CN115010014B - 一种基于ros平台的塔机智能顶升监测控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种塔机智能顶升监测控制方法及系统，该方法包括：在塔机上布置设定监测项目所对应的监测点及传感器，还提供用于监控的ROS平台，根据这些监测项目所监测的信息执行顶升监控流程，并向塔机PLC系统发送相应的控制指令，该流程包括：S1、在顶升开始前并行监测：套架监测、挂靴就位监测、配平监测、销轴监测；S2、在顶升过程中增加以下异常方面的并行监测：油缸监测、过顶监测、人员及回转动作监测；以及S3、在顶升到位后增加以下监测：标准节连接监测。本发明监测塔机智能顶升过程中易出故障的各部件位置、工作状态以及塔机人员，提高了塔机智能顶升过程中的安全性。

Description

一种基于ROS平台的塔机智能顶升监测控制方法及系统

技术领域

本发明涉及塔机智能顶升领域，特别涉及一种塔机智能顶升监测控制方法和塔机智能顶升监测控制系统。

背景技术

塔式起重机(以下简称塔机)，是建筑机械不可缺少的一环，但是在塔机使用的过程中，顶升是非常重要的一个环节，但是传统顶升往往是根据图纸和说明书由施工人员对顶升进行判断，这十分的消耗时间以及经济资源，并且人工进行顶升发生的顶升事故占塔机事故绝大部分，因此为了提升顶升效率以及安全性，提出了智能顶升的概念。

智能顶升，是针对顶升过程，将通过监测装置来对于顶升过程的标准是否达标以及就位进行判断，通过判断来确定是否进行下一步顶升动作，通过地面人员以及顶升系统来实现顶升过程的无人、少人过程。

在顶升过程中，由于外部因素或者安装问题，导致顶升出现问题是不可避免的，所以智能顶升监测系统就至关重要，监测系统可以对于数据与说明书数据进行对比然后对于顶升过程进行迅速调整，从而避免造成重大事故以及经济损失。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种塔机智能顶升监测控制系统和方法，以提高塔机智能顶升过程中的安全性、减少。

为此，本发明一方面提供了一种塔机智能顶升监测控制方法，包括：在塔机上布置设定监测项目所对应的监测点及传感器，所述设定监测项目包括套架监测、销轴监测、配平监测、挂靴就位监测、过顶监测、油缸监测、人员及回转动作监测、以及标准节连接监测，还提供用于监控的ROS平台，根据这些监测项目所监测的信息执行以下监控步骤，并向塔机PLC系统发送相应的控制指令：S1、在顶升开始前并行监测以下方面：套架监测、挂靴就位监测、配平监测、销轴监测，以判断套架是否就位、挂靴是否就位、是否配平、销轴是否配合，当这些方面都成立时，顶升就绪；S2、在顶升过程中增加以下异常方面的并行监测：油缸监测、过顶监测、人员及回转动作监测，以判断油缸温度/速度是否正常、是否过顶、人员是否误操作导致回转或变幅，当这些方面异常时停止顶升动作，排除异常，然后继续顶升；以及S3、在顶升到位后增加以下监测：标准节连接监测，以判断标准节是否安全连接，当该方面成立时，结束本次标准节加节流程。

根据本发明的另一方面，提供了一种塔机智能顶升监测控制系统，包括：在塔机上布置的与设定监测项目对应的监测点及传感器，所述设定监测项目包括套架监测、销轴监测、配平监测、挂靴就位监测、过顶监测、油缸监测、人员及回转动作监测、以及标准节连接监测；以及用于监控的ROS平台，根据这些监测项目所监测的信息执行根据上面所描述的塔机智能顶升监测控制方法的各步骤，并向塔机PLC控制系统发送控制指令，所述控制指令包括塔机继续顶升、停止顶升、退回初始位置。

本发明解决塔机智能顶升过程中因为无人、少人导致顶升过程中不能监测到顶升各项数据，本发明用于监测塔机智能顶升过程中易出故障的各部件位置、工作状态以及塔机人员，提高了塔机智能顶升过程中的安全性。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明的塔机智能顶升监测与控制系统的原理图；以及

图2是根据本发明的塔机智能顶升监测与控制方法的控制流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，本发明提供了一种塔机智能顶升监测控制系统和监测控制方法，首先我们收集到大量的塔机顶升事故的历史数据，分析事故原因和统计事故发生概率，据此找出对塔机顶升安全有重要影响的八个监测项目：套架监测、挂靴就位监测、配平监测、销轴配位监测、油缸监测、过顶监测、人员以及回转动作监测、标准节连接监测。

同时，本发明还提供ROS平台，其采集各监测点及传感器所检测的数据，并且将这些数据处理为各监测项目对应的监测信息，然后根据这些监测项目所监测的信息执行设定的顶升进程监控流程，并向塔机PLC系统发送相应的控制指令。

各监测项目的监测信息通过在塔机上布置相应的监测点及传感器和集成于ROS平台上的相应监测程序模块来实现。各监测点及传感器通过无线传输模块与ROS平台通信，所述ROS平台通过有线或无线传输模块与塔机PLC控制系统通信。

如图2所示，本发明的ROS平台中的顶升进程控制模块调用各监测项目的监测信息执行设定的顶升进程监控流程，该流程包括以下步骤：

S1、在顶升开始前并行监测以下方面：套架监测、挂靴就位监测、配平监测、销轴监测，以判断套架是否就位、挂靴是否就位、是否配平、销轴是否配合，当这些方面都成立时，顶升就绪；

S2、在顶升过程中增加以下异常方面的并行监测：油缸监测、过顶监测、人员及回转动作监测，以判断油缸温度/速度是否正常、是否过顶、人员是否误操作导致回转或变幅，当这些方面异常时停止顶升动作，排除异常，然后继续顶升；以及

S3、在顶升到位后增加以下监测：标准节连接监测，以判断标准节是否安全连接，当该方面成立时，结束本次标准节加节流程。

下面对各监测项目进行详细说明。

套架监测用于监测套架导轮是否紧贴标准节。具体地，设置四个监测点在套架与标准节连接处，监测套架是否平衡且导轮紧贴标准节。

优选地，选用四台识别相机分别安装于套架的四个角内侧，以此来监测套架导轮是否与标准节紧贴，并且监测顶升的整个过程，将识别相机传输数据通过无线传输模块传输到ROS平台，通过平台搭载的识别算法进行识别。

挂靴入位监测用于监测挂靴是否正确安装与踏步上。具体地，设置两个监测点与挂靴和标准节踏步连接处，监测挂靴是否正确安装，避免发生为正确安装就位及脱落现象。

优选地，使用识别相机安装于标准节踏步处，监测扁担梁挂靴是否就位安装于踏步处，监测整个顶升过程，并且传输到平台根据识别算法进行识别，再将识别后指令传输到PLC控制系统来控制顶升过程。

配平监测用于监测塔机是否配平，塔机配平受许多因素影响，配平监测涉及到风载荷、小车载重、小车位置、回转角度监测。

具体地，分为风速风向监测、小车载重的压力测量、小车位置的距离测量、回转角度监测，安装风速风向传感器于塔机顶部迎风处，通过风载荷计算公式来计算塔机所受风载荷：

F_w＝C_ω·P_ω·A

式中F_ω——风载荷；

C_ω——风力系数；

P_ω——计算风压；

A——迎风面积。

测量得到迎风面积，计算风压与风速有关，风速取较大的60km/h，若求得风载荷小于预设阀值，则满足配平风载荷条件。

安装压力测量传感器和距离测量传感器于变幅小车上，监测此时载重和变幅小车在起重臂上的位置，按照塔机配平说明书将变幅小车移动到指定位置，并且吊起预设重量，安装回转角度传感器于起重臂内侧一端，按照说明书将塔机会转到指定位置，只有同时满足小于风载荷预设值，吊重标准重量，变幅小车以及回转角度到达标准位置才满足配平条件，并且将监测和传感器数据无线传输到ROS平台进行数据处理以及公式计算，平台处理后得出指令传输到PLC控制系统。

销轴配位监测用于监测安全销与轴是否正确且紧固连接，具体地，监测轴是否插入，销是否正确插入轴内切紧固连接。

优选地，设置识别相机于顶升横梁上和挂靴上，用于监测分别是挂靴与踏步连接或顶升横梁与踏步连接用于支承塔顶部分时销轴是否连接就位，若销轴正常配位连接，则识别相机将监测数据上传到ROS平台进行算法处理，得出指令后传到控制系统，进行下一步动作。

油缸监测用于监测液压油缸的状态是否正常，其包括对于顶升油缸压力与温度的检测、顶升油缸顶升距离监测、速度监测，以此来判断液压油缸是否正常工作。

优选地，设置压力与温度传感器于顶升横梁上，与液压顶升油缸连接，用于监测液压顶升油缸的压力与温度，并且将数据无线传输到ROS平台。

对于顶升距离监测，采用激光测距传感器安装于液压顶升油缸内部，采用激光发出时间与再次接收到激光信号时间监测结合激光速度来得出液压顶升油缸顶升距离：

式中L——液压油缸顶升距离(cm)；

t₀——初始状态激光测距传感器时间(ms)；

t₁——移动后激光测距传感器传输时间(ms)；

V——激光传输速度(m/s)。

若L为正值，则液压油缸压缩，若L为负值，则液压油缸顶升，且传感器将数据传输到平台进行处理。

对于速度监测，通过液压油缸流量来进行计算求得液压油缸的顶升速度，并且将数据上传到ROS平台，若顶升速度一直稳定在一定值附近，则顶升正常，若速度不稳定，则顶升出现问题，必须停止顶升，并且将液压油缸返回初始位置，重新进行检测维修后才可以进行再次顶升：

V＝Q÷(π·d·d)

式中V——液压油缸顶升速度(cm/min)；

Q——液压油缸流量(ml/min)；

d——液压油缸的半径(cm)。

油缸监测必须同时满足三个监测点都正常才可以继续进行顶升作业，缺一不可。

人员以及回转动作监测用于监测塔司人员是否误操作，以及塔机顶升过程中是否存在回转动作。监测塔司人员是否在顶升过程中误操作导致塔机进行回转，而在顶升过程中塔机回转是绝对不行的，必须停止顶升并且退回起初位置，调整回转角度到标准位置再进行顶升。

优选地，设置摄像头于塔机驾驶室内，用于监测塔机驾驶员状态，因为在塔机上环境较为刻苦，会在炎热以及寒冷天气作业，所以塔机驾驶员的状态不可以忽略，若塔机驾驶员较为疲惫，体现为进行塔机作业动作不及时或者误操作，则立刻对塔机驾驶员进行提醒，驾驶室指示灯闪烁，若塔机人员误操作导致塔机回转，则上文提到的回转角度传感器，及时监测到此动作，上传到平台，平台立即传出停止顶升指令，控制塔机停止顶升，并且返回到顶升初始状态，将塔机角度调整到说明书规定角度并且重新配平后再进行顶升作业。

过顶监测用于监测套架导轮位置是否过顶。具体地，设置监测点于套架底部，监测套架底部导轮是否高于标准节顶部，避免产生过顶现象。

优选地，共用上述套架监测所使用的识别相机，识别套架底部与原标准节连接处，监测套架底部是否超过了原标准节顶部，若超出顶部，可能会出现套架滑落等危险现象，因此过顶监测非常有意义，识别相机将数据上传到ROS平台进行处理得出指令后传输到控制系统。

标准节连接监测用于监测标准节是否通过螺栓连接且紧固。具体地，在顶升完成后，标准节必须通过高强度螺栓紧固连接来保证安全，本处设计四个监测点在顶升标准节与原有标准节连接处，以此来监测标准节连接是否安全。

优选地，设置四个识别相机与高强度螺栓连接处，用于监测顶升前是否松开紧固螺栓以及加节后是否紧固高强度螺栓，并且将数据上传到ROS平台，以及进行判断可以进行顶升或者是顶升加节结束。

以上监测项目在塔机顶升整个过程都在监测。该监测控制系统所有数据都是上传到ROS平台进行数据处理、公式计算，算法识别判断得出指令，传输到控制系统进行塔机顶升进程控制，发出塔机继续顶升、停止顶升、退回初始位置等指令，通过无线/有线传送到塔机PLC控制系统，由此来控制塔机停止顶升、继续顶升、退回原有位置调整后进行顶升等。如此大幅的减少了顶升过程所需要的人力物力，提高了顶升过程的效率与安全性。

塔机PLC电控系统，接收ROS平台传输过来的指令进行即时控制，对塔机下一步动作进行控制。

无线传输模块安装于塔机塔身上，由于采用有线传输会一定程度影响到塔机作业和塔机顶升进程，本发明塔机智能顶升监测与控制系统采用无线传输模块，一定程度提高了塔机顶升的效率，减小了塔机顶升的阻碍。

本发明所提到的传感器以及识别相机均遵循安装位置不影响塔机动作以及塔机顶升的原则，且安装分布位置合理，且传感器数据都采用无线传输模块传输到ROS平台。

在本发明中，除了上述监测项目之外，根据需要还可添加其他监测项目，例如垂直度监测等。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种塔机智能顶升监测控制方法，其特征在于，包括：

在塔机上布置设定监测项目所对应的监测点及传感器，所述设定监测项目包括套架监测、销轴监测、配平监测、挂靴就位监测、过顶监测、油缸监测、人员及回转动作监测、以及标准节连接监测，还提供用于监控的ROS平台，根据这些监测项目所监测的信息执行以下监控步骤，并向塔机PLC系统发送相应的控制指令，所述控制指令包括塔机继续顶升、停止顶升、退回初始位置，各监测点及传感器通过无线传输模块与ROS平台通信：

S1、在顶升开始前并行监测以下方面：套架监测、挂靴就位监测、配平监测、销轴监测，以判断套架是否就位、挂靴是否就位、是否配平、销轴是否配合，当这些方面都成立时，顶升就绪；

S2、在顶升过程中增加以下异常方面的并行监测：油缸监测、过顶监测、人员及回转动作监测，以判断油缸温度/速度是否正常、是否过顶、人员是否误操作导致回转或变幅，当这些方面异常时停止顶升动作，排除异常，然后继续顶升；以及

S3、在顶升到位后增加以下监测：标准节连接监测，以判断标准节是否安全连接，当该方面成立时，结束本次标准节加节流程，

所述配平监测对应的传感器包括：在塔机顶部迎风处设置的风速风向传感器、在变幅小车上设置的用于检测小车载重的压力测量传感器、小车位置测量传感器、以及回转角度传感器；所述配平监测包括采集其对应的各传感器数据，根据风速风向数据，通过风载荷计算公式来计算塔机所受风载荷，当同时满足塔机所受风载荷小于风载荷预设值，吊重标准重量、变幅小车以及回转角度到达标准位置时满足配平条件，

所述油缸监测对应的传感器包括：油缸温度传感器，在顶升横梁上设置的油缸顶升压力传感器，油缸流量传感器，检测油缸顶升距离的激光测距传感器，通过激光测距传感器得到数据结合油缸尺寸得到油缸顶升速度，并且当监测到的油缸温度、压力和速度都在阈值范围内时，判定油缸工作无异常，

所述人员以及回转动作监测对应的传感器包括回转角度传感器、小车位置传感器，所述人员以及回转动作监测包括采集回转角度传感器检测的塔身回转角度、和小车位置传感器检测的小车位置来监测塔司人员是否在顶升过程中误操作。

2.根据权利要求1所述的塔机智能顶升监测控制方法，其特征在于，所述套架监测对应设置四个监测点，其分别位于套架与标准节四角连接处，这四个监测点所使用的传感器为识别相机，所述套架监测包括采集四台识别相机的数据，根据四台识别相机数据识别四角连接处的套架导轮是否与标准节紧贴。

3.根据权利要求1所述的塔机智能顶升监测控制方法，其特征在于，所述销轴监测对应设置两个监测点，分别位于顶升横梁和挂靴上，各监测点采用识别相机，所述销轴监测包括采集这两台识别相机的数据，根据该识别相机数据对销轴是否连接就位进行识别。

4.根据权利要求1所述的塔机智能顶升监测控制方法，其特征在于，所述挂靴就位监测对应设置两个监测点，分别位于两个挂靴和对应标准节踏步的连接处，这两个监测点所使用的传感器为识别相机，所述挂靴就位监测包括采集该识别相机的数据，根据该识别相机的数据对挂靴是否就位进行识别。

5.根据权利要求2所述的塔机智能顶升监测控制方法，其特征在于，所述过顶监测的监测点位于套架顶部，该监测点共用套架监测所使用的识别相机，所述过顶监测包括采集识别相机的数据，根据该数据识别套架顶部是否超过了原标准节顶部。

6.根据权利要求1所述的塔机智能顶升监测控制方法，其特征在于，所述标准节连接监测设置四个监测点，其分别位于顶升标准节与原有标准节的四个高强度螺栓连接处，这四个监测点所使用的传感器为识别相机，所述标准节连接监测包括采集这四处识别相机的数据，根据该数据识别顶升前是否松开紧固螺栓以及加节后是否紧固高强度螺栓。

7.一种塔机智能顶升监测控制系统，其特征在于，包括：

在塔机上布置的与设定监测项目对应的监测点及传感器，所述设定监测项目包括套架监测、销轴监测、配平监测、挂靴就位监测、过顶监测、油缸监测、人员及回转动作监测、以及标准节连接监测；以及

用于监控的ROS平台，根据这些监测项目所监测的信息执行根据权利要求1至6中任一项所述的塔机智能顶升监测控制方法的各步骤，并向塔机PLC控制系统发送控制指令，所述控制指令包括塔机继续顶升、停止顶升、退回初始位置。