CN103552942A

CN103552942A - 具有自诊断功能的塔式起重机远程监控电路

Info

Publication number: CN103552942A
Application number: CN201310534916.0A
Authority: CN
Inventors: 李郑; 郑红梅; 丁曙光; 潘友杰; 阚文年
Original assignee: ANHUI CONSTRUCTION MACHINERY Co Ltd
Current assignee: ANHUI CONSTRUCTION MACHINERY Co Ltd
Priority date: 2013-11-01
Filing date: 2013-11-01
Publication date: 2014-02-05

Abstract

本发明公开了一种具有自诊断功能的塔式起重机远程监控电路，包括多个传感器、采样电路、主控电路、显示电路、报警电路、继电器驱动电路和GPRS无线通信模块；主控电路包括中央处理器和自诊断电路；每一个传感器都与采样电路相连接，采样电路和显示电路均与主控电路的中央处理器相连接；报警电路和GPRS无线通信模块均与主控电路自诊断电路的自诊断电路相连接；传感器包括称重传感器、回转传感器、变幅传感器、高度传感器、风速传感器、电压传感器、电流传感器和温度传感器。本发明的具有自诊断功能的塔式起重机远程监控电路，具有可实现塔式起重机的运行状态的远程监控、提高塔式起重机的运行安全性和可靠性等优点。

Description

具有自诊断功能的塔式起重机远程监控电路

技术领域

本发明涉及一种具有自诊断功能的塔式起重机远程监控电路。

背景技术

塔式起重机（tower crane）简称塔机，亦称塔吊，由金属结构、工作机构和电气系统三部分组成。金属结构包括塔身、动臂和底座等。工作机构有起升、变幅、回转和行走四部分。电气系统包括电动机、控制器、配电柜、连接线路、信号及照明装置等。随着近年来建筑行业塔吊的大量使用，由于塔吊违规超限作业和塔吊群干涉碰撞等引发的各类塔吊运行安全事故频繁发生，造成了巨大的生命财产损失。安全事故的经验教训表明，必须对塔吊使用过程和行为及时进行有效的监管才能切实控制设备运行过程中的危险因素和安全隐患，预防和减少塔吊安全生产事故发生。

在传统的塔机安全监控仪表中，常常采用视频监控的方式，由工作人员通过视频对塔机的状态进行监控，这种视频监控方式存在有实时性差、数据处理慢、传输距离短、不能组成监控网络进行统一管理等缺点，同时监控电路局限于单机版的监控电路或者小范围的塔机群控监控电路，都存在监控范围小、不便于管理等缺点。这对塔机事故原因分析和后台的数据管理带来极大的不便。而且这种监控方式时刻都需要工作人员值守，同时一旦工作人员出现疏忽或缺席，很容易出现安全事故。

现有塔式起重机安全监控系统，只具备完成塔式起重机工作状态和非工作状态下的安全监控功能，这一功能只是针对塔机的安全，不能对塔机整体运行的状态进行检测。监控系统的硬件设施在完成上述功能后，还有闲置资源的。如何在不增加过多成本的基础上，增加一些能让塔机用户真真切切的感受到益处和方便的功能，从而合理的利用监控系统闲置资源，成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明是为避免上述已有技术中存在的不足之处，提供一种具有自诊断功能的塔式起重机远程监控电路，以对塔式起重机的运行状态的远程监控、提高塔式起重机的运行安全性和可靠性。

本发明为解决技术问题采用以下技术方案。

具有自诊断功能的塔式起重机远程监控电路，其结构特点是，包括多个传感器、采样电路、主控电路、显示电路、报警电路、继电器驱动电路和GPRS无线通信模块；所述主控电路包括中央处理器和自诊断电路；所述多个传感器中的每一个传感器都与所述采样电路相连接，所述采样电路和显示电路均与所述主控电路的中央处理器相连接；所述报警电路和GPRS无线通信模块均与所述主控电路自诊断电路的自诊断电路相连接；所述传感器包括称重传感器、回转传感器、变幅传感器、高度传感器、风速传感器、电压传感器、电流传感器和温度传感器。

本发明的具有自诊断功能的塔式起重机远程监控电路的结构特点也在于：

所述显示电路包括LCD显示屏。

所述采样电路包括电压采样电路和电流采样电路；

如图3所示，所述电压采样电路包括电阻R1～R3、电容C1～C3、运算放大器U3、二极管D1和二极管D2；所述电压传感器与所述运算放大器U3的一个端子相连接，所述电阻R2、R1和R3串联连接后由电阻R2与所述所述运算放大器U3的另一个端子相连接，所述电阻R1为滑线变阻器，所述电阻R3接地；所述二极管D1和二极管D2串联连接后的公共点与所述电阻R1相连接，所述二极管D1和二极管D2串联连接后的公共点还和主控电路相连接；所述电容C1～C3均与所述运算放大器U3相连接；

如图4所示，所述电流采样电路包括电阻R4～R8、电容C4～C6、运算放大器U4、二极管D3和二极管D4；所述电流传感器与所述运算放大器U4的一个端子相连接，所述电阻R4、R5和R6串联连接后由电阻R4与所述所述运算放大器U4的另一个端子相连接，所述电阻R5为滑线变阻器，所述电阻R6接地；所述二极管D3和二极管D4串联连接后的公共点与所述电阻R5相连接，所述二极管D3和二极管D4串联连接后的公共点还和主控电路相连接；所述电容C4～C6均与所述运算放大器U4相连接。

所述报警电路包括声音报警电路和LED发光电路；

如图5所示，所述声音报警电路包括电阻R9～R11、三极管Q1和蜂鸣器U5；所述三极管Q1的基极通过所述电阻R9与所述主控电路相连接，所述电阻R10的两端分别连接在所述三极管Q1的基极和发射极上；所述三极管Q1的集电极与所述蜂鸣器U5的一个端子相连接，所述蜂鸣器U5的另一个端子通过电阻R11连接电源VCC；

如图6所示，所述LED发光电路包括电阻R12～R13、三极管Q2和发光二极管LED1；所述三极管Q2的基极通过所述电阻R13与所述主控电路相连接，所述三极管Q2的发射极接地，所述三极管Q2的集电极依次通过发光二极管LED1和电阻R12连接电源VCC。

所述GPRS无线通信电路包括GSM/GPRS芯片U6、SIM卡芯片U7、电阻R15～R27、电容C7～C9、三极管Q3～Q4和发光二极管LED_SIM。

所述继电器驱动电路包括晶体管输出光电耦合器U8、电阻R28～R32、达林顿晶体管阵列U9、二极管D5、继电器K1和与所述主控电路相连接的连接端P5；所述连接端P5通过晶体管输出光电耦合器U8与所述达林顿晶体管阵列U9相连接，所述达林顿晶体管阵列U9与所述继电器K1相连接，由所述达林顿晶体管阵列U9驱动所述继电器K1。

所述的具有自诊断功能的塔式起重机远程监控电路还包括USB接口。

所述的具有自诊断功能的塔式起重机远程监控电路还包括输入单元，所述输入单元为键盘或者操作按钮。

所述所述温度传感器为数字式温度传感器DS18B20。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

本发明的具有自诊断功能的塔式起重机远程监控电路，包括多个传感器、中央处理单元以及无线传输装置共同组成。利用不同功能的传感器所采集的数据，反馈给中央处理单元，从而对塔式起重机的电气运行进行实时监控，实时检测机器的电流、电压、功率、压力等参数，当塔式起重机的起升部件的电气出现故障时，中央处理单元会对实时采集到的数据进行分析，由自诊断电路得出与故障情况最吻合的故障原因，并把分析结果在驾驶室监控系统的面板上显示出来，同时通过无线通信装置通过短信发送到管理人员的手机上。从而使用户在利用监控系统对塔式起重机运行监控的同时，也可以了解到机器发生电气故障时的第一手原因分析便于其维修检查，可方便的实现塔机工作数据跨地域传输，实现对塔机群的统一监控和管理。

1、本发明是一种基于自升式塔式起重机安全监控系统，对塔式起重机电气系统进行检测，发生故障时自诊断的装置。由监控系统中的中央处理单元，相关数据采样传感器和无线通信模块等组成。整个功能模块结构简单，不需要在监控系统中添加过多的元器件，所以安装简单。

2、本发明塔式起重机安全监控系统电气自诊断模块，采用精度较高的采样传感器，可以实现采样周期在2秒左右，这样可以更加精确的对电气系统进行检测，发生问题时，监控系统可以在最短的时间内做出反映并得出分析结果，同时因为该功能模块是跟监控系整合在一起，所以组装及安装方便，安全系数高。

本发明的具有自诊断功能的塔式起重机远程监控电路，适用于采矿机械、起重搬运机械、筑路机械、环卫机械、轻工机械等行业，具有可实现塔式起重机的运行状态的远程监控、提高塔式起重机的运行安全性和可靠性等优点。

附图说明

图1为本发明的具有自诊断功能的塔式起重机远程监控电路的结构框图。

图2为本发明的具有自诊断功能的塔式起重机远程监控电路的显示电路图。

图3为本发明的具有自诊断功能的塔式起重机远程监控电路的电压采样电路图。

图4为本发明的具有自诊断功能的塔式起重机远程监控电路的电流采样电路图。

图5为本发明的具有自诊断功能的塔式起重机远程监控电路的声音报警电路图。

图6为本发明的具有自诊断功能的塔式起重机远程监控电路的LED发光电路图。

图7为本发明的具有自诊断功能的塔式起重机远程监控电路的GPRS无线通信电路图。

图8为本发明的具有自诊断功能的塔式起重机远程监控电路的继电器驱动电路图。

以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步说明。

具体实施方式

参见附图1～附图8，具有自诊断功能的塔式起重机远程监控电路，其包括多个传感器、采样电路、主控电路、显示电路、报警电路、继电器驱动电路和GPRS无线通信模块；所述主控电路包括中央处理器和自诊断电路；所述多个传感器中的每一个传感器都与所述采样电路相连接，所述采样电路和显示电路均与所述主控电路的中央处理器相连接；所述报警电路和GPRS无线通信模块均与所述主控电路自诊断电路的自诊断电路相连接；所述传感器包括称重传感器、回转传感器、变幅传感器、高度传感器、风速传感器、电压传感器、电流传感器和温度传感器。

如图1，由称重传感器、回转传感器、变幅传感器、高度传感器、风速传感器、电压传感器、电流传感器和温度传感器等构成的传感器组来采集塔式起重机的各种设备的运行参数，并将运行参数通过采样电路处理后送给主控电路，由主控电路获取各项运行参数并进行处理，而后在显示电路的显示屏上显示；一旦运行参数超过预设值的范围需要报警，自诊断电路发出报警信号给报警电路，通过报警电路进行报警；主控电路还通过GPRS无线通信模块将运行参数传输给监控中心的上位机，从而通过远端的监控电路平台实现对塔机群的控制和管理，建立不受地域和距离限制的塔机群控系统，实现对大范围工作区域内的塔机群的统一监控和管理，提高塔机的工作安全性和可靠性。

主控电路为中央处理器STM32及其外围电路。STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。按性能分成两个不同的系列：STM32F103“增强型”系列和STM32F101“基本型”系列。增强型系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品；基本型时钟频率为36MHz，以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能，是16位产品用户的最佳选择。两个系列都内置32K到128K的闪存，不同的是SRAM的最大容量和外设接口的组合。时钟频率72MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz。

所述显示电路包括LCD显示屏。

显示部分选用7寸TFTLCD作为显示器，驱动方案采用FPGA+SDRAM，以FPGA为系统的核心，从硬件上实现LCD的驱动算法。通过和中央处理器的通信，由中央处理器向该驱动模块发出指令和显示内容完成液晶显示器的显示过程。

图2所示为LCD与中央处理器的接口电路。驱动模块的LCD_D0至LCD_D15引脚作为数据线。LCD_RE和LCD_WE是LCD的读使能信号线和写使能信号线，低电平有效。CE是控制器的片选信号，当CE被拉低时表示该控制器被选定。A0是控制器的地址信号，表示数据信号和控制信号的选择。RST引脚是驱动模块的复位信号。以上16条数据线和5条控制线和处理器的I/O口相连接配合液晶显示器的供电系统完成本系统的显示功能。

所述采样电路包括电压采样电路和电流采样电路；

如图3所示，电压传感器输出的电压信号经过由运算放大器U3（OP27）构成的射极跟随器输入至主控电路，电压采样电路通过阻抗变换所获得的电压信号经过电阻分压后输入到主控电路的A/D转换单元，实现电压传感器信号的采集。所述电容C1～C3分别连接在所述运算放大器U3的其中一个引脚上。

如图4所示，电流传感器输出的4～20mA电流信号首先转换为电压信号，再经过由运算放大器U4（OP27）构成的射极跟随器实现阻抗变换，所获得的电压信号经过电阻分压后输入到A/D转换单元，实现电流传感器信号的采集。所述电容C4～C6分别连接在所述运算放大器U4的其中一个引脚上。所述电阻R7和R8串联连接后连接在所述运算放大器U4与电流传感器相连接的引脚上。

所述报警电路包括声音报警电路和LED发光电路；

如图5所示，主控电路发出的蜂鸣器控制信号输入Q1的基极，通过电阻R11控制三极管Q1的基极，当蜂鸣器控制信号为高电平的时候Q1导通，蜂鸣器BUZZER有电流通过开始报警工作。R11为限流电阻，防止流经Q1的电流超过蜂鸣器的额定电流。R10为泄流电阻，当外部电磁波干扰电路时，R10将干扰信号的电流直接引入DGND防止蜂鸣器误触发。

图6中，主控电路发出的发光控制信号输入Q2的基极，通过基极电阻R13控制三极管Q2的基极，当发光控制信号为高电平的时候三极管导通电流流过LED灯，LED灯发亮，当控制信号为低电平的时候LED灯熄灭。R12为限流电阻，防止流经Q2的电流超过LED1的额定电流。

如图7所示，SIM908模块的开机通过直接与主控芯片I/O口相连接的PWRKEY引脚来控制，当PWRKEY引脚被电平拉低时长大于1s时，模块实现开机。模块经过自带的UART接口与主控板建立串口通信，主控部分通过串口想SIM908模块发送AT指令实现模块的网络注册、波特率设置及数据远程传输功能。

在SIM908模块上电开机后，模块自身的NETLIGHT引脚会输出一定频率的高低变换电平，此时LED_SIM指示灯会以一定频率闪烁指示SIM908模块的工作状态。

SIM908是一款集成GPS导航技术的四频GSM/GPRS模块。紧凑的模块尺寸并将GPRS和GPS整合在SMT封装里，为客户实现内嵌GPS的应用显著节省了开发时间和费用。

为了进一步提高系统的安全性，系统发出光、声之后如果危险动作继续进行，系统控制继电器切断处于危险状态的电机供电电源，强制电机停止运行，以保证塔机的安全运行。整个保护过程通过中央处理器STM32芯片控制继电器的开合，进而实现对电机工作状态的控制。如图8所示，STM32芯片的IO口不直接参与继电器的控制，而是控制晶体管输出光电耦合器U8（TLP521），光耦驱动达林顿晶体管阵列U9（ULN2003）进而控制继电器触点的开合。

如图8电路中光耦TLP521起到隔离作用，将继电器和STM32隔离开，从根本上排除继电器通断瞬间所产生的电磁干扰。ULN2003是高压达林顿晶体管阵列，具有电流增益大、工作范围大、带负载能力强等特点，内部采用集电极开路输出，能够承受50V的电压和600mA的电流，能够直接驱动24V的继电器。当向光耦TLP521输入高电平控制信号时，ULN2003的输出端变为低电平，图8中继电器通电，继电器开关闭合。由于继电器K1开合时，其内部电磁线圈会产生较大的电磁波形成较强的电磁干扰，图8中继电器中并联了一个二极管D5是续流二极管，进一步减小继电器的开合对系统的干扰。

通过USB接口，主控电路可连接USB设备，以将使得本发明的相关数据可以导入导出，能与其他设备之间很方便地交换数据。

所述所述温度传感器为数字式温度传感器DS18B20。

采用数字式温度传感器DS18B20，此类传感器为数字式传感器，而且仅需要一条数据线进行数据传输，易于与单片机连接，可以去除去A/D模块，降低硬件成本，简化系统电路，测量温度精度高。

SIM908芯片与中央处理单元通过串口通信，同时SIM908芯片与SIM卡连接，提供GPRS移动数据通信服务，GPRS与服务器建立连接遵循TCP协议。远端的监控管理中心设置上位机，塔机监控电路与上位机建立通信后，接收GPRS模块发送的数据，上位机可自动将数据上传至网站，实现远程数据的接收和处理。

图7表示具有TCP协议的西姆公司的SIM908芯片的电路连接图，该芯片电源供电为DC4.2V,同时芯片通过串口与CPU通信，速率很高，外围必备的有SIM卡，可提供GPRS移动数据通信业务，SIM908芯片从初始化到成功连接服务器只需几秒时间，方便建立连接，从而实现快速可靠的传输塔机工作数据。

运用GPRS无线通信技术，将塔机监控电路终端采集到的工作数据通过网络传输到服务器端的监控软件，实现了大范围的塔机监控。运用GPRS无线传输技术，可建立不受地域和距离限制的塔机群控系统，通过远端的监控电路平台，实现对塔机群的控制和管理。

利用不同功能的传感器所采集的数据，反馈给中央处理单元，从而对塔式起重机的电气运行进行实时监控，实时检测机器的电流、电压、功率、压力等参数，当塔式起重机的起升部件的电气出现故障时，中央处理单元会对实时采集到的数据进行分析，由自诊断电路得出与故障情况最吻合的故障原因，并把分析结果在驾驶室监控系统的面板上显示出来，同时通过无线通信装置通过短信发送到管理人员的手机上。从而使用户在利用监控系统对塔式起重机运行监控的同时，也可以了解到机器发生电气故障时的第一手原因分析便于其维修检查，可方便的实现塔机工作数据跨地域传输，实现对塔机群的统一监控和管理。

各种传感器采集到的数据通过采样数据发送到中央处理器，中央处理器对各种数据进行分析，后分别传送到自诊断模块、LCD显示以及U盘存储单元实现信息储存。自诊断功能模块对接收到的电流、电压还有温度数据与极限数据比对，当超过极限数据时，就会通过报警装置发出声光报警，同时通过GSM通信模块发出短信报警，并利用驱动电路控制继电器实现对整个塔机运行功能的控制。

本发明的塔式起重机远程监控电路，可实时对机器的电流、电压、温度等参数进行监控，所述塔式起重机运行时，机器电气系统实时运行数据可在驾驶室内的监控系统面板上显示。所述当发生电气故障时，自诊断电路会对故障发生时的相关运行参数进行分析，得出最符合故障现象的诊断结果同时在监控面板上显示出来。所述当发生故障时自诊断电路不仅把分析结果显示在监控面板上，同时通过短信方式把故障信息及分析结果发送给管理人员，方便现场管理。本发明的塔式起重机远程监控电路，它能在不占用监控系统过多资源，不影响监控系统安全监控功能的同时，对塔机电气系统相关运行参数进行检测，当电控系统发生异常时发出预警信号，提醒驾驶员和管理人员。当发生故障时，做出相关的故障分析提供给用户，帮助用户在最短的时间内解决问题，降低造成损失的风险。

Claims

1.具有自诊断功能的塔式起重机远程监控电路，其特征是，包括多个传感器、采样电路、主控电路、显示电路、报警电路、继电器驱动电路和GPRS无线通信模块；所述主控电路包括中央处理器和自诊断电路；所述多个传感器中的每一个传感器都与所述采样电路相连接，所述采样电路和显示电路均与所述主控电路的中央处理器相连接；所述报警电路和GPRS无线通信模块均与所述主控电路自诊断电路的自诊断电路相连接；所述传感器包括称重传感器、回转传感器、变幅传感器、高度传感器、风速传感器、电压传感器、电流传感器和温度传感器（DS18B20）。

2.根据权利要求1所述的具有自诊断功能的塔式起重机远程监控电路，其特征是，所述所述显示电路包括LCD显示屏。

3.根据权利要求1所述的具有自诊断功能的塔式起重机远程监控电路，其特征是，所述采样电路包括电压采样电路和电流采样电路；

所述所述电压采样模块包括电阻R1～R3、电容C1～C3、运算放大器U3、二极管D1和二极管D2；所述电压传感器与所述运算放大器U3的一个端子相连接，所述电阻R2、R1和R3串联连接后由电阻R2与所述所述运算放大器U3的另一个端子相连接，所述电阻R1为滑线变阻器，所述电阻R3接地；所述二极管D1和二极管D2串联连接后的公共点与所述电阻R1相连接，所述二极管D1和二极管D2串联连接后的公共点还和主控电路相连接；所述电容C1～C3均与所述运算放大器U3相连接；

所述电流采样模块包括电阻R4～R8、电容C4～C6、运算放大器U4、二极管D3和二极管D4；所述电流传感器与所述运算放大器U4的一个端子相连接，所述电阻R4、R5和R6串联连接后由电阻R4与所述所述运算放大器U4的另一个端子相连接，所述电阻R5为滑线变阻器，所述电阻R6接地；所述二极管D3和二极管D4串联连接后的公共点与所述电阻R5相连接，所述二极管D3和二极管D4串联连接后的公共点还和主控电路相连接；所述电容C4～C6均与所述运算放大器U4相连接。

4.根据权利要求1和2所述的具有自诊断功能的塔式起重机远程监控电路，其特征是，所述报警装置包括声音报警电路和LED发光电路；

所述声音报警电路包括电阻R9～R11、三极管Q1和蜂鸣器U5；所述三极管Q1的基极通过所述电阻R9与所述主控电路相连接，所述电阻R10的两端分别连接在所述三极管Q1的基极和发射极上；所述三极管Q1的集电极与所述蜂鸣器U5的一个端子相连接，所述蜂鸣器U5的另一个端子通过电阻R11连接电源VCC；

所述LED发光电路包括电阻R12～R13、三极管Q2和发光二极管LED1；所述三极管Q2的基极通过所述电阻R13与所述主控电路相连接，所述三极管Q2的发射极接地，所述三极管Q2的集电极依次通过发光二极管LED1和电阻R12连接电源VCC。

5.根据权利要求1所述的具有自诊断功能的塔式起重机远程监控电路，其特征是，所述GPRS无线通信电路包括GSM/GPRS芯片U6、SIM卡芯片U7、电阻R15～R27、电容C7～C9、三极管Q3～Q4和发光二极管LED_SIM。

6.根据权利要求1所述的具有自诊断功能的塔式起重机远程监控电路，其特征是，所述继电器驱动电路包括晶体管输出光电耦合器U8、电阻R28～R32、达林顿晶体管阵列U9、二极管D5、继电器K1和与所述主控电路相连接的连接端P5；所述连接端P5通过晶体管输出光电耦合器U8与所述达林顿晶体管阵列U9相连接，所述达林顿晶体管阵列U9与所述继电器K1相连接，由所述达林顿晶体管阵列U9驱动所述继电器K1。

7.根据权利要求1所述的具有自诊断功能的塔式起重机远程监控电路，其特征是，还包括USB接口。

8.根据权利要求1所述的具有自诊断功能的塔式起重机远程监控电路，其特征是，还包括输入单元，所述输入单元为键盘或者操作按钮。

9.根据权利要求1所述的具有自诊断功能的塔式起重机远程监控电路，其特征是，所述所述温度传感器为数字式温度传感器DS18B20。