CN108483259A - 一种塔吊倾角和挠度在线监测系统及数据方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种塔吊倾角和挠度在线监测系统及数据方法，具体包括：倾角硬件采集模块，LTE_4G通信模块，MCU处理模块，监测软件模块；塔吊力学结构分析和倾角监测原理；所属倾角传感器和处理器通过SPI通信传输，所属下位机采集模块和监测软件模块通过LTE_4G网络实现信息传输。根据多个倾角传感器采集的信号，进行数据处理分析后，监测软件动态显示吊臂的变形程度。本发明方法能够有效监测塔吊倾角和挠度。

Description

一种塔吊倾角和挠度在线监测系统及数据方法

技术领域

本发明涉及机械监测系统和方法领域，特别是涉及一种塔吊倾角和挠度在线监测系 统及数据方法。

背景技术

塔吊又名“塔式起重机”，是建筑工地上必不可少的一种起重设备，以一节一节的连 接，用来吊施工用的钢筋、混凝土、钢管等施工的原材料。塔吊从安装开始，施工过程，以及最终的拆除中一直都是在高空作业，具有危险系数较高，技术含量较高等特点。由 于目前城市化进程的快速发展，各种高层建筑的作业中，塔吊都是扮演着重要的作用， 并且已经有因为塔吊倾斜和倒塌事故造成的人员伤亡事故。

目前已经有了对塔吊的倾角进行监测的系统，使用方法包括机械式的接触，还有连 通管原理的监测整体趋势以及经纬仪和水准仪等多种方式。但是存在的监测方法在长期 性和实时性方面存在较大的缺陷。当前随着传感器技术，通信技术，物联网技术等的发展，越来越多的设备开始引入状态监测和故障预警系统，用以保证作业过程的安全和高效。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明提供一种塔吊倾角和挠度在线监测系统及数据方 法，通过该系统和方法对塔吊吊臂的倾角变形进行监测，使用传感器采集倾角信号，通过4G通信方式和上位机通信，使用电脑客户端对塔吊进行远程实时长期的监测，本发明 提供一种塔吊倾角和挠度在线监测系统，包括倾角硬件采集模块，无线通信模块，MCU 处理模块和监测软件模块，所述倾角硬件采集模块包括MCU模块和传感器模块，所述倾 角传感器和处理器通过SPI通信传输，所述下位机采集模块和监测软件模块通过无线网 络实现信息传输，所述监测系统软件的远程服务器，主要实现与下位机的无线连接、信 息接收发送、监测、本地保存和起重机整体运行状态和健康状态评价功能，而硬件电路 主要实现数据的采集以及传输功能，上位机与下位机通过TCP/IP协议的SOCKET方式进 行通信，其中下位机与无线模块通过RS232串口互联，无线模块通过以太网与远程服务 器建立连接。

本发明提供一种塔吊倾角和挠度在线监测系统的数据处理方法：

所述数据处理分析具体方法如下：

(1)在塔吊的吊臂上安装倾角传感器对应的位置分布和倾角传感器的数值为下表所 示：

分别得到吊臂上各个标记位置的倾角数值；

(2)根据材料力学原理，梁在弯曲时的挠度曲率K，然后应用高等数学知识能够得到对应的曲线曲率公式，由于实际工况中，其实际跨度大于横截面的5倍，剪力对变形 的影响很小，梁变形的原因主要是弯矩，求解上公式，就可以得到挠曲线方程和倾角方 程，进而求出各个截面的挠度和转角，对于塔吊的吊臂来说，挠度只与跨中截面的惯性 矩、材料的弹性模量及桁架上的荷载有关，另外其受力方式来说符合悬臂梁的简化结构， 具体的惯性矩不能直接查找需要求解其组合惯性矩，其系数可能不同，但是不改变其挠 度和倾角方程的阶次。

其塔身的受力分析可以得到：

其吊臂的受力分析可以得到：

弯矩方程：

M₁(y₁)＝-P₁(L₁-y₁) (3)

M₂(y₂)＝P₂(L₂-y₂) (4)

挠度曲线方程：

倾角方程：

对于悬臂梁的自重其对应的挠度曲线方程和倾角方程为：

根据实际塔吊的简化结构，结合材料力学、高等数学和数值分析等内容，能够得到其 倾角函数是一个三次函数曲线，并且边界条件也明确，因此选择三次样条曲线插值是最合适的求解求倾角函数方程方法，三次样条插值是通过一系列形值点的一条光滑曲线， 数学上通过求解三弯矩方程组得出曲线函数组的过程；

设S(x)是塔吊吊臂的3次样条插值函数，则S(x)满足在每一个区间[x_j，x_j+1]上是3次 多项式，根据3次样条插值函数的定义，需要根据其各个点的函数值，推算出其在每个单独区间的S(x)的表达式，设该表达式为

S(x_j)＝A_j+B_jx+C_jx²+D_jx³ (13)

方程可以简化为下式：

得到的方程组对应的系数矩阵是严格对角占优，用追赶法求解改矩阵，进而得到M_j，带 入三次样条插值函数则可以得到对应的分段表达式。

本发明提供一种塔吊倾角和挠度在线监测系统及数据方法，具有如下优点：

(1)本发明综合应用MEMS技术、嵌入式技术、微传感器技术、C#WPF界面编程技 术，监测塔吊的倾角及挠度变形，并实现塔吊变形的动态监测；

(2)本发明利用结构分析和数值计算等综合理论方法对塔吊的变形进行拟合，有效提 高了塔吊变形的监测精度；

(3)本发明使用4G通信方式，大大提高了监测的实时性和长期性。

附图说明

图1为本发明的总体方案示意图；

图2为本发明的塔吊简化模型示意图；

图3为本发明的塔身和吊臂受力图；

图4为本发明的塔身和吊臂变形图；

图5为本发明的采集器示意图；

图6为本发明的系统方案示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明提供一种塔吊倾角和挠度在线监测系统及数据方法，通过该系统和方法对塔 吊吊臂的倾角变形进行监测，使用传感器采集倾角信号，通过4G通信方式和上位机通信， 使用电脑客户端对塔吊进行远程实时长期的监测。

本发明如图1、图5和图6所述一种塔吊倾角和挠度在线监测系统的数据处理方法，倾角监测系统的设计和实现如下：

一种塔吊倾角和挠度在线监测系统及方法包括倾角硬件采集模块，无线通信模块， MCU处理模块，监测软件模块。监测系统软件的远程服务器，主要实现与下位机的无线连接、信息接收发送、监测、本地保存和起重机整体运行状态和健康状态评价等功能， 而硬件电路主要实现数据的采集以及传输。上位机与下位机通过TCP/IP协议的SOCKET 方式进行通信，其中下位机与无线模块通过RS232串口互联，无线模块通过以太网与远 程服务器建立连接。

系统整体通过一个微控制器来处理并发送倾角传感器，微控制器和传感器之间通过 SPI协议进行通信，微控制器和无线模块之间通过串口通信，无线模块通过无线网络把数 据发送到上位机，利用上位机监控系统进行显示和分析，起重机的监测模块直接和姿态测量模块连接并显示其姿态变化。系统的硬件部分需要包括运行倾角数据采集部分、MCU外围部分、电源部分以及通信管理部分。

一种塔吊倾角和挠度在线监测系统上位机监测软件部分的功能是完成上位机服务 器，监测信号的收发、展示、本地保存以及回访，超阈值数据的警告以及起重机整体健康状态评估等工作。嵌入式软件主要完成对硬件电路板的系统初始化，操作指令调用， 数据采集，数据预处理和通信数据发送等功能。

上位机软件根据所采集的倾角数据，通过上述方法，将整个吊臂的倾角变形拟合出 来，然后结合计算的吊臂的理论倾角数值，根据安全运行规范要求，特定点的倾角数据给定合适的阈值，当超出该阈值时，进行报警显示该工况超出其安全运行情况。

本发明一种塔吊倾角和挠度在线监测系统的数据处理方法包括以下内容步骤：

塔吊的力学结构分析和倾角挠度监测原理：

对于塔吊的吊臂来说，挠度只与跨中截面的惯性矩、材料的弹性模量及桁架上的荷 载有关，另外其受力方式来说符合悬臂梁的简化结构，具体的惯性矩不能直接查找需要求解其组合惯性矩，其系数可能不同，但是不改变其挠度和倾角方程的阶次。

根据材料力学原理，梁在弯曲时的挠度曲率K定义为：

其中：ρ为曲率半径，θ为角度，s为弧长。

挠度曲线的斜率：

其中ds≈dx,应用高等数学知识能够得到对应的曲线曲率公式：

其中挠曲线为小曲率曲线则可以认为:

由于实际工况中，其实际跨度大与横截面的5倍，剪力可以对变形的影响很小，梁的变 形的原因主要是弯矩，曲率和弯矩的对应关系：

求解上公式，就可以得到挠曲线方程和倾角方程，进而求出各个截面的挠度和转角。

其中塔吊简化模型如图2所示，塔身和吊臂受力图如图3所示，塔身和吊臂变形图如图4所示；

对于塔吊的受力的简化结构来说，

其塔身的受力分析可以得到：

其吊臂的受力分析可以得到：

弯矩方程：

M₁(y₁)＝-P₁(L₁-y₁) (9)

M₂(y₂)＝P₂(L₂-y₂) (10)

微分方程：

EIy″(y)＝-M(y)＝P(L-y) (10)

边界条件和连续条件：

x＝0，y＝0 (13)

x＝0，y′＝θ＝0 (14)

挠度曲线方程：

倾角方程：

最大挠度和倾角

对于悬臂梁的自重其对应的挠度曲线方程和倾角方程为：

根据实际塔吊的简化结构，结合材料力学、高等数学和数值分析等内容，能够得到其倾角函数是一个三次函数曲线，并且边界条件也明确，因此选择三次样条曲线插值是 最合适的求解求倾角函数方程方法，三次样条插值是通过一系列形值点的一条光滑曲线， 数学上通过求解三弯矩方程组得出曲线函数组的过程。

设S(x)是塔吊吊臂的3次样条插值函数，则S(x)满足在每一个区间[x_j，x_j+1]上是3次 多项式，根据3次样条插值函数的定义，需要根据其各个点的函数值，推算出其在每个单独区间的S(x)的表达式，设该表达式为

S(x_j)＝A_j+B_jx+C_jx²+D_jx³ (13)

根据3次样条插值函数的定义，需要根据其各个点的函数值，推算出其在每个单独区间的S(x)的表达式，设该表达式为

S(x_j)＝A_j+B_jx+C_jx²+D_jx³ (23)

因为S(x)在每一个区间[x_j，x_j+1]都是一个三次多项式，因此对应二阶导函数的S″(x) 在此区间是一次多项式，假设二阶导函数S″(x)在区间[x_j，x_j+1]两个端点的知道且值分别 为S″(x_j)＝M_j，S″(x_j+1)＝M_j+1，则S″(x)的表达式可以写作：

其中h_j＝x_j+1-x_j。

对二阶导数进行积分，可以得到其一阶导数方程：

要得到S(x)还需要对一阶导数进行积分，并且根据S(x_j)＝θ(x_j)，得到下式

对应的有s(x_j+1)＝θ(x_j+1)，可以进一步得到

则

如果将的表达式转变为拉格朗日形式，可以得到

对其进行两次积分得到下式

连接条件

S(x_j-0)＝S(x_j+1+0) (38)

S′(x_j-0)＝S′(x_j+1+0) (39)

S″(x_j-0)＝S″(x_j+1+0) (40)

根据上式推导可以得到

连续性

S′(x_j+0)＝S′(x_j-0) (44)

令其中

可以得到(n-1)个方程

将悬臂梁的边界条件

S″(x₀)＝θ″(x₀)，S″(x_n)＝θ″(x_n) (40)

可以得到方程

2M₁+λ₁M₂＝d₁-μ₁θ″(x₀) (47)

μ_n-1M_n-2+2M_n-1＝d_n-1-λ_n-1θ″(x₀) (48)

得到矩阵方程式

其为自然边界时令S″(x)＝0＝θ″(x₀)，S″(x_n)＝0＝θ″(x_n)则方程可以简化为下式

得到的方程组对应的系数矩阵是严格对角占优，用追赶法求解改矩阵，进而得到Mj， 带入三次样条插值函数则可以得到对应的分段表达式。

在塔吊的吊臂上安装倾角传感器对应的位置分布和倾角传感器的数值为下表所示：

对应的可以得到

h_j＝x_j+1-x_j， (51)

d_j＝6θ[x_j-1，x_j，x_j+1] (54)

h₀＝x₁-x₀，h₁＝x₂-x₁，h₂＝x₃-x₂，h₃＝x₄-x₃，h₄＝x₅-x₄，

h₅＝x₆-x₅，h₆＝x₇-x₆，h₇＝x₈-x₇，h₈＝x₉-x₈

λ₁＝1-μ₁，λ₂＝1-μ₂，λ₃＝1-μ₃，λ₄＝1-μ₄，λ₅＝1-μ₅，

λ₆＝1-μ₆，λ₇＝1-μ₇，λ₈＝1-μ₈，λ₉＝1-μ₉

d₁＝6θ[x₀，x₁，x₂]，d₂＝6θ[x₁，x₂，x₃]，d₃＝6θ[x₂，x₃，x₄]，

d₄＝6θ[x₃，x₄，x₅]，d₅＝6θ[x₄，x₅，x6]，d₆＝6θ[x₅，x₆，x₇]，

d₇＝6θ[x₆，x₇，x₈]，d₈＝6θ[x₇，x₈，x₉]，

将所得参数带入对应公式计算，得到对应的M_j的值，带入弯矩方程求解得到对应的倾角 方程矩阵

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，

而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (2)

1.一种塔吊倾角和挠度在线监测系统，其特征在于：包括倾角硬件采集模块，无线通信模块，MCU处理模块和监测软件模块，所述倾角硬件采集模块包括MCU模块和传感器模块，所述倾角传感器和处理器通过SPI通信传输，所述下位机采集模块和监测软件模块通过无线网络实现信息传输，所述监测系统软件的远程服务器，主要实现与下位机的无线连接、信息接收发送、监测、本地保存和起重机整体运行状态和健康状态评价功能，而硬件电路主要实现数据的采集以及传输功能，上位机与下位机通过TCP/IP协议的SOCKET方式进行通信，其中下位机与无线模块通过RS232串口互联，无线模块通过以太网与远程服务器建立连接。

2.使用权利要求1所述一种塔吊倾角和挠度在线监测系统的数据处理方法，其特征在于：所述数据处理分析具体方法如下：

(1)在塔吊的吊臂上安装倾角传感器对应的位置分布和倾角传感器的数值为下表所示：

分别得到吊臂上各个标记位置的倾角数值；

(2)根据材料力学原理，梁在弯曲时的挠度曲率K，然后应用高等数学知识能够得到对应的曲线曲率公式，由于实际工况中，其实际跨度大于横截面的5倍，剪力对变形的影响很小，梁变形的原因主要是弯矩，求解上公式，就可以得到挠曲线方程和倾角方程，进而求出各个截面的挠度和转角，对于塔吊的吊臂来说，挠度只与跨中截面的惯性矩、材料的弹性模量及桁架上的荷载有关，另外其受力方式来说符合悬臂梁的简化结构，具体的惯性矩不能直接查找需要求解其组合惯性矩，其系数可能不同，但是不改变其挠度和倾角方程的阶次；

其塔身的受力分析可以得到：

其吊臂的受力分析可以得到：

弯矩方程：

M₁(y₁)＝-P₁(L₁-y₁) (3)

M₂(y₂)＝P₂(L₂-y₂) (4)

挠度曲线方程：

倾角方程：

对于悬臂梁的自重其对应的挠度曲线方程和倾角方程为：

根据实际塔吊的简化结构，结合材料力学、高等数学和数值分析等内容，能够得到其倾角函数是一个三次函数曲线，并且边界条件也明确，因此选择三次样条曲线插值是最合适的求解求倾角函数方程方法，三次样条插值是通过一系列形值点的一条光滑曲线，数学上通过求解三弯矩方程组得出曲线函数组的过程；

设S(x)是塔吊吊臂的3次样条插值函数，则S(x)满足在每一个区间[x_j，x_j+1]上是3次多项式，根据3次样条插值函数的定义，需要根据其各个点的函数值，推算出其在每个单独区间的S(x)的表达式，设该表达式为

S(x_j)＝A_j+B_jx+C_jx²+D_jx³ (13)

方程可以简化为下式：

得到的方程组对应的系数矩阵是严格对角占优，用追赶法求解改矩阵，进而得到M_j，带入三次样条插值函数则可以得到对应的分段表达式。