CN1250745A - 塔式起重机运行状态监测安全保护系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种塔式起重机运行状态监测安全保护系统及其方法。该保护系统包括传感器、单片机、键盘、显示器、声光报警器及系统保护装置。该安全保护系统能够检测出吊重、起吊位置及速度、小车位置及速度、塔机回转角度及速度、起吊力矩等各性能参数。该发明的优点是:能随时监测上述各项参数,当超限值出现时,能自动声光报警或断电停机,提高塔机运行状态监测和故障诊断水平;该发明结构简单、造价低,适合国情,市场潜力巨大。

Description

塔式起重机运行状态监测安全保护系统及其方法

本发明涉及一种塔式起重机的安全保护系统及其方法，特别涉及一种塔式起重机在运行状态下能够实时自动监测并进行自动安全保护的系统及其方法。

塔式起重机具有塔高、臂长、有效服务空间大的特点，因而在建筑工程上获得广泛应用，我国年销售量大约在3000台左右。近10年来，随着高层、超高层建筑的兴起，自升塔式起重机需要量猛增，并向大型化、高速化、大高度化、长吊臂、自动化和多功能复杂化方向发展，于是塔机的可靠性和安全性日益重要。塔机运行过程中的状态监测、故障诊断和自动保护技术正逐步被工程界和制造厂家采用。

反映塔机运行状态的参数主要有：起吊重量、起吊力矩、起吊速度、位置，小车变幅位置、速度，回转角度、速度等。塔机运行状态监测技术不仅是自动保护和故障诊断工作的先决条件，也是提高塔机作业率、减轻劳动强度、防止事故、保障人身和设备安全的关键技术，现已成为制约塔机向大型、高速、自动化方向发展的因素之一。据统计，在塔机事故中，大量属于司机对上述状态参数不清楚操作失误所造成，因而塔机运行状态监测、故障诊断与自动保护问题就提出来了。

目前在国产塔机上仅配置了力矩限制器，位置限制器，速度限制器等装置，其缺点是：

1、不能实时监测塔机的运行参数，因而不能将塔机的运行状态及时显示给司机，以便及时调整。

2、这些保护装置长期使用后其自身的可靠性大大降低，一旦失灵，司机又无法知道。

3、对上述参数的监测基本上是单独进行，不能对诸多运行参数同步进行监测，不能在计算机的统一管理下对各运行参数作融合处理为塔机状态识别或故障诊断提供依据。

本发明的目的在于利用塔机的结构特点，提供一种在驾驶室内能够实时自动监测并显示塔机工作状态各项性能参数、并能够进行自动安全保护的系统及其方法。

本发明的技术解决方案是这样实现的：

塔式起重机主要包括塔身(1)、吊臂(2)、平衡臂(3)和三个运动部件，即起升机构(4)、小车变幅机构(5)和回转机构(6)等。塔式起重机运行状态监测安全保护系统主要包括：检测上述运动部件工作状态的多个传感器；接受上述传感器电信号的单片机接口；进行程序运算的单片机；用于输入参数的键盘和显示各计算参数的显示器；发出声光报警的报警器和断电停机的系统保护装置。

塔式起重机运行状态监测方法，包括以下步骤：

(a)、首先使用单片机内初始位置行程开关进行塔机吊重、车位、回转初始位置检则，将检测信号送至单片机接口，然后，从键盘输入塔机起吊高度；

(b)、吊重检测：使用拉力传感器(8)将起吊重量转换成电信号，通过动态应变仪放大，再经过A/D转换器将电信号转换成数字信号送至单片机接口，单片机计算出吊重；

(c)、起吊位置及速度检则：使用光电传感器(10)将起升机构导向轮(9)的转角变化转换成电脉冲信号送至单片机接口；同时，将控制吊重向上、向下位置的控制按钮所发出的信号也接入单片机接口；单片机计算出吊重的高度和运行速度；当超限值出现时，单片机发生信号，驱动指示灯和报警器报警；

(d)、小车位置及速度检测：使用光电传感器(11)将小车行走的速度和位置变化转换成电脉冲信号送至单片机接口；同时，将控制小车向前、向后的控制按钮信号接入单片机接口；单片机进行程序计算，计算出小车变幅的位置和速度；当超限值出现时，单片机发出信号，驱动指示灯和报警器报警；

(e)、塔机回转角度及速度检测：使用光电传感器(13)，将回转机构的位置与速度变化转换成电脉冲信号送至单片机接口；同时将控制塔机左、右回转的控制按钮所发出信号接入单片机接口；单片机计算出回转高度及速度；当有超限出现时，单片机发出信号，驱动指示灯和报警器报警；

(f)、综合上述塔机各性能参数，单片机计算出起吊力矩，并在显示器上显示出上述各性能参数；

(g)、如果起吊力矩超过设定限值时，单片机发出信号驱动声光报警器报警，同时控制固态继电器断开主回路接触器的控制线圈，从而切断电动机主回路；

(h)、当塔机运行时，上述(b)～(g)步骤反复循环进行。

本发明的优点是：

1、能在一个显示屏上随时监测到反映塔机运行状态的多项参数：起吊重量，起吊力矩，起吊速度及位置，小车变幅位置及速度，回转位置及速度等，提高了塔机的自动化和安全程度。

2、当被监测参数超过设定限值时，可报警或断电停机，并可自动记录起重机出现意外时的工况参数状态，提高了塔机状态监测和故障诊断水平。

3、利用信息融合技术，将各种监测参数融合后，可以实现空间定位、运行状态保护、典型故障识别等先进技术。

4、本发明结构简单、造价低、适合国情，因此市场潜力巨大。

附图的简单说明如下：

图1是塔式起重机结构示意图。

图2是起升机构结构示意图。

图3是小车变幅结构示意图。

图4是回转机构结构示意图。

图5是本发明监测安全保护系统示意图。

图6是本发明实施例原理方框图。

图7是实施例检测流程图。

图8是实施例保护装置电路示意图。

图9是实施例声光报警电路示意图。

下面结合附图详述本发明涉及的塔机运行状态监测安全保护系统及其方法的实施例。

参见图1。塔式起重机主要由塔身1、吊臂2、平衡臂3、起升机构4、小车变幅机构5、回转机构6等组成。

参见图5。塔式起重机运行状态监测安全保护系统，主要包括：检测起吊位置和速度的光电传感器10(见图2)，检测小车位置和速度的光电传感器11(见图3)，检测回转角度和速度的光电传感器13(见图4)；接受上述光电传感器信号的单片机接口；检测起吊重量的拉力传感器8(见图2)，接受该拉力传感器8电信号的动态应变仪和转换该信号的A/D转换器；接受所需信号并进行程序计算的单片机；输入参数的键盘和显示各计算参数的显示器；当超限值出现时，发出声光报警的报警器和断电停机的系统保护装置。该发明的传感器可使用接近开关。

上述保护装置的电路如图8所示，在电动机M供电主回路15上串联一个接触器(接触器的主触头16，接触器线圈17)。当力矩超限值时，单片机发生信号，通过固态继电器18使接触器线圈17掉电，切断电源，从而达到系统自动保护的目的。

上述声光报警的电路如图9所示。由电阻R₁、三极管G₁、蜂鸣器组成声音报警系统；由电阻R₂、三极管G₂、发光管、电阻R₃组成光报警系统。当超限值出现时，单片机发出信号，声光报警系统动作。

塔机运行状态各性能参数的检测如下：

(1)、吊重检测：拉力传感器8串接在滑轮组7定滑轮吊绳固定端适当位置(见图2)，将起吊重量G转换成电信号，由动态应变仪放大(见图6)，然后经A/D转换器进行转换后，送入单片机，测量出起吊物体的重量。

(2)、起吊位置及速度检测：光电传感器10连接在起升机构4的导向轮9上(见图2)，导向轮9的转角变化能反映起吊重物G的起吊位置和速度。将检测到的导向轮9转角变化电信号送至单片机接口INT。(见图6)。其检测原理及操作如下：在导向轮9轴上安装一圆盘，在圆盘上加工出若干个小孔，光电传感器10与圆盘垂直，当塔机起吊时，每当小孔转到与传感器相对的位置，就会产生一个脉冲。由脉冲的个数及任意两个脉冲之间的时间间隔，可计算出起吊位置及速度。

检测时，与吊重向上、向下控制按钮相接的计算机接口P_1.1、P_1.2检测出吊重运动方向，由接口INT。检测脉冲个数并对任意两个脉冲的时间间隔进行定时。

起吊位置H₁＝H₀±n×S

起吊速度V＝(H₁-H₀)/Δt

H₁——本次脉冲重物位置

H₀——上次脉冲重物位置

n——脉冲个数

S——每经过一个脉冲重物走的距离

(3)、小车位置及速度检测

在变幅小车12上安装光电传感器11(见图3)，在小车轮上安装一个圆盘，在圆盘上加工若干个小孔，光电传感器11与圆盘垂直，当小车运行时每当小孔转到与传感器11相对位置时，便会产生一个负脉冲。通过对脉冲进行计数及任意两个脉冲之间的时间差进行定时，可计算出小车的瞬时位置及速度。将电传感器11输出信号与单片机89C52的接口INT₁相连(见图6)，对该接口脉冲进行计算，可获得经过腹杆的个数，由单片机内的定时器对任意两个脉冲的时间间隔进行定时，可检测出小车经过两个腹杆所用时间，由单片机接口P_1.5，P_1.6(该接口与控制小车运行方向的按钮相接)检测小车向前及向后运动。

小车位置L₁＝L₀±n×s

小车速度v＝(L₁-L₀)/Δt

L₁——本次脉冲小车位置

L₂——上次脉冲小车位置

n——脉冲个数

s——两腹杆间的距离

(4)、塔机回转角度、回转速度的检测

在塔机回转机构6的小齿轮14上安装光电传感器13。该传感器将检测到的小齿轮13角度变化电信号送到单片机P_3.0接口，经单片机计算后，给出塔机的回转角度和速度瞬时值。其检测原理及操作如下：塔机回转时，每转过一个齿都会产生一个脉冲，通过对脉冲计数及任意两个脉冲时间间隔进行定时，可计算出回轮的角度及回轮速度。

由单片机接口P_1.3、P_1.7(该接口与控制回转方向的按钮相接)检测塔机的回转方向，由单片机对P_3.0脉冲进行计算可得到回转的角度。

回转角度α₁＝α₀±n×β

回转速度v＝(α₁-α₀)×r/Δt

α₁——本次回转角度

α₀——上次回转角度

n——回转齿数

β——每转一齿对应的角度

r——回轮半径

Δt——时间间隔

(5)、动态力矩检测

当小车的位置及吊重检测出来后，运行时的力矩为：M＝L×G

将运行时的动态力矩实时地显示给驾驶室的司机，并与该位置时的额定力矩相比较，可控制小车的运行，提高塔机的安全性。

参见图7，该发明检测流程如下：

(1)、系统进行初始化；

(2)、检测塔机状态，检测吊位、车位、回转是否达到初始位置，如果N，继续检测，如果Y，进行下一个检测程序；

(3)、检测吊重是否上升或下降，如果Y，吊重有上升或下降动作，单片机计算出吊重的高度及运行速度；如果有超限值出现，单片机发出信号，驱动指示灯和报警器报警；如果N，吊重没有上升或下降，进行下一个检测程序；

(4)、检测小车是否向前或向后，如果Y，小车有向前或向后动作，单片机计算出小车位置及运行车速；如果有超限值出现，单片机发出信号，驱动指示灯和报警器报警；如果N，小车没有向前或向后行走，进行下一个检测程序；

(5)、检测塔机是否左、右回转，如果Y，塔机有左或右回转动作，单片机计算出回转高度及回转速度；如果有超限值出现，单片机发出信号，驱动指示灯和报警器报警；如果N，塔机没有左、右回转，进入下一个检测程序；

(6)、单片机计算出吊重、力矩并在显示器上显示上述参数。如果Y，动态力矩超限值，系统保护装置动作断电停机并发出声光报警信号；如果N，系统返回到上述步骤(3)。

塔机工作时，步骤(3)～(6)反复循环进行，从而实现塔机在运行状态下随时进行自动安全检测和自动安全保护的功能。

Claims (5)

1、一种塔式起重机运行状态监测安全保护系统，该起重机主要包括塔身、吊臂、平衡臂及运动部件起升机构、小车变幅机构和回转机构等，其特征在于，该起重机的安全保护系统包括：检测上述运动部件工作状况的多个传感器；接受上述传感器电信号的单片机接口；进行程序运算的单片机；用于输入参数的键盘和显示各计算参数的显示器；发出声光报警的报警器和断电停机的系统保护装置。

2、根据权利要求1所述的安全保护系统，其特征在于，监测运动部件工作状况的多个传感器包括：安装在起重机构定滑轮上用于检测起吊重量的拉力传感器；安装在起重机构导向轮上用于检测起吊位置和速度的光电传感器；安装于变幅小车上用于测量小车位置和速度的光电传感器；安装于塔机回转机构上用于检测回转角度及速度的光电传感器。

3、根据权利要求1或2所述的安全保护系统，其特征在于：该系统还包括，接受拉力传感器电信号的动态应变仪和接受该应变仪电信号的A/D转换器。

4、根据权利要求1所述的安全保护系统，其特征在于：该系统保护装置包括切断电动机主回路电源的固态继电器和接触器。

5、一种塔式起重机运行状态监测方法，塔式起重机主要包括塔身、吊臂、平衡臂、起升机构、小车变幅机构和回转机构等，该监测方法的步骤如下：

(a)、首先进行塔机吊重、小车变幅、回转初始位置检测，将检测信号送至单片机接口；

(b)、吊重检测：使用拉力传感器将起吊重量转换成电信号，通过动态应变仪放大，再经过A/D转换器将电信号转换成数字信号送至单片机接口，单片机计算出吊重；

(c)、起吊位置及速度检测：使用光电传感器将起升机构导向轮的转角变化转换成电脉冲信号送至单片机接口；同时，也将控制吊重向上、向下位置的控制按钮信号接入单片机接口；单片机计算出吊重的高度和运行速度；当超限值出现时，单片机发出信号，驱动指示灯和报警器报警；

(d)、小车位置及速度检测：使用光电传感器，将小车行走的速度和位置变化转换成电脉冲信号送至单片机接口；同时，也将控制小车向前、向后的控制按钮信号接入单片机接口；单片机计算出小车变幅的位置和速度；当超限值出现时，单片机发出信号，驱动指示灯和报警器报警；

(e)、塔机回转角度及速度检测：使用光电传感器，将回转机构的位置与速度变化转换成电脉冲信号送至单片机接口；同时，也将控制塔机左右回转的控制按钮信号接入单片机接口；单片机计算出回转高度及速度；当有超限值出现时，单片机发出信号，驱动指示灯和报警器报警；

(f)、综合上述塔机各性能参数，单片机计算出起吊力矩，并在显示器上显示出上述各性能参数；

(g)、如果起吊力矩超限时，单片机发出信号驱动声光报警器报警，同时控制固态继电器断开主回路接触器的控制线圈，从而切断电动机主回路；

(h)、当塔机运行时，上述(b)～(g)步骤反复循环进行。

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