履带式起重机安全监控系统关键技术

张岳明

摘要:履带起重机安全监控系统不但可以提高履带起重机的安全性能,而且还可以提高履带起重机工作时的效率。论文对系统硬件和系统软件的关键部分设计做了比较详细的剖析,为以后系统功能进一步完善和升级打下了良好的基础。

关键词:履带式起重机;安全监控;关键技术

由于履带起重机结构复杂、臂架组合模式多、高度大、重心高、作业环境复杂,每年都会因控制问题而引发重大人员伤亡事故。履带吊一旦发生事故,不但有人员伤亡,而且会造成重大经济损失。为了让履带起重机更好的工作,其安全性必须得到保证,如果在履带吊的控制室内装有监控系统将会极大的减少事故的发生率。因此,履带吊监控系统研究开发是很有实际意义的。

1 履带式起重机安全监控系统

履带起重机(又称履带吊)是工程起重机行业的一个重要门类,具有吊重能力强,接地比压小,转弯半径小,可以带载行驶等优点,被广泛地应用于搭建桥梁、安装发电设备、安装炼油设备、架设风力发电机组以及建设海上工作平台等施工项目。由于履带起重机结构复杂、臂架组合模式多、高度大、重心高、作业环境复杂,每年都会因控制问题而引发重大人员伤亡事故。例如:一台25T起重机在某宾馆旁施工超载翻倒,吊臂折断,当场砸坏高级轿车三辆,所幸无人伤亡,直接经济损失105万元初步估计从1999年到2006年仅国内就有十多起类似的履带吊事故发生。分析其主要原因:超载、未确定吊运物品的重量或斜拉斜吊等引起吊倾覆伤亡;操作不当,如快放急停造成臂杆弯折;设备安全保护装置未装或失效;由于外界意外发生,如大风,撞电线。因此履带吊监控系统研究开发迫在眉睫。

2 系统硬件设计

硬件系统主要包括:传感器信息采集电路、键盘输入电路、LCD显示电路、控制输出电路等,完成了从信号采集到显示输出等一系列的功能要求,并采取相关措施以提高硬件系统可靠性

2.1 传感器选择和信号采集

信息采集。在重型机械行业,称重主要用电阻应变片来传感,其基本原理:弹性体(弹性元件,敏感梁)在外力作用下产生弹性变形,使粘贴在它表面的电阻应变片(转换元件)也随同产生变形,电阻应变片变形后,它的阻值将发生变化(增大或减小),再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号(电压或电流),从而完成将外力变换为电信号的过程。

仰角信息采集。于履带起重机而言,吊臂扬起运动的仰角范围为:0～907?觷,为了进行力矩限制,吊臂倾角检测非常重要。对于倾角的测量方法比较多,按工作原理的不同将其分为三大类:即利用重力加速度的摆式倾角传感器,利用角速度积分的倾角传感器和复合式倾角传感器。角速度积分的倾角传感器必须限定角速度的漂移,还要进行初始对准,对于加速度型倾角传感器,虽然这一类传感器一般都存在一定的非线性,但测量范围相对较宽,实用方便。

现场风速信息采集。选用光电型数字风速传感器,其采用低惯性轻金属风杯,随风旋转,带动同轴截光盘转动,以光电子扫描输出脉冲串,输出相应于转数的脉冲频率对应值,便于采集及处理。

2.2 人机接口电路设计

单片机应用系统中,通常都要有人机对话功能。它包括人对监控系统的状态干预与数据输入以及监控系统向人报告运行状态与运行结果以及故障显示记录。往往人机界面的优劣程度关系到整个系统的性能和水平。本文选择键盘作为操纵者对监控系统的状态干预与数据输入的外部设备,用报警指示灯和点阵LCD显示器来向操纵者报告系统运行状态与运行结果。

2.3 其他

单片机系统的数据存储。单片机在某些测量、控制等领域的应用中,常要求单片机的内部和外部RAM中数据在电源掉电时不丢失,重新加电时RAM中的数据能够保存完好(本系统对数据保护的要求就是如此)。悬臂长,起重机工作历史曲线,时间等参数。另外,系统与外部通信的数据,也要保存,从PC机下传的数据和要给PC机传输的数据,不能在掉电后丢失。为了实现对上述数据准确、可靠的保存,需要对系统的RAM方案进行掉电保护设计。

实时时钟功能的实现。为方便用户,本系统具有实时时钟功能:系统应能提供具体的月、日、时、分信息,不要求有年、秒的信息。实现日历时钟功能有两种方法,即硬件法和软件法。由于系统要实现各种控制策略,不希望实时时钟程序过多的占用CPU的时间,所以通常不宜采用软件法,而采用硬件芯片来实现日历时钟功能。它可以节省CPU的时间、提高效率,是一种有效的方法。用硬件实现实时时钟设计时,对日历时钟芯片的选择常常从以下三个方面考虑:①芯片的功能要强,功耗低,外围线路简单,软件开销小;②性能价格比高;③可靠性好。

人机通道的设计。单片机应用系统中,通常都要有人机对话功能。它包括人对应用系统的状态干预与数据输入以及应用系统向人报告运行状态与运行结果。往往人机界面的优劣程度关系到整个系统的性能和水平。本文选择键盘作为操纵者对应用系统的状态干预与数据输入的外部设备,用报警指示灯和LCD显示器来向操纵者报告系统运行状态与运行结果。

3 系统软件设计

系统能否正常可靠地工作,除了硬件的合理设计外,与功能完善的软件设计是分不开的。

3.1 系统软件总体结构设计

考虑到系统功能、操作主体的不同以及系统安全性,本文所设计的监控系统软件功能具有两种工作模式:管理员模式和工作模式。管理员模式主要用于预设系统参数,包括:履带吊静态信息(如几何尺寸、最大静载荷、主副钩重等)设置模块、传感器标定模块等,管理员模式下的操作对系统的正常运转有巨大的影响:工作模式是系统在管理员设置的各类参数下正常工作的模式,主要包括:实时数据采集模块、实时数据处理模块、运算控制模块、实时输出模块等等。

3.2 系统监控程序的设计

一般来讲,监控程序的任务有:完成系统自检、初始化、处理键盘命令、处理接口命令、处理条件触发并调度执行模块及完成显示等功能。但习惯上监控程序是指键盘解析程序,而其他任务则分散在某些特定功能模块中。本文所设计的监控程序就是如此。数字量采集本系统对风速传感器输入脉冲频率的计数采用外部计数、内部定时的方法,即利用单片机内部计数器对输入脉冲进行计数,用单片机内部的定时器定时,计算脉冲频率。

监控程序的基本节构主要分为两部分:初始化部分,由上电复位后的主程序执行,用来初始化系统的硬件资源和软件资源;监控循环实体,是监控程序的实质部分,完成键盘扫描、键码解释、执行功能、模块刷新和显示等任务,一般将其放在主程序初始化部分之后。监控程序兼有作业顺序调度型和键码分析作业调度型的特点。系统按照预先设定循环进行键盘查询、计算、判断、控制等工作;通过键盘可以执行设置、调整、换档、显示、通讯、指示等功能

3.3 主要软件功能的实现

面板显示。面板显示部分关键是汉字的显示,而显示的前提是要提取点阵汉字字模,做成系统自己的汉字库头文件,并按照LCD显示的顺序存贮。一个16×16点阵的汉字需要32个字节存贮其字模。

数据处理。系统数据处理程序主要涉及到起重机角度、力矩、吊钩设计等测量、计算。角度限制和力矩限制角度限制和力矩限制是该起重机安全监控系统所要求的基本功能。仰角限制的基本要求是当仰角超过所规定的上、下限时,声、光报警,并输出控制信号。

4 结语

总之,起重机械需要配备功能更完善的安全监测控制系统,作为起重机安全监控系统开发方面的一个尝试,离最后的实用化、产品化还有相当的距离。相信随着智能化控制理论的发展和微电子技术、自动控制技术和传感器技术的发展以及人们安全意识的提高,会发明完美的实现履带式起重机安全监控系统,以确保安全生产。

参考文献

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