CN110885005B - 一种双吊钩冶炼起重机的安全吊装监控系统及监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双吊钩冶炼起重机的安全吊装监控系统及监控方法，该系统采用MEMS姿态检测技术对钢包的吊装姿态进行检测。系统包括姿态检测从机A、姿态检测从机B、姿态检测主机、控制器、显示器和起重机PLC控制器；姿态检测从机A、B分别安装在起重机的两个吊钩上，姿态检测主机、控制器、显示器安装在起重机驾驶舱内部；控制器根据接收来自起重机PLC信息判断当前吊装流程决定是否让系统进入低功耗或工作状态，并通过比较姿态检测从机A和姿态检测从机B的测量数据给予声光报警和实时显示，起重机驾驶人员根据这些提示来判断是否能够进行钢包的吊装作业。本发明能够有效地辅助起重机驾驶人员完成钢包的吊装作业，从而避免钢包吊装事故的发生。

Description

一种双吊钩冶炼起重机的安全吊装监控系统及监控方法

技术领域

本发明属于双吊钩起重机的安全吊装监控领域，特别是冶炼行业中使用双吊钩起重机对钢水包(用于盛放质量从几十顿到几百吨1650摄氏度左右的钢水)进行安全吊装的监控系统及监控方法。

背景技术

在冶炼行业中，钢包的吊装运输是钢厂生产流程中的重要环节。钢包起吊具有高强度、高频次的特点；钢包吊装事故从事故发生频率(事故数/起吊数)方面定量来看是低的，但是从事故性质来看，多是重大、恶性事故。这对钢包吊装检测系统的工况辨识准确性、系统自身可靠性、系统易用性等提出了严峻挑战。传统的钢包吊装方式是通过地面工作人员的目视指挥，结合起重机驾驶员的目视确认来保证起重机双吊钩同时钩住钢包两侧的耳轴。由于冶炼现场存在大量的粉尘和烟雾导致能见度低，同时地面工作人员和起重机驾驶员距离钢包的距离较远，故传统的钢包吊装方式，难以保证双吊钩同时钩住钢包的耳轴。

随着科技的发展以及为响应国务院提出的2025中国制造，目前在钢包吊装安全监控系统中已经初步尝试使用计算机视觉姿态检测技术、激光定位姿态检测技术以及GPS姿态检测技术等用于识别冶炼起重机双吊钩是否同时钩住钢包两侧的耳轴，但是其使用效果不太理想，未达到预期的使用要求。计算机视觉姿态检测技术通过拍摄吊钩和钢包耳轴的完整图像，采用图像处理的方法对挂钩状态进行识别；这种技术的应用优势是非接触测量，对温度、冲击不敏感，但是其对现场粉尘、烟雾敏感并且对现场光线有要求，当现场粉尘较大且工作场所光线变化时，会降低识别的准确度并且该检测技术后处理算法复杂，运算量大，难以保证钢包吊装的实时性要求。激光定位姿态检测技术一般采用三角法测量空间中吊钩和耳轴的位置，进而对挂钩状态进行识别，然而现场粉尘对激光的影响较大，易造成识别失误，难以满足现场应用需求；若改为激光跟踪仪的方式测量空间物体的位置，则成本较高；同时激光定位方式识别的是激光反射点的位置，而反射点和吊钩，反射点和耳轴的相对位置无法给出。GPS姿态检测技术是通过吊钩上所布置的多个(至少3个)不共线的GPS接收机来检测吊钩的姿态；该技术的测量精度和GPS接收机之间的距离有关，接收机之间的距离越大测量精度越高，反之测量精度越低；由于吊钩尺寸的限制，难以获得较高的测量精度并且由于钢包吊装是在厂房中进行导致GPS接收机接收信号的质量较差，这使得该技术难以满足钢包吊装的现场应用需求。因此，目前迫切需要一种不受粉尘、烟雾、光线以及吊钩尺寸等因素影响的双吊钩冶炼起重机安全吊装监控系统及监控方法。

发明内容

为解决上述问题，本发明根据现有技术不足公开了一种双吊钩冶炼起重机的安全吊装监控系统及监控方法，该系统采用陀螺仪和加速度计组合的MEMS姿态检测技术对钢包的吊装姿态进行检测；该姿态检测技术具有较高的测量精度，静态精度为0.25°，动态精度为0.5°，满足系统的测量精度要求。

本发明采用的设计方案为：

一种双吊钩冶炼起重机的安全吊装监控系统及监控方法，该系统主要有由两个姿态检测从机、主机、工控机和显示器组成。两个姿态检测从机分别安装在冶炼起重机双吊钩外侧，姿态检测从机首先通过姿态检测传感器检测每个吊钩的实时姿态，然后通过无线传输的方式将两个姿态检测从机检测的吊钩姿态信息实时传输给起重机驾驶舱中的主机接收装置，主机再将接收到的姿态信息传输给控制器。控制器对数据进行处理后，进行比较判断双吊钩是否同时钩住钢包两侧的耳轴，将判断结果通过声光报警形式进行输出，同时通过显示器显示出起重机双吊钩和钢包耳轴的挂钩状态，起重机驾驶人员根据这些提示来判断是否能够进行钢包的安全吊装作业。

一种双吊钩冶炼起重机的安全吊装监控系统，系统由姿态检测从机A、姿态检测从机B、姿态检测主机、控制器和显示器以及起重机PLC控制器组成；其中，姿态检测主机包括单片机、物联网无线传输模块、无线传输天线、电路板A、电路板B以及航空插头；姿态检测从机A、B分别包括单片机、姿态检测传感器、物联网无线传输模块、无线传输天线、电路板A、电路板B、充电锂电池、稳压模块、微功耗电压基准二极管、负载开关；姿态检测传感器包括加速度计、陀螺仪、磁力计，通过传感器实时检测吊钩A、B的空间姿态信息来判断双吊钩是否同时勾住钢包的两个耳轴；微功耗电压基准二极管反向击穿产生的稳定电压作为单片机AD转换的参考电压，用于实现姿态检测从机电源电量的检测；单片机通过控制负载开关来实现对姿态检测传感器的通、断电控制，从而进一步降低姿态检测从机A、B的功耗；物联网无线传输模块用于实现姿态检测主机、姿态检测从机A、B之间的通讯连接，姿态检测传感器和单片机采用UART通信，其波特率为460800、停止位为1、数据为8；物联网无线传输模块和单片机也采用UART通信，其波特率为115200、停止位为1、数据为8；并且为保证姿态检测主机和姿态检测从机A、B之间以及姿态检从机A和姿态检测从机B之间的有效通信，将姿态检测主机和姿态检测从机A、B的物联网无线传输模块设置成相同的波特率(115200)、相同的信道以及相同的工作模式(广播模式)；另外，控制器分别通过超五类网线、RS232串口和HDML线与起重机PLC控制器、姿态检测主机以及显示器相连。通过上述的通信方式搭建起的通信网络，能够实现系统各部分之间可靠、高效的通讯。

进一步地，上述姿态检测从机A或B的姿态检测传感器、单片机、微功耗电压基准二极管、负载开关和稳压模块焊接在电路板A上，物联网无线传输模块焊接在电路板B上，电路板A和电路板B之间通过排针、排母相连，如图3所示；充电锂电池和稳压模块的输入端相连；负载开关、单片机、物联网无线传输模块以及微功耗电压基准二极管的电压输入端和稳压模块的输出端相连；负载开关的电源输出端和电源控制端，分别与姿态检测传感器和单片机相连；微功耗电压基准二极管反向击穿产生的稳定电压连接到单片机AD转换的参考电压引脚；物联网无线传输模块一端和单片机的串口UART1相连，另一端通过SMA转接线和无线传输天线相连；姿态检测传感器的信号输出端和单片机的串口UART2相连。

进一步地，上述姿态检测主机的单片机焊接在电路板A上，物联网无线传输模块焊接在电路板B上，电路板A和电路板B之间通过排针、排母相连，如图6所示；姿态检测主机采用外部电源供电，电源通过航空插头直接和单片机、物联网无线传输模块相连；姿态检测主机的物联网无线传输模块一端和单片机的串口UART1相连，另一端通过SMA转接线和无线传输天线相连；单片机的串口UART2通过航空插头和控制器相连接；控制器通过“RS232转UART”和姿态检测主机单片机串口UART2相连的同时，亦通过超五类网线和HDML线分别与起重机PLC控制器和显示器相连。

在系统工作过程中，为保证姿态检测从机A和姿态检测从机B的同步性，系统采取如下工作模式：在系统采集吊钩A和吊钩B空间姿态时，首先控制器将采集数据的命令发送给姿态检测主机，然后姿态检测主机通过无线传输的方式将采集数据的命令同时传输给姿态检测从机A和姿态检测从机B；姿态检测从机A和姿态检测从机B接收到采集数据的命令后同时开始采集吊钩A和吊钩B的空间姿态信息。在上传吊钩A和吊钩B的姿态信息时，姿态检测从机B监听姿态检测从机A上传给姿态检测主机的数据，当监听到姿态检测从机A上传数据后，姿态检测从机B同步上传自己的数据；最后姿态检测主机把姿态检测从机A和姿态检测从机B的数据打包，上传给控制器。

进一步地，上述姿态检测从机A、B的金属外壳上涂覆一层厚度为5-10mm的耐高温隔热涂料并且在姿态检测主机、姿态检测从机A和姿态检测从机B的金属外壳上开有窗口，如图3所示；其中，涂覆耐高温隔热涂料是为了防止钢水包所盛钢水的热辐射和热传导对姿态检测从机的单片机、姿态检测传感器的工作状况产生影响；在姿态检测主机、姿态检测从机A和姿态检测从机B的金属外壳上开窗口是为了防止金属外壳对主、从机无线通信产生影响。并使用碳化硅陶瓷片遮住窗口，碳化硅陶瓷对无线通信的影响非常小，如图4所示；碳化硅陶瓷片通过高温胶连接到姿态检测从机A、B和姿态检测主机的外壳上。

采用上述的双吊钩冶炼起重机的安全吊装监控系统的方法，包括步骤如下：

第一步，在系统的工作过程中，首先控制器根据接收来自起重机PLC控制器的信息判断当前吊装流程，决定是否让姿态检测从机A、B进入低功耗或工作状态；然后控制器将低功耗或工作命令发送给姿态检测主机。

第二步，姿态检测主机通过无线传输的方式将命令发送给姿态检测从机。

第三步，姿态检测从机A、B接收到采集数据的命令后，单片机通过姿态检测传感器获取吊钩A和吊钩B的空间姿态信息，然后上传吊钩A和吊钩B的姿态信息。在上传吊钩A和吊钩B的姿态信息时，姿态检测从机B监听姿态检测从机A上传给姿态检测主机的数据，当监听到姿态检测从机A上传数据后，姿态检测从机B同步上传自己的数据。

第四步，最后姿态检测主机把姿态检测从机A和姿态检测从机B的数据打包后，上传给控制器。

第五步，控制器对数据进行处理，并给予声光报警和实时显示，通过显示器显示出起重机双吊钩和钢包耳轴的挂钩状态。

第六步，起重机驾驶人员根据这些提示来判断是否进行钢包的安全吊装作业。

本发明的有益效果为：

与现有的双吊钩冶炼起重机的安全吊装监控系统及监控方法对比，本发明不受粉尘、烟雾、光线以及吊钩尺寸等因素影响；检测精度高、功耗低、价格低、实时性好且可靠性高。该系统采用陀螺仪、磁力计和加速度计组合的MEMS姿态检测技术对钢包的吊装姿态进行检测，使用MEMS姿态检测技术有效地避免了粉尘、烟雾、光线以及吊钩尺寸等因素对钢包吊装姿态检测精度的影响；系统具有较高的测量精度，静态精度为0.25°，动态精度为0.5°。

附图说明

图1是本发明的系统安装位置示意图；

图2是系统组成框图；

图3姿态检测从机主视图；

图4姿态检测从机左视图；

图5姿态检测从机俯视图；

图6姿态检测主机主视图；

图7姿态检测主机左视图；

图8姿态检测主机俯视图；

图中：1起重机驾驶舱；2显示器；3控制器；4起重机PLC控制器；5姿态检测主机；6姿态检测从机A；7吊钩A；8钢水包；9吊钩B；10姿态检测从机B；11姿态检测传感器；12六角铜螺柱；13无线传输天线；14充电锂电池；15姿态检测从机电路安装支架；16电路板A；17单片机；18电路板B；19物联网无线传输模块；20姿态检测从机外壳；21耐高温隔热涂料；22碳化硅陶瓷片；23电路安装板；24陶瓷底座；25姿态检测主机电路安装支架；26航空插头。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整地描述。

“双吊钩冶金起重机的安全监控系统”各组成部分的安装位置示意图，如图1所示。显示器2放置在便于起重机驾驶人员观看的位置；姿态检测主机放置在便于和姿态检测从机A、B进行无线通信的起重机驾驶舱1窗口位置，窗口玻璃对无线通信的影响非常小；同时，为防止钢水包8所盛钢水的热辐射对姿态检测从机的正常工作产生影响，选择将姿态检测从机A、B分别安装在起重机吊钩A7和吊钩B9的外侧的中间位置并以螺钉进行连接。

所述姿态检测从机A、B采用26650A充电锂电池14供电，电源经过ME6211-3.3V稳压芯片稳压后，同时给负载开关TPS22810、单片机17、物联网无线传输模块19进行供电；负载开关TPS22810的电源输出端和控制端分别与姿态检测传感器11和单片机17相连，单片机17通过控制TPS22810来控制姿态检测传感器11的通电或断电，从而进一步降低姿态检测从机A、B的功耗。稳压二极管LM385-2.5反向击穿产生的2.5V电压作为单片机AD转换的参考电压，用于对充电锂电池14的电量进行检测。姿态检测从机A、B的物联网无线传输模块19一端和单片机17的串口UART1相连，另一端通过SMA转接线和无线传输天线13相连接；并且单片机的串口UART2和姿态检测传感器11相连。

所述姿态检测从机A、B各组成部分的结构和空间布局如图3、图4、图5所示，姿态检测传感器11、单片机17、LM385-2.5、TPS22810和稳压模块ME6211-3.3V焊接在电路板A16上；物联网无线传输模块19焊接在电路板B上；电路板A和电路板B之间通过排针、排母进行连接。无线传输天线13和电路板A、B分别通过紧定螺母和六角铜螺柱12安装到姿态检测从机电路安装支架15上，从机电路安装支架15通过4个螺钉安装到电路安装板23上；电路安装板23再通过螺钉安装在2个陶瓷底座24上；最后陶瓷底座24通过的螺钉安装在起重机吊钩上，从而实现姿态检测从机的安装和固定。在姿态检测从机A、B金属外壳上，开一个大小合适、不影响信号传输的窗口，窗口由碳化硅陶瓷片遮盖，碳化硅陶瓷片和姿态检测主机金属外壳采用高温胶进行连接；同时在姿态检测从机A、B上上涂覆一层厚度为5-10mm的耐高温隔热涂料21。

所述姿态检测主机的物联网无线传输模块一端和单片机的串口UART1相连，另一端通过SMA转接线和无线传输天线相连接；并且单片机的串口UART2通过航空插头和控制器3相连接。姿态检测主机采用外部3.3V电源供电，电源线通过航空插头直接和单片机、物联网无线传输模块相连。

所述姿态检测主机各组成部分的结构和空间布局如图6、图7、图8所示，单片机焊接在电路板A上；物联网无线传输模块焊接在电路板B上；电路板A和电路板B之间通过排针、排母进行连接；无线传输天线和电路板A、B分别通过紧定螺母和六角铜螺柱安装到姿态检测主机电路安装支架25上。在姿态检测主机金属外壳上，开一个大小合适、不影响信号传输的窗口，窗口由碳化硅陶瓷片遮盖，碳化硅陶瓷片姿态检测主机金属外壳采用高强度胶进行连接。

所述控制器3通过“RS232转UART”和姿态检测主机单片机串口UART2相连的同时，亦通过超五类网线和HDML线与起重机PLC控制器4和显示器2相连。并且在控制器3上编写LabVIEW程序，用于系统启、停及校准控制、显示起重机双吊钩和钢包耳轴的挂钩状态、吊钩A、B的角度值、姿态检测从机A、B的电量，并给予声光报警。

Claims (4)

1.一种双吊钩冶炼起重机的安全吊装监控系统，其特征在于，系统由姿态检测从机A（6）、姿态检测从机B（10）、姿态检测主机（5）、控制器（3）和显示器（2）以及起重机PLC控制器（4）组成；其中，姿态检测主机（5）包括单片机、物联网无线传输模块、无线传输天线、电路板A、电路板B以及航空插头（26）；姿态检测从机A、B均包括单片机（17）、姿态检测传感器（11）、物联网无线传输模块（19）、无线传输天线（13）、电路板A（16）、电路板B（18）、充电锂电池（14）、稳压模块、微功耗电压基准二极管、负载开关；姿态检测传感器（11）包括加速度计、陀螺仪、磁力计，通过姿态检测传感器实时检测吊钩A、B的空间姿态信息来判断双吊钩是否同时勾住钢包的两个耳轴；微功耗电压基准二极管反向击穿产生的稳定电压作为单片机AD转换的参考电压，用于实现姿态检测从机A、B电源电量的检测；单片机通过控制负载开关来实现对姿态检测传感器（11）的通、断电控制；物联网无线传输模块（19）用于实现姿态检测主机、姿态检测从机A、B之间的通讯连接，姿态检测主机和姿态检测从机A、B的物联网无线传输模块设置成具有相同的波特率、相同的信道以及相同的工作模式，保证姿态检测主机和姿态检测从机A、B之间以及姿态检从机A和姿态检测从机B之间的无线通信；

所述姿态检测从机A或B的姿态检测传感器（11）、单片机（17）、微功耗电压基准二极管、负载开关和稳压模块焊接在电路板A（16）上，物联网无线传输模块（19）焊接在电路板B（18）上，电路板A（16）和电路板B（18）之间通过排针、排母相连；充电锂电池（14）和稳压模块的输入端相连；负载开关、单片机（17）、物联网无线传输模块（19）以及微功耗电压基准二极管的电压输入端和稳压模块的输出端相连；负载开关的电源输出端和电源控制端，分别与姿态检测传感器（11）和单片机（17）相连；微功耗电压基准二极管反向击穿产生的稳定电压连接到单片机AD转换的参考电压引脚；物联网无线传输模块（19）一端和单片机（17）的串口UART1相连，另一端通过SMA转接线和无线传输天线（13）相连；姿态检测传感器的信号输出端（11）和单片机的串口UART2相连；

所述姿态检测主机的单片机焊接在电路板A上，物联网无线传输模块焊接在电路板B上，电路板A和电路板B之间通过排针、排母相连；姿态检测主机采用外部电源供电，电源通过航空插头直接和单片机、物联网无线传输模块相连；姿态检测主机的物联网无线传输模块一端和单片机的串口UART1相连，另一端通过SMA转接线和无线传输天线相连；单片机的串口UART2通过航空插头和控制器（3）相连接；控制器（3）通过“RS232转UART”和姿态检测主机单片机串口UART2相连的同时，亦通过超五类网线和HDML线分别与起重机PLC控制器（4）和显示器（2）相连；

在系统工作过程中，为保证姿态检测从机A（6）和姿态检测从机B（10）的同步性，系统采取如下工作模式：在系统采集吊钩A（7）和吊钩B（9）的空间姿态时，首先控制器（3）将采集数据的命令发送给姿态检测主机（5），然后姿态检测主机（5）通过无线传输的方式将采集数据的命令同时传输给姿态检测从机A（6）和姿态检测从机B（10）；姿态检测从机A（6）和姿态检测从机B（10）接收到采集数据的命令后，同时开始采集吊钩A（7）和吊钩B（9）的空间姿态信息；在上传吊钩A（7）和吊钩B（9）的空间姿态信息时，姿态检测从机B（10）监听姿态检测从机A（6）上传给姿态检测主机（5）的数据，当监听到姿态检测从机A（6）上传数据后，姿态检测从机B（10）同步上传自己的数据；最后姿态检测主机（5）把姿态检测从机A（6）和姿态检测从机B（10）的数据打包，再上传给控制器（3）。

2.根据权利要1所述的双吊钩冶炼起重机的安全吊装监控系统，其特征在于，姿态检测从机A、B的外壳（20）上涂覆一层厚度为5-10mm的耐高温隔热涂料（21）。

3.根据权利要1所述的双吊钩冶炼起重机的安全吊装监控系统，其特征在于，姿态检测从机A、B外壳和姿态检测主机外壳上面开有窗口，并使用碳化硅陶瓷片（22）遮住窗口；碳化硅陶瓷片（22）通过高温胶连接到姿态检测从机A、B和姿态检测主机的外壳上。

4.采用权利要求1-3任一所述的双吊钩冶炼起重机的安全吊装监控系统的方法，其特征在于，包括步骤如下：

第一步，在系统的工作过程中，首先控制器（3）根据接收来自起重机PLC控制器（4）的信息判断当前吊装流程，决定是否让姿态检测从机A、B进入低功耗或工作状态；然后控制器（3）将低功耗或工作命令发送给姿态检测主机；

第二步，姿态检测主机通过无线传输的方式将命令发送给姿态检测从机A、B；

第三步，姿态检测从机A、B接收到采集数据的命令后，单片机通过姿态检测传感器获取吊钩A和吊钩B的空间姿态信息，然后上传数据；在上传吊钩A和吊钩B的姿态信息时，姿态检测从机B监听姿态检测从机A上传给姿态检测主机（5）的数据，当监听到姿态检测从机A上传数据后，姿态检测从机B同步上传自己的数据；

第四步，最后姿态检测主机把姿态检测从机A和姿态检测从机B的数据打包，上传给控制器；

第五步，控制器对数据进行处理，并给予声光报警和实时显示，通过显示器显示出起重机双吊钩和钢包耳轴的挂钩状态；

第六步，起重机驾驶人员根据第五步的提示判断是否进行钢包的安全吊装作业。

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