CN110002353A - 一种桅杆式起重机安全监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桅杆式起重机安全监控系统，包括状态采集模块、参数采集模块、应力采集模块、视频采集模块、信号中继处理器和安全管理模块，状态采集模块、参数采集模块和应力采集模块将各自采集的数据传输给信号中继处理器，信号中继处理器将信号处理后发送给安全管理模块，视频采集模块将采集的数据传输给安全管理模块，安全管理模块对信号中继处理器和视频采集模块传输来的数据进行数据管理和常见故障的逻辑判断，并显示在触摸屏上。该系统具有桅杆式起重机运行参数和运行状态监测、结构应力监测、吊钩视频监控和起重机主要故障预警功能，可实现桅杆式起重机日常运行的安全管理。

Description

一种桅杆式起重机安全监控系统

技术领域

本发明涉及桅杆式起重机安全技术领域，具体涉及一种桅杆式起重机安全监控系统。

背景技术

起重机作为一种机电设备，主要有结构、机构、电气和安全保护装置等部分组成，在使用中不可避免的会出现故障。有的故障会对起重机产生较大的影响，如果未能及时排除，一旦发生危险将造成较严重的后果，甚至是灾难性的事故。国家一直将起重机作为八大类特种设备之一进行重点监管。

目前对起重机使用状况的检查最常见的是日常巡检，日常巡检一般是按照时间节点，由使用单位专人进行的一种周期性检查，检查内容以对起重机运行状态的外观检查为主，但这种基于目视和经验的检查很难准确判断出起重机的实际运行状况和安全隐患，造成了目前起重机的日常管理和维修管理都具有到一定的盲目性。因此有必要通过技术手段实时获取起重机的运行参数和运行状态，尤其是重点运行数据，为起重机使用者的日常管理提供可靠的数据源，通过该方法可有效降低设备的故障率，提升起重机的监管技术与手段。

桅杆式起重机是一种以桅杆为机身的动臂式起重机，主体结构为单桅杆或双桅杆，桅杆起到支撑和变幅的双重作用，整体结构中没有其他臂架结构，桅杆的固定采用底端铰接于基座上，顶部用缆绳从一个或多个方向连接于地锚的方式。该类型起重机的整体结构较简单，具有自重轻、工作稳、载荷大等特点，一般用于港口码头卸船和吊运大型设备。通常来说，桅杆式起重机的起重量较大，工作中具有一定的危险性，国家相关安全技术规范要求超过100吨的桅杆式起重机应当安装安全监控系统。

正是由于桅杆式起重机结构和机构上的特殊性，目前对于其参数监测存在数据监测不全面和不准确的情况。桅杆式起重机的起升钢丝绳卷筒在地面，钢丝绳缠绕系统从地面斜拉经过桅杆顶部定滑轮后进行重物的吊运，因此传统的采用旁压式或轴承座式传感器进行起重量参数采集无法准确的获取起重机的载重量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种桅杆式起重机安全监控系统，解决现有技术中对桅杆式起重机参数监测存在数据监测不全面和不准确的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种桅杆式起重机安全监控系统，包括状态采集模块、参数采集模块、应力采集模块、视频采集模块、信号中继处理器和安全管理模块，状态采集模块、参数采集模块和应力采集模块将各自采集的数据传输给信号中继处理器，信号中继处理器将信号处理后发送给安全管理模块，视频采集模块将采集的数据传输给安全管理模块，安全管理模块对信号中继处理器和视频采集模块传输来的数据进行数据管理和常见故障的逻辑判断，并在显示器上显示。

进一步改进，所述状态采集模块包括起重机电控柜内的控制电路中接入的多个接触器的辅助触点，多个辅助触点分别采集起重量限制器开关状态、高度限位器开关状态、幅度限制器开关状态、防止臂架向后倾翻装置开关状态、总电源开关状态和急停装置开关状态，每个辅助触点的开闭状态信号经过光耦隔离，转化为数字量，传输给STC单片机，STC单片机通过异步串行通信接口连接433无线通讯模块将采集的各开关量传给信号中继处理器进行集中处理。

进一步改进，所述系统参数采集模块包括安装于桅杆式起重机起升机构电机供电线线路上的电流传感器，采用电流法获取起重机的起重量；安装于起升机构的卷筒轴承处的绝对值旋转编码器，用于采集起升高度；安装于桅杆根部的倾角传感器，采集起重机的臂架倾角，通过臂架倾角与臂架长度计算获得起重机的幅度，采用测量的起重量和幅度数据计算获得起重力矩的具体数值；安装于桅杆顶部的风速传感器采集风速值；加装于控制柜内的信号采集装置提取操作指令，并计算起重机各机构的动作时间，以此计算获得起重机的工作时间、累计工作时间和工作循环；通过安装于起升机构减速箱上的绝对值加速度传感器获得减速箱的振动值；

电流传感器、绝对值旋转编码器、倾角传感器、风速传感器、信号采集装置和绝对值加速度传感器均与RS485接口电连接，RS485接口通过MAX3082与STC单片机通信，STC单片机经过433无线通讯模块将数据转发给信号中继处理器进行集中处理。

进一步改进，所述结构应力采集模块包括应变计和应变数据采集器，应变计和应变数据采集器之间通过导线连接；

所述应变计为电阻式表面式应变计，粘贴于桅杆结构的应力集中区；起重机载荷发生改变时，应变计的电阻发生变化，则输出连续变化的电压数据，经过应变采集器的数据转化后，通过无线WIFI的方式上传给安全管理模块进行显示和存储。

进一步改进，所述视频采集模块包括用过能够清晰看见吊钩的全运行范围的多个摄像头；每个摄像头拍摄的图像数据使用超五类网络线集中传输到交换机，交换机再使用超五类网络线将图像数据传输给硬盘刻录机，将数据存储在硬盘内，硬盘刻录机通过VGA数据线将数据传给安全管理模块的显示器显示。

进一步改进，所述视频采集模块包括设置在桅杆中部和顶部安装两个广角摄像机。

进一步改进，所述安全管理模块包括控制器和安装在起重机操纵室内的显示器，控制器和显示器之间电连接，控制器对接收的数据进行处理显示、保存、对潜在的故障进行报警和历史数据回溯，显示器用于实时显示视频监控画面、采集的参数值和各状态量。

进一步改进，所述安全管理模块为平板电脑，体积小，携带方便。

本发明的有益效果：

1、该系统具有起重机的多状态和多参数采集功能，可实现起重机日常安全管理所需要的所有运行参数和状态，且测量结果准确可靠。

2、采用电流法进行桅杆式起重机起重量的采集，数据准确可靠。

3、系统安装方便，不破坏原有桅杆式起重机结构和控制系统。

4、系统安全管理模块可对起重机常见的电气和机械故障进行预警。

附图说明

图1为桅杆式起重机安全监控系统架构图。

图2为信号中继处理器电路图。

图3为状态采集模块架构图。

图4为状态采集模块电路图。

图5为系统参数采集模块架构.

图6为起升高度数据采集电路图。

图7为幅度数据采集电路图。

图8为风速数据采集电路图。

图9为起重量数据采集电路图。

图10为应变数据采集器电路图。

图11为视频采集模块示意图。

图12为安全管理模块架构图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐释本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

如图1所示，本发明所述桅杆式起重机安全监控系统，包括状态采集模块、参数采集模块、应力采集模块、视频采集模块、信号中继处理器和安全管理模块，状态采集模块、参数采集模块和应力采集模块将各自采集的数据传输给信号中继处理器，视频采集模块将采集的数据传输给信号中继处理器，信号中继处理器将信号处理后发送给安全管理模块，安全管理模块整合信号中继处理器和视频采集模块传输来的数据，进行数据管理和常见故障的逻辑判断，并显示在触摸屏上。

信号中继处理器的电路如图2，状态采集模块、参数采集模块、应力采集模块采集到的数据通过无线传输到信号中继处理器，信号中继处理器汇总处理后，在人机界面上显示出来。本电路包含的嵌入式MCU最小系统，RS485通讯电路、RS232通讯电路、JTAG调试接口、电源电路、复位电路、指示电路。

其中系统状态采集模块架构如图3所示通过安装于起重机电控柜内的开关量采集装置采集起重量限制器开关状态、高度限位器开关状态、幅度限制器开关状态、防止臂架向后倾翻装置开关状态、总电源开关状态、急停装置开关状态等状态量的采集。

状态采集模块电路如图4，具体是利用起重机控制电路接触器的辅助触点来采集高度限位器、防后倾装置、急停装置、总电源、起重量限制器的开闭状态，辅助触点的开闭状态经过光耦隔离，转化为数字量，传输给STC单片机，STC单片机通过异步串行通信接口连接433无线通讯模块将采集的各开关量传给信号中继模块进行集中处理。

系统参数采集模块架构如图5所示，各类起重机参数采集分别采用以下方式：通过安装于起升机构电机供电线线路上的电流传感器，采用电流法获取起重机的起重量；通过安装于起升机构的卷筒轴承处的绝对值旋转编码器(传感器GMS412RE10PB-9)采集起升高度；通过安装于桅杆根部的倾角传感器采集起重机的臂架倾角；通过臂架倾角与臂架长度计算获得起重机的幅度；通过测量的起重量和幅度数据计算获得起重力矩的具体数值；通过安装于桅杆顶部的风速仪采集风速值；通过加装于控制柜内的信号采集装置提取操作指令，并计算起重机各机构的动作时间，以此计算获得起重机的工作时间、累计工作时间和工作循环；通过安装于起升机构减速箱上的绝对值加速度传感器获得减速箱的振动值。

将绝对值旋转编码器(传感器GMS412RE10PB-9)安装在桅杆起重机地面卷筒处，与卷筒同步旋转，旋转编码器输出RS485数字信号，经过MAX3082传给STC单片机，然后再由STC单片机经过433无线通讯模块转发给信号中继模块。如图6所示。

将倾角传感器(传感器JD-180)安装在桅杆起重机主臂根部，传感器输出RS485数字信号，经过MAX3082传给STC单片机，主臂的长度固定不变，经过三角函数变换，计算得到幅度数值，然后再由STC单片机经过433无线通讯模块转发给信号中继模块。如图7所示。

将风速传感器(传感器WFS-1)安装在桅杆起重机主臂顶部，传感器输出RS485数字信号，经过MAX3082传给STC单片机，然后再由STC单片机经过433无线通讯模块转发给信号中继模块。如图8所示。

电流互感器(传感器KXT-10I)的电路如图，电流互感器采集起升电动机的运行电流值，输出4-20mA电流信号，经过本电路转化，输出0-5V的模拟电压数据，经STC单片机模数模块，将其转化成数字信号，再通过无线通讯模块，将数据传输给信号中继处理器。如图9所示。

结构应力采集模块采用应变电测法进行应力监测，由于桅杆式起重机安装在户外，工作环境一般较恶劣且潮湿，应力采集要长期监测，所以选用电阻式表面式应变计，以粘贴的形式安装。针对桅杆式起重机桅杆结构尺寸大的特点，系统采用无线数据传输方式进行应力数据传输，应变计采用的是电阻式表面式应变计DH1205，粘贴于桅杆结构的应力集中区，应变计连接到应变数据采集器，在起重机载荷发生改变时，应变计的电阻发生变化，对外输出连续变化的电压数据，经过应变采集器的数据转化后，通过无线WIFI的方式上传到操作室内的本地终端，在安全管理模块进行显示和存储。

应变数据采集模块如图10，基于德国ACAM公司的PS021芯片开发。该芯片是一款基于TDC(时间数字转换)技术开发的应变测量数字化芯片，具有非常高的测量灵活性。通过该模块将从应变计获得的电压信号转化为数字信号。在PS021芯片的外围电路最多可外接2个全桥或者4个半桥，拥有独立的温度测量模块，内部分别对温度漂移和零点漂移进行补偿。本系统采用全桥接法，两个全桥独立工作，可分别测量两个测量点的工作应力。

视频采集模块使用摄像头(型号为DS-2CD3T56WD-I3)，安装于主臂顶端采集图像，并将多个图像数据使用超五类网络线集中传输到交换机(型号为TL-SG1008M)，交换机再使用超五类网络线将图像数据传输给硬盘刻录机(型号为DS-7104N-F1)，将数据存储在硬盘(型号为ST2000DM006)内，硬盘刻录机通过VGA数据线将数据传给显示屏(型号为AOC22B1HS)。如图11所示。

安全管理模块架构如图12所示。该模块主要面向的使用对象是起重机操作人员，终端显示器设在起重机操作室内，有直观的界面并且具备较强的事务处理能力，具备有数据接收并解析、数据处理显示、数据保存、对潜在的故障进行报警、历史数据回溯、数据上传、视频监控等功能。

系统的具体安装方式为：在控制柜内相应位置安装电流传感器，监测起升电机的电流值；在桅杆底部加装倾角传感器(型号为JD-180)，监测起重机实时角度；在起升机构的卷筒轴承处，加装旋转编码器；在桅杆顶部安装风速传感器(型号为WFS-1风速传感器)；在起重机电控柜内加装信号采集装置提取操作指令。各类加装的传感器将其采集的数据传递给信号中继处理器，信号中继处理器将采集到的信号转换为数字信号，便于监控系统处理与储存，处理后统一发送给安全管理模块，该信号支持RS485输出，在桅杆中部和顶部安装2个广角摄像机，保证能够清晰看见吊钩的全运行范围，该信号直接传输到安全管理模块。在操纵室内加装工业触控平板显示屏作为系统的显示器，显示器上显示安全管理模块的各种数据和功能

本发明中未做特别说明的均为现有技术或者通过现有技术即可实现，而且本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。

Claims (8)

1.一种桅杆式起重机安全监控系统，其特征在于，包括状态采集模块、参数采集模块、应力采集模块、视频采集模块、信号中继处理器和安全管理模块，状态采集模块、参数采集模块和应力采集模块将各自采集的数据传输给信号中继处理器，信号中继处理器将信号处理后发送给安全管理模块，视频采集模块将采集的数据传输给安全管理模块，安全管理模块对信号中继处理器和视频采集模块传输来的数据进行数据管理和常见故障的逻辑判断，并在显示器上显示。

2.根据权利要求1所述的桅杆式起重机安全监控系统，其特征在于，所述状态采集模块包括起重机电控柜内的控制电路中接入的多个接触器的辅助触点，多个辅助触点分别采集起重量限制器开关状态、高度限位器开关状态、幅度限制器开关状态、防止臂架向后倾翻装置开关状态、总电源开关状态和急停装置开关状态，每个辅助触点的开闭状态信号经过光耦隔离，转化为数字量，传输给STC单片机，STC单片机通过异步串行通信接口连接433无线通讯模块将采集的各开关量传给信号中继处理器进行集中处理。

3.根据权利要求2所述的桅杆式起重机安全监控系统，其特征在于，所述系统参数采集模块包括安装于桅杆式起重机起升机构电机供电线线路上的电流传感器、安装于起升机构的卷筒轴承处的绝对值旋转编码器、安装于桅杆根部的倾角传感器、安装于桅杆顶部的风速传感器采集风速值、加装于控制柜内的信号采集装置和安装于起升机构减速箱上的绝对值加速度传感器；

电流传感器、绝对值旋转编码器、倾角传感器、风速传感器、信号采集装置和绝对值加速度传感器均与RS485接口电连接，RS485接口通过MAX3082与STC单片机通信，STC单片机经过433无线通讯模块将数据转发给信号中继处理器进行集中处理。

4.根据权利要求3所述的桅杆式起重机安全监控系统，其特征在于，所述结构应力采集模块包括应变计和应变数据采集器，应变计和应变数据采集器之间通过导线连接；

所述应变计为电阻式表面式应变计，粘贴于桅杆结构的应力集中区；起重机载荷发生改变时，应变计的电阻发生变化，则输出连续变化的电压数据，经过应变采集器的数据转化后，通过无线WIFI的方式上传给安全管理模块进行显示和存储。

5.根据权利要求4所述的桅杆式起重机安全监控系统，其特征在于，所述视频采集模块包括用过能够清晰看见吊钩的全运行范围的多个摄像头；每个摄像头拍摄的图像数据使用超五类网络线集中传输到交换机，交换机再使用超五类网络线将图像数据传输给硬盘刻录机，将数据存储在硬盘内，硬盘刻录机通过VGA数据线将数据传给安全管理模块的显示器显示。

6.根据权利要求5所述的桅杆式起重机安全监控系统，其特征在于，所述视频采集模块包括设置在桅杆中部和顶部安装两个广角摄像机。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的桅杆式起重机安全监控系统，其特征在于，所述安全管理模块包括控制器和安装在起重机操纵室内的显示器，控制器和显示器之间电连接，控制器对接收的数据进行处理显示、保存、对潜在的故障进行报警和历史数据回溯，显示器用于实时显示视频监控画面、采集的参数值和各状态量。

8.根据权利要求7所述的桅杆式起重机安全监控系统，其特征在于，所述安全管理模块为平板电脑。