CN1819521A - 塔吊群交叉作业的安全防护智能测控仪器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种塔吊群交叉作业的安全防护智能检测仪器，该仪器由多套终端设备和一台地面控制台构成，终端设备设置在每台作业塔吊上；该仪器制造成本低、功能强、精度高，速度快，操作方便，适用于平动式塔吊群交叉作业的安全防护，其中包括：交叉作业塔吊间的防碰控制，交叉作业区内工作塔吊的数目控制，塔吊与周边楼宇的防碰控制，塔吊工作区域的范围限定，塔吊工作的限速控制和塔吊的力矩保护等6种功能。同时还提供塔吊群实时运行状态和工作参数的现场显示和远程监控服务，群内塔吊数可达到10台，每单台塔吊作业区内的限制区域及楼宇防护可达到5处，系统响应时间为50ms～500ms，并可根据需要，随电台波特率的提高而进一步缩短。

Description

塔吊群交叉作业的安全防护智能测控仪器

                        技术领域

本发明属于基于无线自组织网络的嵌入式实时测控领域，涉及一套测控仪器，更进一步涉及一种塔吊群交叉作业的安全防护智能检测仪器。

                        背景技术

塔吊群交叉作业作为当代建筑行业广泛采用的一种施工形式，它的可靠性与高效性直接影响了施工现场人员的人身安全与的整个项目的工期进度等。由于大型施工现场交叉作业的塔吊数目庞大以及周边环境对塔吊作业范围的复杂限制，不可避免地影响了塔吊群交叉作业的使用效果。为确保安全生产的开展，只能在布设塔吊的时候，尽量减少交叉作业情况的产生。这样显然降低了整个工地的施工效率，使得塔吊作业成为影响工期的瓶颈；而且对于由于受作业面积限制的交叉作业环境，只能依靠地面人员的调度指挥进行协调，此项工作将变得异常困难与繁重，安全性与高效性都很难得到保障。对于高速运转下的大型塔吊群而言，靠人工指挥是无法进行的。因此，如何在保证安全性的同时，进一步提高整个塔吊群的作业效率，缩短项目工期，是整个建筑施工行业急需解决的问题。在法国、意大利、新加坡等国家，此类设备已作为国家规定的强制防护设备，安装于交叉作业的塔吊上，完成塔吊群作业的安全保障工作。国内在该方面研究大大落后发达国家，尽管国内同行进行过多方面的探索研究，但多停留在单个塔吊的限位、限幅保护上，几乎没有对交叉作业下塔吊群防碰撞的研究，目前尚无成功的塔吊群交叉作业安全防护设备的相关报道和产品问世。

                        发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种塔吊群交叉作业的安全防护智能测控仪器，该仪器采用无线自组织网络的嵌入式，具有工作可靠、能够实时测控塔吊群，以完成塔吊群交叉作业下的安全防护和提高工作效率，而且成本低，制备简单。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是，所述的终端设备包括：

1)一终端控制器，内置终端软件，用于相关塔吊群各项工作参数的设定，状态信息的采集与计算，防碰撞算法的运行，塔吊群运行状态的实时图形化显示；

2)一无线通信模块，该模块具有RS232标准接口，具备9.6Kbps以上波特率，用于完成塔吊之间的相关数据传输；

3)1～3个AB相增量编码器，用于采集塔臂回转，小车运动，吊钩提升的相对位置信息；

4)2～8个PNP型接近开关，用于采集塔吊回转，小车运动的矫正信息，以及采集塔臂回转，小车运动，吊钩提升的相对位置信息；

5)2个滑动变阻器，用于采集小车运动，吊钩提升的位置信息；

6)1个4～20mA输出的压力传感器，用于测量塔吊的吊重；

7)12个24VDC或110VAC以下额定耐压的断路器，用于控制塔吊2档位6方向共12组输出；

上述AB相编码器、接近开关、滑动变阻器、压力传感器作为仪器的检测单元与终端控制器提供的输入接口相连，断路器在与终端控制器提供的输出接口连接后，串联到各向电机控制回路中，无线通信模块通过RS232接口与控制终端连接；

所述的地面控制台包括：

1)一台计算机，内置基于虚拟仪器设计的监控软件，用于地面人员对塔吊群远程设定、实时监测和人工调度；

2)一无线通信模块，该模块具有RS232标准接口，具备9.6Kbps以上波特率，用于完成地面控制台与终端测控设备间的数据传输；无线通信模块通过RS232接口与计算机连接。

本发明的塔吊群交叉作业的安全防护智能测控仪器，适用于平动式塔吊群交叉作业的安全防护，其中包括：交叉作业塔吊间的防碰控制，交叉作业区内工作塔吊的数目控制，塔吊与周边楼宇的防碰控制，塔吊工作区域的范围限定，塔吊工作的限速控制和塔吊的力矩保护等6种功能。同时还提供塔吊群实时运行状态和工作参数的现场显示和远程监控服务，群内塔吊数可达到10台，每单台塔吊作业区内的限制区域及楼宇防护可达到5处，系统响应时间为50ms～500ms(响应时间可根据需要，随电台波特率的提高而进一步缩短)。主要技术指标和其总体技术指标均达到行业先进水平。

                        附图说明

图1是本发明的系统硬件结构框图；

图2是本发明的软件功能结构图；

图3是本发明的防碰算法功能结构图

图4是本发明的终端控制器的电路框图；；

图5是本发明的防碰撞算法的实现；

为了更清楚的理解本发明，下面结合附图和发明人给出的具体实例，对本发明作进一步的详细描述与说明。

                      具体实施方式

如图1所示，一种塔吊群交叉作业的安全防护智能检测仪器，其特征在于，该仪器由多套终端设备和一台地面控制台构成，终端设备设置在每台作业塔吊上；

所述的终端设备包括：

1)一台终端控制器，内含基于ARM7平台的控制器及相关信号调理单元，内置终端固件，用于相关塔吊群各项工作参数的设定，状态信息的采集与计算，防碰撞算法的运行，塔吊群运行状态的实时图形化显示；

2)提供RS232标准接口，具备9.6Kbps以上波特率的无线通信模块一台，用于完成塔吊之间的相关数据传输。

3)1～3个AB相增量编码器，用于采集塔臂回转，小车运动，吊钩提升的相对位置信息。

4)2～8个PNP型接近开关，用于采集塔吊回转，小车运动的矫正信息，以及采集塔臂回转，小车运动，吊钩提升的相对位置信息(可供选择的输入方式)。

5)2个滑动变阻器，用于采集小车运动，吊钩提升的绝对位置信息(可供选择的输入方式)

6)1个4～20mA输出的压力传感器，用于测量塔吊的吊重。

7)12个24VDC或110VAC以下额定耐压的断路器，最多可控制塔吊2档位6方向共12组输出。

地面控制台包括：

1)计算机一台，内置基于虚拟仪器设计的监控软件。用于地面人员对塔吊群远程设定、实时监测和人工调度。

2)提供RS232标准接口，具备9.6Kbps以上波特率的无线通信模块一台，用于完成地面控制台与终端测控设备间的数据传输。

其中，根据塔吊的具体要求在编码器、接近开关、滑动变阻器、压力传感器中选择合适的输入方式，作为系统的检测单元与终端控制器提供的输入接口相连。断路器在与终端控制器提供的输出接口连接后，串联到各向电机控制回路中。无线通信模块通过RS232接口与控制终端连接。每台塔吊需配备该终端设备一套。

地面控制台由无线通信模块通过RS232接口与计算机连接构成。可根取需要，以施工工地为单位进行配置。

采集单元将本机塔吊塔臂回转、小车运动、吊钩提升的位置信息、塔吊的吊重、塔臂回转及小车运动的位置矫正信息，经过输入采集单元的信号调理、数字量化、光电隔离，输入终端控制器。其他塔吊的实时状态数据通过无线通信模块接收，并由RS232接口输入至终端控制器。结合由现场施工人员通过终端控制器的键盘输入设定的模型参数，对本机的12种独立运动方式的进行通断判定。决策结果通过光电隔离、继电器控制转化为控制动作，对串入到电机回路的断路器进行控制，以完成塔吊群交叉作业的安全防护工作。同时对塔吊群的实时状态信息及终端控制器的执行动作，在屏幕上进行图形化显示。塔吊群的实时状态信息通过无线通信模块输入到地面控制台的计算机中，完成塔吊群运转情况的地面监测。地面调度人员也能通过虚拟仪器界面对塔吊群的模型参数进行设定，以及对塔吊群进行人工调度。

如图2，所示终端软件共分为四大模块，无线自组织网络模块(包括接入点的身份验证机制、数据传输的容错控制、无线网络的Qos控制和动态接入退出的服务)、人机交互界面模块(包括图形化实时显示，菜单管理、参数的键盘录入和状态灯，蜂鸣器等警示装置的控制)、数据管理模块(包括模拟和数字信号的数据采集、增量式编码器信号的解码实现、本机数据的存储与恢复、远程数据的压缩解压和历史数据的备份与查询)，输出控制模块(包括交叉作业塔吊间的防碰控制、交叉作业区内工作塔吊的数目控制、塔吊与周边楼宇的防碰控制、塔吊工作区域的范围限定、塔吊工作的限速控制和塔吊的力矩保护)。各任务由嵌入式实时操作系统进行调度。地面控制台软件由无线自组织网络模块，数据库管理模块和虚拟仪器模块构成，完成塔吊群参数的远程设定，塔吊群工作状态的地面监测和塔吊群工作的地面调度等功能。

如图3，其中图3(A)所示为交叉作业塔吊间的防碰撞情况。所说的碰撞包括：防止等高塔吊之间塔臂的碰撞，防止低塔吊塔臂与高塔吊吊绳和货物的碰撞，防止本机塔臂、货物与对方塔身的碰撞，防止塔臂和货物的惯性碰撞等。图3(B)所示为塔吊吊重时倾倒的力矩保护。(C)所示为塔吊作业的区域限定。其中包括，吊重范围的工地限制，吊重范围内的区域(如道路，民房的上空)避让。其中还包括塔吊塔臂与楼宇，货物与楼宇的碰撞情况。

图4是发明人给出的终端控制器的电路框图。控制器的核心为基于ARM7TDMI架构的S3C44B0X芯片。配合8MB的K4S166432内存芯片和2MB的39VF1601闪存芯片构成控制器的最小系统。S3C44B0X提供的UART接口通过MAX3232的电平转换，对外提供一组带硬件流控制的5线串口，供电台传输数据使用。S3C44B0X提供的一组LCD接口通过转接板直接驱动5.7英寸的液晶屏，完成图形和数据的显示。ZLG7290完成键盘扫描工作，键值由IIC总线送入S3C44B0X。S3C44B0X通过EMIF接口读取CPLDEPM7128内的寄存器完成系统的数据采集及输出控制。增量式编码器和接近开关的数字信号通过TLP521的光电隔离送入EPM7128进行解码。压力变送器输出的4-20mA电流信号通过RCV420转换位电压信号，连同滑动变阻器上的压降，分别通过运放LM324进行信号调离后，由TLV2544完成多路AD转换。转换结果经由6N139进行光电隔离，由SN74ALV164245电平转换，送入EPM7128内。系统输出从EPM7128经过SN74ALV164245电平转换后，由TIL113进行光电隔离。12路输出经由继电器后控制断路器，4路输出将直接驱动警示灯和蜂鸣器正常工作。

参见图5，图5是防碰算法的主要实现过程。交叉作业塔吊的实时状态归一为成以点和线段元素的集合。以最小距离规则选择得到的限制区域，通过分解模型，也成为线段集合。对方塔吊的点线集合采用最近更新规则和进入交叉作业区规则进行选择。将结果与线段集合，依次与本机实时状态信息组合后进入点线旋转模型。经过碰撞检测和防碰撞决策，产生判决结果。通过关联输出模型进行输出控制。

本发明的仪器成本低、功能强、精度高，速度极快，操作方便，具有高度智能化与自动化功能。

本发明已完成样机的研制，经过工地的现场调试，并以在新加坡投入试运行，运行结果表明，工作稳定可靠，完全可以替代国外同类型产品。

本发明的塔吊群交叉作业的安全防护智能测控仪器，适用于平动式塔吊群交叉作业的安全防护，其中包括：交叉作业塔吊间的防碰控制，交叉作业区内工作塔吊的数目控制，塔吊与周边楼宇的防碰控制，塔吊工作区域的范围限定，塔吊工作的限速控制和塔吊的力矩保护等6种功能。同时还提供塔吊群实时运行状态和工作参数的现场显示和远程监控服务，群内塔吊书可达到10台，每单台塔吊作业区内的限制区域及楼宇防护可达到5处，系统响应时间为50ms～500ms(响应时间可根据需要，随电台波特率的提高而进一步缩短)，主要技术指标和其总体技术指标均达到行业先进水平。

Claims (3)

1.一种塔吊群交叉作业的安全防护智能检测仪器，其特征在于，其特征在于，该仪器由多套终端设备和一台地面控制台构成，终端设备设置在每台作业塔吊上；

所述的终端设备包括：

1)一终端控制器，内置终端软件，用于相关塔吊群各项工作参数的设定，状态信息的采集与计算，防碰撞算法的运行，塔吊群运行状态的实时图形化显示；

2)一无线通信模块，该模块具有RS232标准接口，具备9.6Kbps以上波特率，用于完成塔吊之间的相关数据传输；

3)1～3个AB相增量编码器，用于采集塔臂回转，小车运动，吊钩提升的相对位置信息；

4)2～8个PNP型接近开关，用于采集塔吊回转，小车运动的矫正信息，以及采集塔臂回转，小车运动，吊钩提升的相对位置信息；

5)2个滑动变阻器，用于采集小车运动，吊钩提升的位置信息；

6)1个4～20mA输出的压力传感器，用于测量塔吊的吊重；

7)12个24VDC或110VAC以下额定耐压的断路器，用于控制塔吊2档位6方向共12组输出；

上述AB相编码器、接近开关、滑动变阻器、压力传感器作为仪器的检测单元与终端控制器提供的输入接口相连，断路器在与终端控制器提供的输出接口连接后，串联到各向电机控制回路中，无线通信模块通过RS232接口与控制终端连接；

所述的地面控制台包括：

1)一台计算机，内置基于虚拟仪器设计的监控软件，用于地面人员对塔吊群远程设定、实时监测和人工调度；

2)一无线通信模块，该模块具有RS232标准接口，具备9.6Kbps以上波特率，用于完成地面控制台与终端测控设备间的数据传输；无线通信模块通过RS232接口与计算机连接。

2.如权利要求1所述的塔吊群交叉作业的安全防护智能检测仪器，其特征在于，所述的终端控制器的核心为基于ARM7TDMI架构的S3C44B0X芯片，配合8MB的K4S166432内存芯片和2MB的39VF1601闪存芯片构成控制器的最小系统；其中S3C44B0X提供的UART接口通过MAX3232的电平转换，对外提供一组带硬件流控制的5线串口，供电台传输数据使用。

3.如权利要求1所述的塔吊群交叉作业的安全防护智能检测仪器，其特征在于，所述的终端软件由无限自组织网络模块、人机交互模块、数据管理模块和输出控制模块构成；所述的监控软件由无线自组织网络模块、数据库管理模块和虚拟仪器模块构成。

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