CN202449771U - 塔机智能监控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及塔机智能监控装置。包括控制盒(1)、显示屏(2)、高度传感器(3)、幅度传感器(4)、重量传感器(5)，控制盒及显示屏安装在塔机驾驶室控制室中，高度传感器安装在起升机构上，幅度传感器安装在变幅机构上，重量传感器安装在塔机测力环轴中，各传感器通过电缆与控制盒(1)连接。该装置可实现对塔式起重机的高精度、高可靠性的监测与控制。

Description

塔机智能监控系统

技术领域

本技术涉及一种塔机安全监控装置，是一种适用于各种型号塔机、无需程序员参与的通用型塔机安全智能监控装置。 

背景技术

为监测塔机的运行信息，目前市场上已出现了多种塔机监测仪。而且这些塔机监测仪在核心程序中都嵌入了特定塔机的几何参数、报警极限参数、起重力矩特性等，因此某台塔机监测仪只能使用于某特定型号的塔机，缺乏通用性和可扩展性。 

而且，在已出现的塔机监测仪中，大都是用单片机、可编程控制器或嵌入式系统配置相应数据采集通道，输出控制装置也由导线连到控制器，这样仪器线路比较复杂，也不便于功能扩展。 

塔机是一种流动作业的工程机械，环境温度变化大，在这一环境中监测精度高，在另一环境中则性能显著变坏。 

发明内容

针对现有塔机监控仪缺乏通用性、可扩展性的缺陷，本发明公布了一套高精度、模块化的通用型塔机监控装置，实现对塔式起重机的高精度、高可靠性的监测与控制。消除传感器的温漂和蠕变的影响，提高监测精度。 

本技术涉及一种通用型塔式起重机智能监控系统，该系统包括控制盒1、显示屏2、高度传感器3、幅度传感器4、重量传感器5，其中控制盒及显示屏安装在塔机驾驶室控制室中，高度传感器安装在起升机构上，幅度传感器安装在变幅机构上，重量传感器安装在塔机测力环轴中，各传感器通过电缆与控制盒连接。 

该系统采用模块化设计，包括：嵌入式主板模块、传感器模块、信号隔离调理模块、数据采集模块、电源模块、输出控制模块、显示屏及触摸屏模块。嵌入式主板模块是通用型塔式起重机智能监控装置的核心，该模块采用嵌入式微处理器ARM 9作为MCU，板载SDRAM和NAND Flash，内存大小可根据用户需求调整，SDRAM用于启动程序及缓存数据，NAND Flash用于存放嵌入式操作系统Linux、应用程序及塔机运行数据。另系统可扩展1G的CF卡，该卡可用来备份塔机运行过程中的所有数据，在嵌入式系统上不提供这些数据的查询功能，但通过PC机可以读出该卡数据，并进行相应的处理和分析。板载带充电电池的实时时钟，能提供年、月、日、小时、分钟、秒时间信息，该模块可给实时采集的状态数据供时间标签。通过插针，在嵌入式主板上引出了ARM大部分功能的接口，包括： JTAG、I/O、RS232、RS485、USB、LCD、音频、触摸屏接口，所有接口和外围设备的连接都采用插拔式，这不仅使系统具备较强的抗震功能，而且便于实现系统的灵活配置。为了提高系统的稳定性，嵌入式主板上设计了看门狗电路，使得系统在因干扰死机、程序“跑飞”或者进入死循坏后能够自动复位到正常状态。为了在断电瞬间保存塔机的实时运行数据，在嵌入式主板上设计了掉电保护电路，使得系统能在事后再现事故的发生过程，为塔机结构优化，认定事故责任提供依据。 

其中，嵌入式主板采用嵌入式微处理器ARM 9作为MCU，主板上设置有SDRAM和NAND Flash，主板设置有插槽，该插槽放置扩展的CF卡，主板上设置了JTAG、I/O、RS232、RS485、USB、LCD、音频、触摸屏接口，所有接口和外围设备的连接都采用插拔式。 

传感器模块根据影响塔机安全的主要参数确定，影响塔机安全的主要参数有起重力、起重力矩、起升高度、回转角度、风速、塔机倾角、平臂及平头臂塔机的小车变幅、动臂塔机的塔臂仰角。起重信息的采集选用销轴式称重传感器、塔臂回转角度的采集选用绝对式光电编码器或多功能限位器所带的电位器，小车变幅和起升高度信息的采集选用增量式编码器或多功能限位器所带电位器，风速信息的采集选用光电型风速传感器，塔机倾角采用绝对值角度型传感器。任一类型的传感器均可采用0~5V 或4~20mA输出的模拟信号，或采用RS485总线输出的数字信号，系统会根据信号的输入类型，选择相应的信号处理方法。这增加了用户在传感器选择上的灵活性，也便于用户扩展监控对象。若采集的信号为模拟信号，则将该信号通过信号隔离调理模块，对信号进行滤波、隔离、抗干扰处理，然后输送到A/D模块，对信号进行采集，并转换为相应的物理量。按照MODBUS协议，通过通信协议转换装置将其转化为RS485信号，连接到RS485总线上。若采集的信号为RS485总线输出的数字信号，则直接连接到RS485总线上。所采集的信号最后均通过RS485总线发送给嵌入式主板进行数据处理。根据系统设定，所采集的模拟信号不多于8路，在0~8路的情况下，系统结构不需要进行任何改变，只需将传感器连接到相应通道上即可，这便于用户根据需求选择监控对象。对于RS485总线输出的数字传感器，最多可达到256路，易于实现系统的柔性扩展。 

嵌入式主板的数采控制模块通过RS485总线与数据采集模块相连，并通过应用程序在一定的时间间隔内对各通道的智能传感器进行巡测，实现塔机工作数据的采集与存储。为了消除一些奇异信号的干扰，采用中值滤波技术，对其进行处理。在ARM平台上实现数据采集、数据分析和预处理后保存在数据库中。 

嵌入式主板的输出控制模块通过RS485接口输出开关量控制信号到PLC或继电器，然后控制各执行器开断，从而实现运动控制等功能； 

嵌入式主板通过TFT接口驱动现场显示模块，对数据进行分析处理后可在ARM平台的LCD(触摸屏)上实时显示塔机的工作参数，自动存储塔机的工作时间、循环工作次数、报警情况、重量和力矩超载信息等；能兼容5.7英寸、8.4英寸、10.4英寸的彩色显示屏，适合不同用户的需要。 

嵌入式主板通过触摸屏接口跟触摸屏相连，实现用户和嵌入式主板间的人机交互，系统初始化、参数修改、塔机运行信息下载，报警查询均可通过触摸屏完成。 

嵌入式主板上的音频接口，跟喇叭相连，报警时输出人性化的语音信号，而不是刺耳的蜂鸣声。 

嵌入式主板上的USB接口，可直接连接常规U盘，上传塔机的基本参数，实现系统初始化，也可下载塔机的运行数据及历史数据，再现塔机的工作历程，为塔机结构优化、事故分析提供依据。 

电源模块采用线性稳压电源设计方案，通过抗浪涌、电源变压、整流滤波、稳压输出四个环节，将220V交流电，变成3.3V、5V、12V、24V三种形式输出的直流电，为各传感器、嵌入式主板、输出控制设备，显示及触摸屏提供稳定的直流电；电源模块通过数码管、LED灯给出必要的信号提示和电路工作状态提示。 

综合上述各模块，塔机通用型监测系统可分为信息采集及控制、信息处理及显示两部分，分别采用信息采集及控制器，信息显示及处理仪来实现其功能。为了减少电源模块对嵌入式主板的干扰，电源模块集成到信息采集及控制盒里。采集及控制器安装在塔机操作室的侧墙上，信息显示及处理仪安装在司机最易观察到的地方。信息采集及控制器与信息显示及处理仪之间的通讯通过一根多芯屏蔽电缆来完成。系统硬件结构如图1所示。 

按照模块化设计原则，将系统软件分为分级加密模块、系统自动更新模块、参数设置模块、系统标定模块、数据采集及调理模块、起重特性监控模块、报警查询模块、工作统计模块。 

塔机关键参数的报警阀值是塔机安全运行的保障，塔机运行数据是预测塔机使用寿命、优化塔机结构、分析事故原因、认定事故责任的依据。市场上已有的塔机监测仪，大都以明文形式将这些数据存储在数据库中，采用一般的口令验证和存取技术,对这些数据进行查询和修改，黑客很容易侵入数据库，使数据库的安全无法得到充分保障，监测仪也难以真正起到塔机“黑匣子”的作用。根据其安全需求，本发明将塔机智能监控装置中的数据库按关键字段分为不同保密级别，用对称加密算法对关键字段分级别加密，并用椭圆曲线加密算法保护数据密钥，实现用户使用权限和关键字段安全级别的关联。这样可以确保多个授权用户对同一个加密字段进行分级别的访问。只有达到级别的用户才能访问加密数据库及数据库中相应的加密字段，并且可以访问其级别以下的加密字段，从而保证关键数据的机密性和完整性，使塔机智能监控装置真正成为塔机“黑匣子”。 

为了使塔机智能监控装置在工作和管理模式间自由切换，将其分成工作模式和管理模式两种状态，系统默认的状态是工作模式，只要装置上电，系统引导程序就会自动启动塔机状态监控软件，对塔机运行状态进行监控，通过显示屏实时显示塔机的运行状态信息，包括实际起重力、当前工况下的额定起重力、实际起重力矩、当前工况下的额定起重力矩、力矩程度、起升高度、回转角度、风速、塔机倾角、平臂及平头臂塔机的小车变幅、动臂塔机的塔臂仰角。在出现危险工况时，以语音、光、弹出报警界面三种形式同步向塔机司机发出报警信号，并输出相应的控制信号，保护塔机。具体为：当起重量达到额定起重量90%时预警；当起重量达到额定起重量105%时报警并切断起升向上的运行。当起重力矩达到额定力矩80%时预警；当起重力矩达到额定力矩105%时报警并切断变幅向外和起升向上的运行。当吊钩离起重臂2.5m时能切断起升向上的动作。当变幅向内和向外达到极限位置时，切断小车向内和向外相应方向的运行。当风速达到13m/s时能发出预警信号，当风速达到20m/s时能发出报警信号并切断工作电源。在工作模式下，系统自动显示塔机当前的工作状态及报警信息，除系统退出菜单可用外，其它菜单不能进行任何操作。 

管理模式和工作模式之间的切换通过点击系统初始界面上的模式选择按钮完成。在管理模式下，对系统更新、报警查询、参数设置界面及相关数据库访问采用四级加密模式。现场操作员只能浏览，普通管理员可以对报警信息进行下载、分析，高级管理员可以对塔机的报警阀值进行修正，最高级管理员可以对系统重新进行初始化，使其适应不同型号的塔机。报警查询只提供浏览和下载功能，任何人都不能对其中的数据进行修改，对报警数据库中超限的起重力、起重力矩字段进行了加密处理，只有高级管理员才可以浏览，最大限度防止数据库中的敏感字段被篡改，为优化塔机结构、认定事故责任提供最可靠的依据。 

系统初始化通过系统提供的USB接口进行。在初始化之前，将显示屏尺寸、塔机型号及结构尺寸、塔机安装位置、障碍区位置、起重力矩特性表，做成特定文件名的EXCELL文件，再通过本发明提供的格式转换文件，转换为嵌入式系统极易操作的XML文件。再将其转存到U盘里，将U盘插到信息显示及处理仪上的USB接口，由最高级管理员根据系统提示进行初始化操作。初始化完成后，高级管理员通过点击参数设置按钮，可以对塔机的结构参数、报警阀值、控制阀值，进行相应修改，以适应环境变化、工况变化的需要。该套系统不需专业程序员参与，只需要用户制作相应的EXCELL表格，即可实现系统的初始化。在无专业程序员参与的情况下，即可使同一套装置适用于平臂、动臂、平头臂塔机的监控，极大地方便了用户。 

塔机属于流动作业的工程机械，随着使用时间、使用环境变化，传感器信号会出现一定漂移，因此定期对系统进行标定是保证其监测精度的必要手段。考虑到塔机是一个线弹性结构，传感器是线性传感器，因此标定采用线性方程y=kx+b，其中x为传感器采样值，k、b为标定系数，y为实际物理量。标定系数k、b采用两点法来确定。即：将采集的两点（x ₀，y ₀）和（x ₁，y ₁）代入标定方程，得到关于k、b的方程组，通过求解方程组，得出k、b的值。在系统的运行模式下，采样值x和实际物理量y之间的关系为： 

y=[(y ₁-y ₀)/ (x ₁-x ₀)](x-x ₀) +y ₀

为了方便系统标定，在管理模式下，提供了系统标定菜单。普通管理员只需点击该菜单，系统即会自动跳出相应的标定界面，如图3所示。在相应的文本框中输入2组标准值，在相邻的文本框中会自动显示传感器的测量值，按确认按钮后，系统会自动计算出标定系数k、b的值。通过系统的定期标定，可消除温漂、蠕变对传感器及其它元器件的影响，显著提高系统的监测精度。

起重力矩监控是塔机状态监控中最重要的内容，通过对比塔机的实时力矩M (L)和额定力矩M _e(L)，从而对塔机进行相应控制。塔机实时力矩M (L)= Q (L)×L，其中Q (L)是实际起重量，L是小车变幅。额定起重力矩M _e(L) = Q _e(L)×L，其中Q  _e(L)是额定起重量。额定起重量是塔机设计之初就设计好的一张表格，表中所存放的是某特定位置处的额定起重量，是离散化数值，而监测到的位移是一个连续变化值，因此就需要在任意一个位置处有一个相对应的起重力许用值。根据塔机的受力特性，在系统中设计了分段三次样条插值函数，该函数能根据各设计点上的额定起重力许用值，确定任意一点的额定起重力。 

当起重量、起重力矩超界时，系统将发出报警信号或控制电机信号。根据当前起重量Q占最大起重量Q  _max的百分比，对高、中、低三个速度档的的变速电机进行控制，从而实现根据起重重量自动限制起升速度。根据当前起重力矩M占当前额定力矩M  _e的百分比，分别对塔机的高、低两个速度档的变幅电机进行控制，从而实现根据起重力矩自动限制变幅速度。其控制流程图如图4所示。 

在突发事故的时候，塔机的供电电源通常会突然切断，而这个时候塔机的受力状态对认定塔机事故责任至关重要，若不采取措施保存塔机断电瞬间的运行数据，相关责任部门就很有可能出现推诿、扯皮现象。为解决这一问题，塔机智能监控系统设计了掉电保护功能，保存塔机突然断电前120秒的运行数据。在这120秒中，塔机每0.1秒记录一个数据，采用队列方式，储存于一个6*1200二维数组中，数组每行有1200个元素，第一行元素存储的是最近的时间（年-月-日-时-分-秒），第二行元素存储的是最近120秒塔机的起重量，第三行元素存储的是最近120秒塔机的起重力矩，第四行元素存储的是最近120秒塔机的变幅幅度，第五行元素存储的是最近120秒塔机的起升高度，第六行元素存储的是最近120秒塔机的环境风速。初始值置零，每采集一组数据将数组中的尾元素剔出，前面的元素后移，新进元素置于数组中的第一列，始终确保数组中存贮的是最近120秒塔机的运行数据。为提高系统响应的实时性，延长非易失性存储芯片FLASH的使用寿命，在程序运行过程中这个数组缓存在易失性存储空间SDRAM中，在系统突然掉电时写往FLASH中。 

为了实现这一功能，系统专门开通了外部中断线程，和应用程序的掉电监控线程。应用程序的掉电中断监控线程设置为高优先级，以便掉电中断时，系统立刻执行监控掉电中断线程。系统得电正常运行时，外部中断线程和掉电中断监控线程都是挂起状态。当掉电监控电路检测到突然掉电时，则通过外部中断引脚产生中断，ARM微处理器响应外部中断请求后，唤醒外部中断的处理线程，设置同步事件为通知状态。掉电中断监控线程接收到同步事件后，系统及时将缓存在SDRAM中的数据写往FLASH中，永久存贮。 

本发明的优点在于：（1）通过带有塔机信息的U盘自动进行系统初始化，使其适用于平臂、动臂、平头臂塔机的现场监控；并在彩色显示屏上以图文形式实时显示塔机的工作参数，自动存储塔机的工作时间、循环工作次数、报警情况、重量和力矩超载信息；（2）自动拟合塔机的起重力矩曲线，适用于任何倍率下的不同塔机，在出现危险工况时声光报警，并可通过RS485通讯接口与PLC或继电器联接，切断相应控制电源；（3）因突发事故断电，系统能记录塔机断电瞬时的工作状态信息，为浮现历史事件，确定事故责任，提供第一手资料。 

附图说明

图1为塔机功能模块示意图， 

图2为塔机智能监控装置结构示意图，

图3为传感器标定界面图，

图4为实时起重量、起重力矩监控流程图。

具体实施方式

本智能监控装置控制盒以及显示屏安装在塔机驾驶室控制室中，高度传感器安装在起升机构上，幅度传感器安装在变幅机构上，重量传感器安装在塔机测力环轴中，各传感器通过电缆与控制盒连接。监控装置及其线路安装好后，必须进行参数的标定，才能进行正确显示。操作显示屏，进入到管理模式，控制塔机吊起已知重量的砝码，等吊钩稳定后，将塔机的实际吊重输入到显示屏中；然后，将砝码放下，使吊钩空钩，再将空钩重量0输入到显示屏另一数据中，从而实现对塔机重量的标定。同样，改变塔机的高度、变幅幅度、回转角度等参数数据，可实现对其它数据的标定。 

Claims (3)

1.塔机智能监控系统，包括控制盒（1）、显示屏（2）、高度传感器（3）、幅度传感器（4）、重量传感器（5），其特征在于：控制盒及显示屏安装在塔机驾驶室控制室中，高度传感器安装在起升机构上，幅度传感器安装在变幅机构上，重量传感器安装在塔机测力环轴中，各传感器通过电缆与控制盒（1）连接。

2.根据权利要求1所述的塔机智能监控系统，其特征在于，该系统采用模块化设计，包括：嵌入式主板模块、传感器模块、信号隔离调理模块、数据采集模块、电源模块、输出控制模块、显示屏及触摸屏模块。

3.根据权利要求1所述的塔机智能监控系统，其特征在于，嵌入式主板采用嵌入式微处理器ARM 9作为MCU，主板上设置有SDRAM和NAND Flash，主板设置有插槽，该插槽放置扩展的CF卡，主板上设置了JTAG、I/O、RS232、RS485、USB、LCD、音频、触摸屏接口，所有接口和外围设备的连接都采用插拔式。

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