起重机智能监控装置的研究与开发

张泽根 周 洪 夏明晔

(武汉大学自动化系，湖北 武汉 430072)

0 引言

起重机运行环境复杂多样，是事故率较高的一种工程机械。因此，必须使用起重机安全监控装置，以保证起重机设备运行在安全的范围内［1－4］。目前国产起重机监控设备的缺陷主要表现在以下两个方面。

①起重机载荷和力矩计算模型粗糙，大多使用插值、查表法等方式进行数据处理，导致计算模型基本没有可移植性。

②监控装置硬件基础相对落后，基本使用8位或16位单片机为系统硬件核心，造成系统功能的开发受限，无法完全满足起重机设备新的监控要求。

针对这种情况，本文设计开发了一种基于DSP的起重机智能监控装置。系统首先将传感器提供的起重机参数信号转化为数字信号，然后利用DSP，结合本文设计的起重机载荷、力矩计算模型，得到相应参数值，完成对起重机基本状态的监控。同时，系统包含有非正常运行参数自动存储、随时读取以及设备远程监控等功能。

1 系统总体设计

起重机的种类繁多，有汽车吊、履带吊、门座机和岸桥机等。针对不同类型的起重机，其监控装置的设计思想大体是一致的，区别主要在于控制的参数和方式选择上。本文主要以液压式汽车起重机为例来阐述起重机监控系统的设计。

1.1 系统技术要求

起重机监控系统的设计主要有以下基本要求［1，5－7］。

①系统计算模型应当具有可移植性，并且便于设备的调试。因此，不宜采用传统的查表和插值法相结合的建模方法。

②系统计算模型计算精度需达到国家相关标准。

③系统硬件设计应符合目前起重机监控系统的发展趋势。

在起重机运行中，监控系统需要实时获取起重机吊臂抬升角度、吊臂长度和吊臂支撑油缸上下油腔压力等各起重机运行参数，并通过计算相关模型，得到准确的起重机负载和力矩等数据。针对起重机各种运行状态，在发生危险状况时，监控系统能快速响应，提供报警并控制起重机自动进行相关动作，避免事故的发生。同时，监控系统能自动分析起重机的运行状况，当起重机非正常运作时，监控系统能自动将相关运行数据存入存储器，随时供用户分析使用。起重机远程监控设备能够对起重机进行实时远程监控，并实时获取起重机所有相关运行数据。

1.2 系统整体方案的设计

本文针对起重机的特点，结合相关技术要求，比较和借鉴现有的各种起重机监控装置解决方案，设计开发了基于DSP的起重机智能监控装置，其结构框图如图1所示。

图1 系统结构图Fig.1 Structure of the system

首先，角度、压力和长度等传感器将起重机吊臂抬升角度、吊臂支撑油缸上下油腔压力和吊臂伸长长度等参数，以4～20 mA电流信号的形式输入起重机智能监控装置的模拟量输入口。输入的4～20 mA电流信号经过转换电路、信号放大和A/D转换后得到数字量信号，以供DSP进行计算处理。

接着，DSP对输入的各起重机参数数字量信号进行数字滤波处理，并通过相关数学模型，计算获得起重机的负载和力矩等数据。监控装置根据起重机所有相关运行数据情况，对起重机进行运行监控。当起重机运行出现异常时，监控装置通过开关量输出端口提供报警信号，并对起重机进行相应动作，使起重机向着正常的方向运行，预防事故的发生。同时，监控设备会自动对起重机异常运行数据进行记录［8－10］。

最后，监控装置直接通过 RS-232/485接口或GPRS通信设备［11－14］，与上位机及远程监控终端进行通信，实时提供起重机运行状态数据，并接收外部控制命令，实现对起重机设备的远程监控［15－18］。

同时，LCD显示模块及键盘模块为操作人员提供了一个良好的人机接口，以实时显示起重机的各运行状态，并提供了一个现场操作终端。

1.2.1 模拟量信号预处理及A/D环节

模拟量信号预处理环节的功能是将传感器提供的4～20 mA电流信号转换为电压信号，并对电压信号进行放大处理，使处理后的电压信号在A/D采样芯片的采样电压范围内，可以被A/D采样芯片进行信号采样。本文采用LM224运算放大器，结合电阻、电容，组成模拟信号预处理电路。

LM224D为低功耗四路运算放大器，输出级有短路保护装置。4个运放之间具有良好的匹配性能和隔离性能，隔离抑制比为120 dB。放大器内接频率补偿电路，开环电压增益为100 V/mV，可应用于有源滤波器、仪用放大器、医疗器械设备、精密测量系统、波形发生与变换电路和自动控制系统。

A/D转换芯片选用AD7862。该芯片是AD公司的一款12位并行高精度快速ADC，最高采样速率为0.25 MS/s，可满足系统采样速率的要求。

1.2.2 DSP 数字信号处理环节

系统的信号处理环节由主控芯片DSP完成［19－20］，此环节是系统的核心。信号处理环节主要完成以下任务。

①对A/D环节得到的采样信号进行数字滤波，从而得到准确的起重机参数值，为系统计算做准备。

②根据建立的起重机负载和力矩模型，计算起重机实时负载和力矩。

③分析起重机各运行数据，判断起重机运行状态，并对起重机做相应的控制，预防起重机发生事故。

④直接通过RS-232/485或GPRS远程无线传输，与上位机及远程监控终端进行数据通信，发送起重机运行状态参数，接收远程控制命令。

1.2.3 数据通信环节

数据通信环节主要由RS-232/485以及GPRS通信装置构成［21－24］，以实现监控装置与上位机及远程监控终端的数据通信，满足对起重机设备远程监控等的目的，使用户能够实时、集中地监控管理起重机群的运作过程。

2 系统数学模型的建立

本文的研究对象为某公司生产的液压式汽车起重机。以下的分析、论述都是以该公司的50D521型号液压式起重机为基础。

液压式汽车起重机的起重量数学模型为:

式中:L1为主臂绞点与油缸上绞点距离;L2为主臂绞点与油缸下绞点距离;θ为主臂和主臂绞点—油缸下绞点连线间的夹角;M0为主臂OA和吊钩的重量;L为主臂的长度;m为吊钩和载重的质量和;P为变幅油缸的压力差;K为起重机油腔压力与起重量的关系系数。

至此，我们便完成了液压式汽车起重机的起重量数学模型总体构架，建立了载重、模型系数、压力、角度和臂长等参数的函数关系式。为了具体分析液压式汽车起重机各个非理想因素对起重机起重量的具体影响，本文已利用已有的试验数据对数学模型总体构架中的模型系数K进行具体分析。

由K－θ曲线图分析得知，起重机不同运行状态下的曲线恒过定点，且曲线弯曲形式也非常相似。这样我们就可以假设在起重机不同运行状态下，以其中一条曲线为基准，其余的K－θ曲线通过该基准线绕定值点A，旋转某一角度Δα后得到，从而通过对定点不同的角度旋转，得到同型号起重机各种运行状态下的K－θ关系模型，并以此计算起重机载荷、力矩等运行数据，供工作人员使用。

3 系统的硬件设计

在系统数学模型建立好的情况下，根据上述基于DSP的起重机智能监控装置设计思想，本节主要介绍实现监控装置目标的系统硬件结构。系统硬件结构如图2所示。

图2 系统硬件结构图Fig.2 Structure of system hardware

系统硬件按照其功能可以分为以下7个模块。

①电源转换模块主要由多个稳压集成电路结合相应外围电路组成，负责将24 V电源输入转化为15 V、12 V、5 V、3.3 V 和 1.8 V 等多个电压等级，供整个硬件系统各模块和传感器等使用。

②数字信号处理模块是系统中的核心信号处理模块。系统采用美国德州仪器公司(TI)的TMS320F2812芯片，它是本系统的核心，负责信号的采集、处理、控制命令和对外通信［27］。

③模拟量信号采集模块主要由运算放大器LM224和A/D采样芯片AD7862组成，完成对传感器提供的模拟量电流信号的采样。

④译码及接口扩展模块主要由复杂可编程逻辑器件XC9536-5VQ44C及总线收发器SN74LVC16245ADL组成［25－28］，主要对系统的多个控制、标志信号进行逻辑编程及模块间电平转换，并扩展系统接口资源。

⑤数据通信模块主要由芯片MAX232、MAX485及GPRS通信模块组成，完成就地监控装置与上位机、远程监控设备的通信。

⑥人机接口模块由240×128大屏幕LCD及3×4键盘组成系统的友好人机界面，对起重机运行状态进行详细显示，并提供控制输入接口。

⑦时钟及存储器模块由DS12B887时钟芯片及24C64存储器芯片组成，为监控系统提供当前时间及作为整个监控装置的数据存储空间。

4 系统的软件设计

基于DSP的起重机智能监控装置的软件设计，主要通过对DSP编程实现。系统软件总体流程图如图3所示。

图3 软件流程图Fig.3 Flowchart of software

程序初始化主要包括以下内容。

①DSP相关功能模块的初始化，包括外围功能模块、功能模块向量表、系统时钟、GPIO、中断、串口和事件管理器的初始化。

②DS12887时钟功能模块的初始化，包括进行内部时钟时间自调，获取秒、分、时、日、月、年和星期的值。

③24C64存储功能模块的初始化，包括对存储器地址中的多个数据进行初始设定。

④LCD显示模块的初始化，包括清屏、设置LCD的CGRAM、为LCD的各显示设定以及初始化屏幕显示内容等。

这些初始化的设置和程序可以参考相应模块的用户手册。

系统初始化后，首先对键盘进行扫描，检测是否有键盘操作信号输入。然后等待采样定时的到达，进入A/D采样程序。得到采样数据后，利用中值滤波加消抖滤波法，对采样数据进行滤波。然后利用计算模型，对有效采样值进行相关计算，并分析计算结果，确定起重机的运行状况。同时，系统开启外部数据输入的中断，当有外部指令输入时，进入中断读取指令。最后，根据键盘扫描结果、采样值分析结果和外部指令要求，对屏幕进行更新，并执行相应动作。执行动作内容主要包括故障报警、起重机制动等开关量信号的输出，向上位机、远程监控装置发送起重机运行参数信号等。本节着重介绍的是A/D采样程序、数据滤波程序和数据通信程序。

4.1 A/D转换程序设计

A/D转换程序用于对A/D采样模块的控制和采样，得到起重机吊臂长、吊臂抬升角度和吊臂支撑油缸上下油腔压力信号的采样值，并将采样值传送给DSP芯片。

A/D采样程序控制A/D转换芯片AD7862以0.5 kHz的频率进行采样，即采样间隔为2 ms。采样速率利用DSP芯片F2812内部定时器0进行精确控制。在T0中断发生后，DSP在T0中断服务子程序中控制GpioDataRegs.GPADAT.bit.GPIOB3。AD7862 的 CONVST接收到该信号后开始对电压波形信号进行采样。采样完成后发出一个中断信号到F2812的外部中断XINT1，XINT1中断产生后进入中断子程序读取A/D采样值。4个信号的值按顺序逐个采样的方式获得，采样值存放在数组 sample1［1000］、sample2［1000］、sample3［1000］、sample4［1000］中。

4.2 数字滤波程序设计

DSP应用系统的干扰不能完全依靠硬件解决，因此，有必要进行软件抗干扰设计。

对于实时数据采集系统，为了消除传感器通道中的干扰信号，在硬件上常采取有源或者无源RLC网络，构成模拟滤波器对信号实现频率滤波。同样，运用CPU运算、控制功能也可以实现频率滤波，完成类似模拟滤波器的功能。这就是数字滤波。

在一般数据采集系统中，常采用一些简单的数值、逻辑运算处理来达到滤波的效果。这些方法有中值滤波、算术平均滤波、递推平均滤波、限幅平均滤波、一阶滞后滤波和限幅消抖滤波等。这样经过数字滤波，可以减少系统的随机干扰对采集结果的影响。本次研究对采样结果采取了中值滤波和递推平均滤波。

在系统滤波程序中，首先对20个(可以设定)采样值进行中值滤波，得到有效采样值，再使用递推平均滤波对多个有效采样值进行滤波，得到最终采样数据，供计算程序计算使用。通过两次滤波，可以基本除去系统脉冲扰动并消除起重机运行时的抖动对数据的影响，得到平滑的采样数据。

4.3 通信程序设计

4.3.1 通信协议

RS-232/485及GPRS通信程序主要实现与上位机、远程监控设备之间的通信。当系统接收到外部命令，需要系统对外发送数据时，系统将相关数据以一定的数据格式发送出去。系统通信使用自定义通信协议，协议使用基本数据帧格式。发送数据帧之前，发送方已经通过呼叫帧与下位机形成连接。系统使用的数据帧格式如图4所示。

图4 数据帧格式Fig.4 Format of data frame

起始字符，数据帧起始标志，表示数据开始。以FFH、00H表示数据的开始，如果收到的数据包不是以这个开头，则丢弃。

手机号码，一个起重机监控终端的标志，表明该数据为此起重机发送。

数据类型标志，用于表明这帧数据的内容。“0000”为起重机当前运行状态参数，“FF FF”为起重机运行数据历史记录，即异常运行状况历史记录。

数据内容，通信中需要传输的具体数据内容。

异或校验，对起始字符、手机号码、数据类型和数据内容4个字段的异或校验。异或校验是针对数据块而不是单个字节，发送方对数据块中的各个字节进行异或，产生一个字节的校验位，附加在数据块结尾，接收方收到数据后对数据的各个字节进行异或后，再与异或校验位相比较，以作为判断数据传输是否出错的标准。

4.3.2 通信过程

建立连接的过程是上位机、远程监控设备通知就地监控装置，要求监控装置发送相关数据，就地设备接收到指令，并回复响应帧及数据帧的过程。

上位机、远程监控设备收到数据后，对数据进行校验，如果校验正确，则结束此次通信，否则，重新发送指令帧。请求重发的次数系统规定最多为3次，超过后，这次的通信会结束退出。

4.3.3 数据校验

差错控制用于传输数据的错误检查和错误纠正，以保证数据传输的准确性。在实际的信息传输中，由于受外界干扰，可能会出现数据/命令帧丢失或出错的情况。这种情况会导致双方都处在等待对方数据的状态，即进入死锁状态。为防止这种情况的出现，本系统采用了以下措施:限制通信时间。当上位机、远程监控设备发送指令帧后，如果在规定时间内没有收到就地监控装置的响应，则认为帧丢失并重发指令帧;如果发送3次仍没有收到响应，系统则认为网络异常，退出通信任务。

5 结束语

本文研究开发的基于DSP的起重机智能监控装置，与国产一般起重机监控装置相比，具有以下特点:采用理论建模与数据分析建模相结合的建模方式，具有可移植强、调试简单等特点;采用高性能的DSP作为监控装置的核心，系统数据处理能力、稳定性以及系统的可扩展性都更强;结合无线远传技术，实现对起重机设备的远程监控管理、远程调度;对非正常运行数据能够自动保存，并能随时读取，以利于发现隐患，保障安全。

通过现场的调试与测试，检验得到整个监控装置的运行状况以及整个系统的计算精度和控制效果皆达到既定标准。

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