耗状态。若选择超声发射模式，首先产生本次伪随机码，通过无线网络发射本次伪随机码，超声波形数据经过伪随机码调制进行超声发射，发射结束后，查询是否要求停机。若不停机，则返回到随机码产生处，准备下一次发射；若要求停机，则返回到停机模式。

以上列举仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到所有变形，均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于超声传感网络的塔式起重机失稳在线监测预警系统，其特征在于，该系统包括：

一个主控制器模块，用于完成塔身的摆动和扭动计算以及水平臂的摆动计算，与失稳模型匹配并进行失稳评价，结果存储并将可能失稳信息通过人机接口通知塔机司机及时采取有效预防措施；

六个监测点模块，其中，四个监测点模块布置在塔身，它们分别位于塔身顶升套架外侧，以监测塔身的摆动和扭动原始位移；两个监测点模块布置在水平臂上，其中一个位于塔机平衡臂尾部，另一个位于塔机起重臂前端，以监测水平臂的摆动原始位移；并将结果上传主控制器模块；

三个参考点模块，其中两个参考点模块为监测点的原始位移监测提供绝对参考源，一个参考点模块为监测点的原始位移监测提供相对参考源；

主控制器模块以无线网络方式与监测点模块和参考点模块通信，监测点模块和参考点模块之间距离采用超声形式进行测量。

2.如权利要求1所述的基于超声传感网络的塔式起重机失稳在线监测预警系统，其特征在于，所述的主控制器模块包括：CPU处理单元、存储单元、无线通信单元、人机接口单元和电源，主控制器模块的CPU处理单元通过无线通信单元实时收集系统监测点与参考点的距离信息并对其进行分析，得出塔机上部摆动和扭动特征信息，输入失稳模型计算得出塔机稳定状态量值，将其结果存储并通过人机接口通知塔机司机。

3.如权利要求1所述的基于超声传感网络的塔式起重机失稳在线监测预警系统，其特征在于，所述的监测点模块包括：CPU处理单元、存储单元、无线通信单元、超声信号接收单元、补偿单元和电源；监测点模块通过无线通信单元和超声信号接收单元实时接收参考点模块发出的超声信号，进行计算获取监测点模块本身与参考点模块的距离信息，并将该信息实时上传至主控制器模块。

4.如权利要求1所述的基于超声传感网络的塔式起重机失稳在线监测预警系统，其特征在于，所述的参考点模块包括：CPU处理单元、存储单元、无线通信单元、超声信号发射单元和电源；参考点模块通过无线通信单元和超声信号发射单元实时发射超声信号，协同监测点模块进行距离测量。

5.权利要求1所述的基于超声传感网络的塔式起重机失稳在线监测预警系统的监测方法，其特征在于，该方法采用设置主控制器模块、多个监测点模块和多个参考点模块实现对塔机上部结构的摆动和扭动进行监测，进而获取塔机整体失稳信息，将可能失稳状态及时通知塔机司机，具体包括如下步骤：

a、主控制器模块、多个监测点模块和多个参考点模块在塔式起重机开机立即初始化；

b、主控制器模块启动无线通信单元，处于等待状态；参考点模块与监测点模块协同工作实时测量监测点与参考点距离；参考点模块将实时测量结果上传主控制器模块；

c、主控制器模块通过处理监测点与参考点的距离信息得出塔机上部摆动和扭动信息，与失稳模型匹配并进行失稳评价；

d、将可能失稳信息存储并通过主控制器模块上的人机接口通知塔机司机。

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