CN110577149A - 一种多台起重机同步吊装的实时控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多台起重机同步吊装的实时控制装置及其控制方法，属于土木工程领域，应用于结构安全健康监测行业。它包括传感器接口驱动器、起重机升降控制驱动模块、起重机吊臂旋转控制器驱动模块、起重机吊臂伸缩控制器驱动模块、键盘、紧急制停模块、声光报警器、微控制器、LCD显示器、USB接口、FPGA控制器、zigbee无线传输模块；本发明通过设计一种多台起重机同步吊装的实时控制装置，解决了目前多台起重机在对载荷进行吊装时，通过人工方式控制的弊端，不仅提高了同步吊装效率、也极大的提高了同步吊装的精度和安全性，解决了吊装系统在吊装过程中的失稳问题。

Description

一种多台起重机同步吊装的实时控制装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种多台起重机同步吊装的实时控制装置及其控制方法，属于土木工程领域，应用于结构安全健康监测行业。

背景技术

目前流动式起重机在对被吊物进行多机抬吊时，可能存在由于吊装系统的不同步而导致的吊装系统的失稳。目前避免多机抬吊时，由于各个设备不同步而导致的吊装系统失稳的主要措施是，通过人工方式，比如设立主指挥、副指挥，通过对讲机，分别监控各自的起重机当前的起重重量，如果发生不同步，则通过一些设定好的口令进行同步控制。人工控制的方式主要的问题是：（1）同步的精度无法保证，存在指令延时引起的同步控制延时；（2）可能引入人的因素导致的误操作，从而引起较为严重的事故；（3）需要增加人力来专门负责同步的协调，在起重机数量越多的情况下，人员之间的协调更为复杂和混乱，也带来了更多的不可控因素。

发明内容

本发明目的在于提供一种多台起重机同步吊装的实时控制装置及其控制方法，针对上述的问题，本发明通过利用反馈控制、数据采集、无线传输等技术，将每台起重机的当前工作状态和参数，通过无线模块发送到控制主机（控制主机安装在主起重机上），控制主机通过对每台起重机械的当前数值进行比对分析，并发回相应的起重机调整指令，以控制起重机的起升力值（实际吊装载荷）、臂长、回转半径，使得每台起重机的当前起升力值（实际吊装载荷）达到同步。同时通过微控制器为内核的控制系统实时性、准确性、安全性都大大高于人工控制。

本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：

一种多台起重机同步吊装的实时控制装置，它包括传感器接口驱动器、起重机升降控制驱动模块、起重机吊臂旋转控制器驱动模块、起重机吊臂伸缩控制器驱动模块、键盘、紧急制停模块、声光报警器、微控制器、LCD显示器、USB接口、FPGA控制器、zigbee无线传输模块；

微控制器分别与传感器接口驱动器、起重机升降控制驱动模块、起重机吊臂旋转控制器驱动模块、起重机吊臂伸缩控制器驱动模块、键盘、紧急制停模块、声光报警器、LCD显示器、USB接口、FPGA控制器连接；

FPGA控制器与zigbee无线传输模块连接。

进一步的，从机zigbee无线传输模块与微控制器连接。

进一步的，zigbee无线传输模块的数量为一个或者一个以上。

一种多台起重机同步吊装的实时控制装置的控制方法：

微控制器通过USB接口读取吊装参数，并以指令的形式通过FPGA控制器发送到对应的从机控制系统的zigbee无线传输模块上，同时通过zigbee无线传输模块读取从机控制系统发送回来的起重机各个关键部位传感器的数据信息，与主起重机的传感器数据信息进行比较分析，并反馈调节控制指令给从机控制系统，主机控制系统和从机控制系统分别通过起重机升降控制驱动模块、起重机吊臂旋转控制器驱动模块、起重机吊臂伸缩控制器驱动模块驱动主起重机、从起重机的工作姿态，实现同步吊装。

进一步的，微控制器通过传感器接口驱动器和zigbee无线传输模块分被读取主起重机和从起重机上的关键部位传感器数据，并进行同步分析比较得出调整参数，再通过控制主起重机和从起重机上的起重机升降控制驱动模块、起重机吊臂旋转控制器驱动模块、起重机吊臂伸缩控制器驱动模块进行实时动态的同步调整。

进一步的，FPGA控制器通过内部构建的多串口接口，通过zigbee无线传输模块同步接收或同步发送数据帧。

进一步的，主机控制系统和从机控制系统通过zigbee无线传输模块进行数据交互和控制。

进一步的，当实际载荷超限时，微控制器通过LCD显示器显示报警信息，并驱动声光报警器报警提示，此时可以用过启动紧急制停模块进行强制制停。

本发明实现原理：本系统主要包括主机控制系统和从机控制系统。系统的主要工作流程是：在多台起重机根据设计好的站位位置，并就位后，再将吊装参数通过USB接口调入到到主机控制系统，吊装参数包括被吊物的初始位置坐标、目标位置坐标、以及空中移动轨迹坐标等信息。所有的吊装参数都是按照起重机的性能指标条件下，并留有安全余量的设计参数。本装置主要保证在运行过程中，多机抬吊的载荷同步，防止吊装系统的失稳。

1、主机控制系统：主要包括微控制器、键盘、LCD显示器、起重机传感器接口驱动器、起重机升降控制器驱动模块、起重机吊臂旋转控制器驱动模块、起重机吊臂伸缩控制器控制模块、FPGA逻辑控制器、zigbee模块、紧急制停按钮、声光报警等。

1.1、微控制器主要作用是通过约定好的接口协议，读取起重机上的各个关键部位传感器的信息，如当前状态下的额定载重量、实际载荷、工作半径、起吊高度、起重臂所处的角度等等这些信息将会作为多机抬吊同步控制的比对参数，以及系统的超限报警控制预警值。同时微控制器还会将比对参数得出的调整结果转换成逻辑调整指令对起重机升降控制器驱动模块、起重机吊臂旋转控制器驱动模块、起重机吊臂伸缩控制器控制模块进行驱动控制，使得多台起重机达到同步起吊的目的。微控制器还接收FPGA控制器从多个从机读取过来的实时的其他副起重机的状态信息，通过串口协议的方式进行解析数据，将副起重机的状态信息数据与主起重机的状态信息进行相互比对，得出调整参数。数据流的方式一般是：首先建立无线连接，正常后，主机根据吊装参数数据表，分别给对应的从机控制器发送阶段性的指令信息，从机控制器收到后回应执行。然后主机发送询要副起重机当前起重机各个传感器数据的命令请求，副起重机接收到命令后，返回当前状态信息，主起重机接收到后，经过状态信息对比，得到调整参数，通过协议帧的方式发送给各个从机，最后每个从起重机应答接收正确。每个过程在几秒钟内完成，每完成一个动作，主机会在重复上述过程，重新询要从起重机的当前数据。

1.2、键盘主要用于配置主机控制系统的工作参数记忆对LCD显示器上的界面控制。

1.3、LCD显示器主要显示整个吊装系统的主要实时参数以及安全超限信息，便于主指挥人员实时得知整个吊装系统是否失稳、超限等，以便及时采取紧急措施，同时系统内部也有超限控制措施，实现双重安全保护。

1.4、起重机升降控制器驱动模块、起重机吊臂旋转控制器驱动模块、起重机吊臂伸缩控制器控制模块主要是将微控制器输出的逻辑调整指令转换成起重机的驱动信号，用于对起重机的起升力、回转角度、臂长等进行数字步进控制。

1.5、起重机传感器接口驱动器主要用于匹配接起重机上自带的各个关键部位的传感器接口，采用相同的接口和协议。

1.6、FPGA逻辑控制器和zigbee模块：由于在2台以上的起重机吊装时，为了保证数据的实时和同步，本装置在主机侧设置了多个zigbee传输模块，用于跟从设备进行1对1的实时数据交互，而FPGA可以处理并行逻辑，在内部构建多个串口模块和缓存，可以并行驱动多个zigbee模块，并将并行接收到的数据打包串行发送给微控制器。同时FPGA也接收控制器发过来的调整从起重机参数的指令，并分解数据包给对应的每个从起重机对应的zigbee模块。

1.7、紧急制停按钮和声光报警：当实际载荷为额定载荷的一定比例以下时，系统正常运行，当由于意外情况，实际载荷超过设定的阈值载荷时，声光报警器启动报警，提醒指挥人员及时启动紧急制停按钮。

2、从机控制系统，主要包括微控制器、起重机传感器接口驱动器、起重机升降控制器驱动模块、起重机吊臂旋转控制器驱动模块、起重机吊臂伸缩控制器控制模块、zigbee模块、紧急制停按钮、声光报警等。从机控制系统的工作方式跟主机类似，只是在流程上，被动的接收主机控制系统发来的指令。同时从机控制器只需要一个zigbee模块来接收主机控制系统的指令即可，也无需FPGA控制器和USB接口。

本发明的有益效果：

本发明通过设计一种多台起重机同步吊装的实时控制装置，解决了目前多台起重机在对载荷进行吊装时，通过人工方式控制的弊端，不仅提高了同步吊装效率、也极大的提高了同步吊装的精度和安全性，解决了吊装系统在吊装过程中的失稳问题。

附图说明

图1为本发明的主机控制系统框图；

图2为本发明的从机控制系统框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述：

一种多台起重机同步吊装的实时控制装置，其特征在于：它包括传感器接口驱动器1、起重机升降控制驱动模块2、起重机吊臂旋转控制器驱动模块3、起重机吊臂伸缩控制器驱动模块4、键盘5、紧急制停模块6、声光报警器7、微控制器8、LCD显示器9、USB接口10、FPGA控制器11、zigbee无线传输模块12；

微控制器8分别与传感器接口驱动器1、起重机升降控制驱动模块2、起重机吊臂旋转控制器驱动模块3、起重机吊臂伸缩控制器驱动模块4、键盘5、紧急制停模块6、声光报警器7、LCD显示器9、USB接口10、FPGA控制器11连接；

FPGA控制器11与zigbee无线传输模块12连接。

从机zigbee无线传输模块13与微控制器8连接。

zigbee无线传输模块12的数量为一个或者一个以上。

一种多台起重机同步吊装的实时控制装置的控制方法：

微控制器8通过USB接口10读取吊装参数，并以指令的形式通过FPGA控制器11发送到对应的从机控制系统的zigbee无线传输模块12上，同时通过zigbee无线传输模块12读取从机控制系统发送回来的起重机各个关键部位传感器的数据信息，与主起重机的传感器数据信息进行比较分析，并反馈调节控制指令给从机控制系统，主机控制系统和从机控制系统分别通过起重机升降控制驱动模块2、起重机吊臂旋转控制器驱动模块3、起重机吊臂伸缩控制器驱动模块4驱动主起重机、从起重机的工作姿态，实现同步吊装。

微控制器8通过传感器接口驱动器1和zigbee无线传输模块12分被读取主起重机和从起重机上的关键部位传感器数据，并进行同步分析比较得出调整参数，再通过控制主起重机和从起重机上的起重机升降控制驱动模块2、起重机吊臂旋转控制器驱动模块3、起重机吊臂伸缩控制器驱动模块4进行实时动态的同步调整。

FPGA控制器11通过内部构建的多串口接口，通过zigbee无线传输模块12同步接收或同步发送数据帧。

主机控制系统和从机控制系统通过zigbee无线传输模块12进行数据交互和控制。

当实际载荷超限时，微控制器8通过LCD显示器9显示报警信息，并驱动声光报警器7报警提示，此时可以用过启动紧急制停模块6进行强制制停。

本发明实现原理：本系统主要包括主机控制系统和从机控制系统。系统的主要工作流程是：在多台起重机根据设计好的站位位置，并就位后，再将吊装参数通过USB接口调入到到主机控制系统，吊装参数包括被吊物的初始位置坐标、目标位置坐标、以及空中移动轨迹坐标等信息。所有的吊装参数都是按照起重机的性能指标条件下，并留有安全余量的设计参数。本装置主要保证在运行过程中，多机抬吊的载荷同步，防止吊装系统的失稳。

1、主机控制系统：主要包括微控制器、键盘、LCD显示器、起重机传感器接口驱动器、起重机升降控制器驱动模块、起重机吊臂旋转控制器驱动模块、起重机吊臂伸缩控制器控制模块、FPGA逻辑控制器、zigbee模块、紧急制停按钮、声光报警等。

1.1、微控制器主要作用是通过约定好的接口协议，读取起重机上的各个关键部位传感器的信息，如当前状态下的额定载重量、实际载荷、工作半径、起吊高度、起重臂所处的角度等等这些信息将会作为多机抬吊同步控制的比对参数，以及系统的超限报警控制预警值。同时微控制器还会将比对参数得出的调整结果转换成逻辑调整指令对起重机升降控制器驱动模块、起重机吊臂旋转控制器驱动模块、起重机吊臂伸缩控制器控制模块进行驱动控制，使得多台起重机达到同步起吊的目的。微控制器还接收FPGA控制器从多个从机读取过来的实时的其他副起重机的状态信息，通过串口协议的方式进行解析数据，将副起重机的状态信息数据与主起重机的状态信息进行相互比对，得出调整参数。数据流的方式一般是：首先建立无线连接，正常后，主机根据吊装参数数据表，分别给对应的从机控制器发送阶段性的指令信息，从机控制器收到后回应执行。然后主机发送询要副起重机当前起重机各个传感器数据的命令请求，副起重机接收到命令后，返回当前状态信息，主起重机接收到后，经过状态信息对比，得到调整参数，通过协议帧的方式发送给各个从机，最后每个从起重机应答接收正确。每个过程在几秒钟内完成，每完成一个动作，主机会在重复上述过程，重新询要从起重机的当前数据。

1.2、键盘主要用于配置主机控制系统的工作参数记忆对LCD显示器上的界面控制。

1.3、LCD显示器主要显示整个吊装系统的主要实时参数以及安全超限信息，便于主指挥人员实时得知整个吊装系统是否失稳、超限等，以便及时采取紧急措施，同时系统内部也有超限控制措施，实现双重安全保护。

1.4、起重机升降控制器驱动模块、起重机吊臂旋转控制器驱动模块、起重机吊臂伸缩控制器控制模块主要是将微控制器输出的逻辑调整指令转换成起重机的驱动信号，用于对起重机的起升力、回转角度、臂长等进行数字步进控制。

1.5、起重机传感器接口驱动器主要用于匹配接起重机上自带的各个关键部位的传感器接口，采用相同的接口和协议。

1.6、FPGA逻辑控制器和zigbee模块：由于在2台以上的起重机吊装时，为了保证数据的实时和同步，本装置在主机侧设置了多个zigbee传输模块，用于跟从设备进行1对1的实时数据交互，而FPGA可以处理并行逻辑，在内部构建多个串口模块和缓存，可以并行驱动多个zigbee模块，并将并行接收到的数据打包串行发送给微控制器。同时FPGA也接收控制器发过来的调整从起重机参数的指令，并分解数据包给对应的每个从起重机对应的zigbee模块。

1.7、紧急制停按钮和声光报警：当实际载荷为额定载荷的一定比例以下时，系统正常运行，当由于意外情况，实际载荷超过设定的阈值载荷时，声光报警器启动报警，提醒指挥人员及时启动紧急制停按钮。

2、从机控制系统，主要包括微控制器、起重机传感器接口驱动器、起重机升降控制器驱动模块、起重机吊臂旋转控制器驱动模块、起重机吊臂伸缩控制器控制模块、zigbee模块、紧急制停按钮、声光报警等。从机控制系统的工作方式跟主机类似，只是在流程上，被动的接收主机控制系统发来的指令。同时从机控制器只需要一个zigbee模块来接收主机控制系统的指令即可，也无需FPGA控制器和USB接口。

（1）传感器接口驱动器可以连接目前起重机上的力矩限制控制器设备，通过标准接口和通信协议，通过力矩限制器读取起重机上关键部位传感器的数据信息。

（2）起重机升降控制驱动模块、起重机吊臂旋转控制器驱动模块、起重机吊臂伸缩控制器驱动模块分别通过光耦隔离、继电器的器件，实现弱电对强电的电气开关通断的控制。

（3）紧急制停模块由一个紧急制停按钮和相关的逻辑电路组成，当按下按钮时，该模块会产生一个逻辑电平信号给微控制器，并触发微控制器的中断信号，微控制器此时将停止对起重机各个驱动模块进行调节，同时发送停机指令给从机控制系统。从机控制系统的紧急制停按钮只能停止本起重机的运行。

（4）声光报警器安装在驾驶室外，在发生超限情况时，除了主机控制系统上的LCD显示器会显示预警信息外，同时驾驶室外的声光报警器也会同步被微控制器驱动，声光报警器的作用范围包括主起重机和各个从起重机。

（5）微控制器采用32位处理器，带USB接口驱动及SPI接口。USB接口驱动连接外部U盘，从U盘读取吊装参数。SPI接口用于跟FPGA控制器进行数据交互。

（6）zigbee无线传输模块的天线需要采用吸盘天线，引出到驾驶室外，需要注意主起重机的天线要与各从起重机的天线通视，不能有遮挡。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种多台起重机同步吊装的实时控制装置，其特征在于：它包括传感器接口驱动器（1）、起重机升降控制驱动模块（2）、起重机吊臂旋转控制器驱动模块（3）、起重机吊臂伸缩控制器驱动模块（4）、键盘（5）、紧急制停模块（6）、声光报警器（7）、微控制器（8）、LCD显示器（9）、USB接口（10）、FPGA控制器（11）、zigbee无线传输模块（12）；

微控制器（8）分别与传感器接口驱动器（1）、起重机升降控制驱动模块（2）、起重机吊臂旋转控制器驱动模块（3）、起重机吊臂伸缩控制器驱动模块（4）、键盘（5）、紧急制停模块（6）、声光报警器（7）、LCD显示器（9）、USB接口（10）、FPGA控制器（11）连接；

FPGA控制器（11）与zigbee无线传输模块（12）连接。

2.根据权利要求1所述的多台起重机同步吊装的实时控制装置，其特征在于：从机zigbee无线传输模块（13）与微控制器（8）连接。

3.根据权利要求1所述的多台起重机同步吊装的实时控制装置，其特征在于：zigbee无线传输模块（12）的数量为一个或者一个以上。

4.一种如权利要求1或2或3所述的多台起重机同步吊装的实时控制装置的控制方法，其特征在于：

微控制器（8）通过USB接口（10）读取吊装参数，并以指令的形式通过FPGA控制器（11）发送到对应的从机控制系统的zigbee无线传输模块（12）上，同时通过zigbee无线传输模块（12）读取从机控制系统发送回来的起重机各个关键部位传感器的数据信息，与主起重机的传感器数据信息进行比较分析，并反馈调节控制指令给从机控制系统，主机控制系统和从机控制系统分别通过起重机升降控制驱动模块（2）、起重机吊臂旋转控制器驱动模块（3）、起重机吊臂伸缩控制器驱动模块（4）驱动主起重机、从起重机的工作姿态，实现同步吊装。

5.根据权利要求4所述的多台起重机同步吊装的实时控制装置的控制方法，其特征在于：微控制器（8）通过传感器接口驱动器（1）和zigbee无线传输模块（12）分被读取主起重机和从起重机上的关键部位传感器数据，并进行同步分析比较得出调整参数，再通过控制主起重机和从起重机上的起重机升降控制驱动模块（2）、起重机吊臂旋转控制器驱动模块（3）、起重机吊臂伸缩控制器驱动模块（4）进行实时动态的同步调整。

6.根据权利要求4所述的多台起重机同步吊装的实时控制装置的控制方法，其特征在于：FPGA控制器（11）通过内部构建的多串口接口，通过zigbee无线传输模块（12）同步接收或同步发送数据帧。

7.根据权利要求4所述的多台起重机同步吊装的实时控制装置的控制方法，其特征在于：主机控制系统和从机控制系统通过zigbee无线传输模块（12）进行数据交互和控制。

8.根据权利要求4所述的多台起重机同步吊装的实时控制装置的控制方法，其特征在于：当实际载荷超限时，微控制器（8）通过LCD显示器（9）显示报警信息，并驱动声光报警器（7）报警提示，此时可以用过启动紧急制停模块（6）进行强制制停。