CN1986374A - 多功能塔式起重机安全控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能塔式起重机安全控制系统。它解决了现有起重机安全控制系统功能单一，无法有效对起重机工作状态进行监控和处理，安全性较差等问题，具有集多个功能于一体，能有效对起重机进行监控，提高其运行安全性等优点。其结构为：它包括控制电路和系统软件。控制电路由微处理器模块、传感器及信号调理模块、继电器模块、键盘与液晶显示模块、通信模块构成；微处理器模块与其它模块分别相连并安装在一个盒体内，传感器通过电缆与盒体相连；软件以嵌入式操作系统μCOS－II为平台，将整个系统功能分解成多个任务，通过多任务调度完成整个系统控制。

Description

多功能塔式起重机安全控制系统

技术领域

本发明涉及电子信息智能化技术在建筑机械相关领域的应用，尤其涉及一种多功能塔式起重机安全控制系统，它能够实现塔式起重机的安全保护、工作参数实时记录、历史事件顺序记录、载荷消摆智能控制、历史事件回放、数据通信等功能。

背景技术

塔式起重机(简称塔机)是工业和民用建筑施工中的重要设备，具有工作效率高，使用范围广，操作容易，安装拆卸简便等特点。近年来，建筑业的迅速发展，为塔式起重机的发展创造了前所未有的发展机会，但同时也提出了挑战，塔机安全事故随着起重机数量的猛增而频繁发生。虽然我国对塔机及其配套件实行了产品生产制造证、准用证、推广证、安全证制度，但塔机的安全事故仍然不能避免。为此，减少塔机事故、提高塔机安全性能和作业效率迫在眉睫。国家有关部门强制在塔机上使用安全保护装置。这些安全装置包括力矩限制器、起重载荷限制器、幅度限位器、回转限位器和高度限位器等。GB9462-1999《塔式起重机技术条件》和GB5144-1994《塔式起重机安全规程》等国家标准对限制器的各项性能和要求都作了明确规定。

力矩限制器的研制始于50年代后期，主要经历了机械式、电子模拟式、数字式及微机控制式。我国从70年代末80年代初开始研制起重机载荷和力矩限制器，相继推出了一些产品。比较有影响的有北京三发高科技实业总公司的LX系列力矩限制器，葛洲坝水电学院研制的力矩限制器限制器，大连工程机械研究所的AMLU-1型力矩限制器和长沙浦沅电子安全信息技术开发有限公司的ACS系列起重力矩限制器等。应该看到，机械类限制器工作可靠，结构简单，损坏率低，保修方便，保修费用低，但是无显示装置和自检能力等。

然而随着微电子技术、计算机技术、智能仪表技术及传感器技术的迅速发展，现今起重机用户已越来越不满足于起重机仅仅拥有载荷、力矩限制功能，他们希望获得更多关于起重机状态的准确信息，包括起升高度、风速、起升角度、工作幅度等信息；并希望起重机具有较强的自动控制功能及自诊断能力和智能化程度，以降低操作和维护的劳动负担并保证起重机的安全。起重机设备制造厂商及其他研究单位也顺应用户的需求开始开发以微型计算机为核心的数字式起重机安全监控系统。南京电子技术研究所、重庆建筑大学等单位都研制了可对塔机的工作状态进行实时监控的产品。

但是，从目前国内生产状况来看，塔机的智能化方面还处于起步阶段。就电子类限制器而言，虽然有显示装置，有预警信号，自检功能好，但根据调查显示，目前电子类限制器的完好率仅占调查抽样的34.7％，无故障连续工作不足一年的达81.4％。国内产品的最主要问题是可靠性问题，在解决可靠性前提下还需提高整机性能及完善系统功能。另一方面，当前国内研制的“黑匣子”产品大都采用8位MCS-51单片机的系统，对内存的管理能力及存储设备的容量都十分有限，功能大多较单一；大都普遍缺乏强有力的数据分析软件的配合，庞大的数据显示起来很不直观，难以对数据进行具体分析；而且能把限制器功能、安全监控和智能操作这三项功能结合在一起监控装置在国内还未见报道过。

发明内容

本发明的目的就是解决上述问题，提供一种集多种限制器功能、实时数据记录、动作事件记录、数据分析、载荷消摆智能控制、历史事件回放、数据通信等功能于一体的多功能塔式起重机安全控制系统，它除了具有数据记录的黑匣子功能以外，还将各种限制器的功能以及包括消摆控制、最佳路径选择等智能操作的功能也集成在一起，不但取代传统的各种限制器，还能使得大型塔机主钩在满载时根据给定目的地，实现载荷启动和定位时的消摆控制，并选择最佳路线和最佳速度曲线运行，在轻载和空钩时高速运行，提高工作效率。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多功能塔式起重机安全控制系统，它包括控制电路和系统软件。所述控制电路由微处理器模块、传感器及信号调理模块、继电器模块、键盘与液晶显示模块、通信模块构成；微处理器模块与其它模块分别相连并安装在一个盒体内，传感器通过电缆与盒体相连：所述软件以嵌入式操作系统μCOS-II为平台，将整个系统功能分解成多个任务，通过多任务调度完成整个系统控制。包括数据采集，载荷起升高度、幅度和回转角以及力矩的计算，载荷的消摆控制，并将原始数据和处理结果进行存储和分析、与管理计算机通信。

所述微处理器模块的微处理器采用ARM芯片，其外围电路还包括程序存储器、数据存储器、用以进行开关量输入和模拟量输入的输入通道、用以进行开关量和模拟量输出的输出通道、键盘显示接口、实时时钟。

所述传感器及信号调理模块，包括安装在起重机相应部位的重力传感器、幅度传感器、高度传感器、电流电压传感器、风力传感器和倾斜角传感器，调理电路把电流、电压、重力等信号经过滤波，差分放大整形后变成0-3V模拟量，把幅度、高度等信号通过光电开关变成脉冲量，通过扁平电缆接入微处理模块的输入通道。输入通道分为模拟输入和开关量输入、脉冲输入。

所述继电器模块包括中间继电器、输入插座和接线端子；各继电器通过输入插座连接扁平电缆与微处理器模块连接，微处理器模块通过输出命令控制继电器的动作；继电器触点通过接线端子与起重机电控箱相连来控制接触器的动作，从而控制塔机的提升、回转、变幅电机的启停。

所述键盘与液晶显示模块，包括安装在面板上的多个功能键和图形液晶显示屏及其驱动电路；键盘与液晶显示模块与微处理器模块通过扁平电缆连接；液晶显示屏以汉字菜单方式在主页面显示塔机的载荷重量、高度、幅度、力矩等实时工作参数，其它页面还能显示顺序记录的事件，完成保护参数设定、时间修改、消摆控制使能、写U盘等一系列操作。

所述通信模块，包括USB接口和RS232接口，USB接口可直接连接常规U盘，通过菜单完成对历史数据的转存，RS232接口连接到PC计算机，完成历史数据的通信；在PC计算机上通过RS232通信或U盘获取原始历史数据，专用软件对数据进行分析，完成事故回放，故障分析，数据曲线显示、打印功能等。

所述程序存贮器是由非易失的FLASH存储器构成；数据存储器则分别由RAM和FLASH组成，每当出现保护动作事件，比如力矩超限、电源掉电、倒塔事故发生等，则执行把RAM中的数据保存到FLASH中，以防掉电数据丢失。

所述多任务包括模拟量数据输入、开关量输入、模拟量数据输出、开关量输出、安全保护、消摆控制、顺序发生事件记录、历史数据存储与转存、人机接口和通信任务。

所述载荷的消摆控制，采用开环控制的双脉冲算法，具体方法是：首先通过传感器检测并计算出绳长l，计算出摆振周期 $T=2\mathrm{\π}\sqrt{\frac{l}{g}}$ ，变幅和回转都会产生摆振，消除的办法是启动后延时半个摆振周期立即停止，再过半个摆振周期T/2后重新启动电机。

本发明的安全保护功能是通过载荷重量、力矩、高度、幅值及回转角度的计算，然后计算值和给定值相比较，当大于设定的额定值时发出相应命令，进而实现载荷重量、力矩、高度、幅度、回转限位等限制器的保护功能。在力矩保护中，根据规定当计算力矩大于额定值50％时，变幅小车由高速转成次高速，达80％以上时给出报警，大于106％时则切断提升电源并只允许变幅小车向内行驶；在重量限位保护中，载荷达到设定的额定值50％以上时，不允许高速提升，达到80％以上则给出报警，大于106％时切断提升电源，只允许下降操作。

本发明的多功能塔式起重机安全控制系统，采用了嵌入式系统软件和硬件平台的设计理念，采用了模块化的设计思想，功能配置、扩展方便。在软件平台的设计中，采用嵌入式实时多任务μCOS-II对系统的多任务进行调度和管理，满足了其实时性和扩展性要求。该平台不仅可以在塔式起重机上应用，还可以在通用DDC(Direct Digital Control)、智能仪器仪表等其它场合应用。

本发明的有益效果是：

(1)在塔机运行过程中，各种限制器功能保障设备安全运行。

(2)在塔机的使用和维护过程中，可利用记录的数据快速准确地判明塔机的故障、塔机的工作性能及其变化趋势，以便制定合理的维修周期和维修重点。

(3)当塔机出现事故时，可根据记录的数据分析事故原因，分清责任。

(4)在新型塔机设计时，可充分利用样机上所记录的大量数据来指导塔机设计，使塔机具有更好的安全性能和经济性能。

(5)在塔机的试验过程中，可利用记录的数据分析、排除故障，消除塔机上的各种隐患。

(6)载荷消摆功能可极大提高塔机的运行效率，减少操作工人的操作频度。

(7)在操纵工人的培训中，可利用记录数据来评定操纵工人的技能，确保培训质量。

本发明的功能如下：

1)数据记录功能：在塔机运行过程中，以10毫秒为采样周期实时采集并记录塔机的工作参数，主要包括载重量、电流电压、风速等。用于计算高度，幅度和回转角的脉冲信号采用中断进行计数，计数结果每10毫秒存储一次。在塔机运行过程中，实时记录塔机的提升、下降、回转、变幅等主要操作过程；记录载荷提升高度、幅度值、回转角度、起重力矩等工作参数。始终保持最新20分钟左右(根据内存容量可变)的实时数据记录，当出现停电或塔机倾倒则停止数据记录并将记录的数据和事件转存入FLASH中。

2)动作事件顺序记录功能：按时间顺序记录工作过程中发生的重要动作事件，包括塔机的操作(提升、变幅和回转等)和安全保护事件。记录发生事件的类型、时刻及其相关参数，最多可记录256个事件。

3)安全保护功能：利用黑匣子的智能判断实现塔机多种安全限制器的功能，如力矩限制、起重量限制、高度限制、幅度限制和回转角限制等。

4)数据分析与事故回放功能：利用装置提供的USB接口以文件形式将数据写入U盘或利用RS232接口与计算机进行通信将记录数据传输到管理计算机，再利用“塔式起重机安全分析系统”软件，对记录的事件和实时数据进行分析，以曲线方式显示记录数据，以动画方式回放历史操作过程。

5)实时显示功能：液晶屏幕实时显示塔机工作的关键参数(载荷重量、力矩、幅度、回转角度)和主要操作(提升、回转、变幅)。用户可通过键盘设置参数或切换不同的显示界面。屏幕主画面显示提升、回转、变幅三机构的工作状态，同时实时显示载荷的重量值，变幅小车工作幅度值以及塔机承受的力矩值。一旦有报警事件，画面自动切换到报警画面，显示此时的事件类型、发生时刻及相关参数，直到操作人员按键才能切换到主画面。

6)载荷消摆：载荷回转和变幅时系统自动完成其消摆控制，提高工作效率。

附图说明：

图1是本发明控制电路结构框图；

图2是本发明微处理器模块结构图；

图3是传感器信号调理原理图；

图4是传感器区分电机正反转的原理示意图；

图5是传感器安装位置示意图；

图6是USB接口原理图；

图7是载荷消摆原理示意图；

图8是塔机数据分析与事故回放软件界面。

其中，1、高度传感器，2、回转传感器，3、重量传感器，4、变幅传感器。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

图1中，本发明的控制电路由微处理器模块、传感器及信号调理模块、继电器模块、键盘与液晶显示模块等构成；微处理器模块作为主模块与其它模块通过扁平电缆相连接；传感器模块与现场的传感器通过屏蔽电缆连接；继电器模块与电控箱通过屏蔽电缆连接。

图2中，本发明的微处理器模块中主处理器采用ARM芯片(AT91M55800A)，它是基于ARM7嵌入式微处理器的16/32位微控制器，其内核为高性能的32位RISC(精简指令集计算机)体系结构，并具有高密度的16位指令集和极低的功耗，内嵌了8通道10位ADC、2通道10位DAC和6通道16位定时器/计数器，8KB片内SRAM，58个I/O口，ARM处理器资源丰富、处理能力强，具有很高的性能价格比。外围电路中的程序存储器采用FLASH存储器，数据存储器分为随机存储器和非易失存储器，其中非易失存贮器采用FLASH存储器。USB接口可直接通用U盘用来转存记忆的数据，另外提供了标准的RS232通信接口。

图3中，本发明的传感器调理模块包扩脉冲量信号调理和模拟量信号调理。本发明中的高度、幅度、回转角度都是采用光电开关作为传感器，设计的孔板与电机输出轴相连，随着电机转动输出一系列脉冲信号。为了克服现场电动机的干扰和传输线路上的干扰，除了增加光电隔离以外还设计了差分电路。本发明中的重量传感器采用压力传感器，输出为小电压信号，其调理电路采用仪用放大器并采用差分输入，进一步提高其抗干扰能力。

图4中，本发明中检测高度、幅度、回转角度的传感器采用双光电开关来判断运动方向，通过调整孔板的安装位置使得两个脉冲满足图4所示关系，微处理器对通道A采用中断方式对脉冲进行计数，B通道则作为开关量输入，当A脉冲的中断到来时，A通道为高电平，此时中断服务程序要同时判断B脉冲的电平，若A为高电平且B为低电平则为正转，反之，若A为高电平同时B为高电平则为反转。

图5中，本发明中的传感器包括重量传感器3、高度传感器1、变幅传感器4、回转传感器2、风速传感器等，重量传感器3安装在滑轮轴上，承受绳索的压力与重量成正比；高度、变幅、回转传感器分别安装在提升、变幅、回转电机附近。以上传感器分别通过屏蔽电缆连接到驾驶室内的控制主机。

图6中，USB接口电路的芯片采用ISP1160，ISP1160是一款兼容USB 2.0版规范的USB主控制器，其下行口可以与具有上行口的USB设备连接，用于转存记录的实时数据。系统在U盘记录的数据以文件形式存储，每次写U盘形成的文件是自动以存盘时刻的日历信息作为文件名，例如，2006年12月10日19点20分存储的文件名为：R06CAJ20.dat，其中R表示记录数据，06为年份-C为月-A日-J时-20分。

图7中，载荷启动(例如变幅)会产生摆角如图a所示，为了消除这一摆角只需启动后暂停小车的运动，当载荷越过图b位置摆到图c位置时，再次启动小车则小车同载荷一起无摆角匀速运动。载荷停止时的消摆策略与以上策略类似。

图8是该发明中的数据分析软件系统，在计算机Windows系统中下以正视图和俯视图的方式给出了塔机的结构，该系统接收来自232串口或U盘中记录的数据。根据数据可以动画的方式完成塔机记录的某一段时间的操作过程回放，可直观地看到过去某时刻塔机进行的操作，同时该时刻重物的高度、重量、回转角度、力矩等实时参数也显示在屏幕上，载荷曲线反映的是实时力矩与塔机允许的最大力矩之间的动态关系。历史曲线功能还可单独查看重量、高度、力矩等曲线。事件记录功能可以记录多达256条历史事件，塔机每进行的一个动作，例如提升、回转、力矩限制、高度限制等，都以历史事件的方式进行记载，每条事件除了包含动作类型、动作时刻以外，还包含相关参数，比如，提升操作所提升重物的重量等。

将嵌入式实时多任务μCOS-II移植到塔机安全控制系统的软件中，是本发明的一个重点。μCOS-II可以支持64个任务，在软件设计时，针对多功能塔机安全控制系统的实际情况，按照任务划分原则，把应用软件分成九个用户任务和4个中断。4个中断分别为脉冲计数、A/D、串口通信和定时器中断。本系统分成的9个任务模块是：模拟量数据输入、开关量输入、脉冲量输入、数据量输出、模拟量输出、事件记录、历史数据存储与转存、人机接口和通信等子任务。高度、幅度和回转角的测量都是使用脉冲计数传感器来实现，测量原理相似，将脉冲的采集与处理用一个脉冲量输入任务来实现；力矩与重量和幅值有关，将重量的采集和处理、力矩的计算归为模拟量输入任务实现；控制三个电机的正反转功能类似，用一个数字量输出任务实现；人机接口任务包括按键操作与显示；动作事件或事故发生时，事件记录任务负责记录相关参数，并在必要时转存FLASH，由历史数据转存任务实现。

Claims (9)

1、一种多功能塔式起重机安全控制系统，它包括控制电路和系统软件，其特征是：所述控制电路由微处理器模块、传感器及信号调理模块、继电器模块、键盘与液晶显示模块、通信模块构成；微处理器模块与其它模块分别相连并安装在一个盒体内，传感器通过电缆与盒体相连；所述软件以嵌入式操作系统μCOS-II为平台，将整个系统功能分解成多个任务，通过多任务调度完成整个系统控制，包括数据采集、载荷起升高度、幅度和回转角以及力矩的计算、载荷的消摆控制，并将原始数据和处理结果进行存储和分析、与管理计算机通信。

2、根据权利要求1所述的多功能塔式起重机安全控制系统，其特征是：所述微处理器模块的微处理器采用ARM芯片，其外围电路还包括程序存储器、数据存储器、用以进行开关量输入和模拟量输入的输入通道、用以进行开关量和模拟量输出的输出通道、键盘显示接口、实时时钟。

3、根据权利要求1所述的多功能塔式起重机安全控制系统，其特征是：所述传感器及信号调理模块，包括安装在起重机相应部位的重力传感器、幅度传感器、高度传感器、电流电压传感器、风力传感器和倾斜角传感器，调理电路把电流、电压、重力等信号经过滤波，差分放大整形后变成0-3V模拟量，把幅度、高度等信号通过光电开关变成脉冲量，通过扁平电缆接入微处理模块的输入通道。输入通道分为模拟输入和开关量输入、脉冲输入。

4、根据权利要求1所述的多功能塔式起重机安全控制系统，其特征是：所述继电器模块包括中间继电器，输入插座和接线端子；各继电器通过输入插座连接扁平电缆与微处理器模块连接，微处理器模块通过输出命令控制继电器的动作；继电器触点通过接线端子与起重机电控箱相连来控制接触器的动作，从而控制塔机的提升、回转、变幅电机的启停。

5、根据权利要求1所述的多功能塔式起重机安全控制系统，其特征是：所述键盘与液晶显示模块，包括安装在面板上的多个功能键和图形液晶显示屏及其驱动电路；键盘与液晶显示模块与微处理器模块通过扁平电缆连接；液晶显示屏以汉字菜单方式在主页面显示塔机的载荷重量、高度、幅度、力矩等实时工作参数，其它页面还能显示顺序记录的事件，完成保护参数设定、时间修改、消摆控制使能、写U盘等一系列操作。

6、根据权利要求1所述的多功能塔式起重机安全控制系统，其特征是：所述通信模块，包括USB接口和RS232接口，USB接口可直接连接常规U盘，通过菜单完成对历史数据的转存，RS232接口连接到PC计算机，完成历史数据的通信；在PC计算机上通过RS232通信或U盘获取原始历史数据，专用软件对数据进行分析，完成事故回放，故障分析，数据曲线显示、打印功能等。

7、根据权利要求2所述的多功能塔式起重机安全控制系统，其特征是：所述程序存贮器是由可带电擦除的FLASH存储器构成；数据存储器则分别由RAM和FLASH组成，每当出现保护动作事件，则执行把RAM中的数据保存到FLASH中，以防掉电数据丢失。

8、根据权利要求1所述的多功能塔式起重机安全控制系统，其特征是：所述多任务包括模拟量数据输入、开关量输入、模拟量数据输出、开关量输出、安全保护、消摆控制、顺序发生事件记录、历史数据存储与转存、人机接口和通信任务。

9、根据权利要求1所述的多功能塔式起重机安全控制系统，其特征是：所述载荷的消摆控制，采用开环控制的双脉冲算法，具体方法是：首先通过传感器检测并计算出绳长l，计算出摆振周期 $T=2\mathrm{\π}\sqrt{\frac{l}{g}},$ 变幅和回转都会产生摆振，消除的办法是启动后延时半个摆振周期立即停止，再过半个摆振周期T/2后重新启动电机。

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