桥式起重机安全监控管理系统研究

潘攀+李靖宇+李长安+韩瑞彬

摘 要 起重机械象征着现代社会的文明程度，很多行业都要应用它来完成体积大、质量重的物件的移动。其中桥式起重机是应用最广发，使用数量最多的起重机械。近年来，随着起重机的使用量增加，起重机事故数量也在上升。起重机的事故往往会造成较大的经济损失，一方面由于单台设备价格高，设备损坏的损失大，另一方面某使用场合设备数量少，事故发生易造成停产。因此，找出有效的防止桥式起重机事故发生的办法显得尤为重要。起重机安全监控管理系统已经在塔式起重机和门座式起重机上应用，但是应用于桥式起重机的安全监控管理系统还很少。因此开发一款桥式起重机安全监控管理系统非常有意义。

关键词 黑匣子；节点；安全监控；起重量

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）07-0018-04

起重机安全监控管理系统已经在塔式起重机和门座式起重机上应用，但是应用于桥式起重机的安全监控管理系统还很少。另外黑匣子作为多信息采集记录仪已经成熟发展，飞行器、轮船、汽车都开发出其相应黑匣子，并广泛应用。但是飞行器和船用黑匣子监测参数众多，结构复杂，成本很高，而且起重机黑匣子的极限工作环境远远不会达到以上两种黑匣子的要求，因此起重机用户不会采用飞行器和船舶用黑匣子。汽车黑匣子技术，在我国还不成熟，而且汽车黑匣子偏重于监测汽车的行驶路线与周围车距，不适合用在桥式起重机上。因此开发一款桥式起重机安全监控管理系统非常有意义。

1 系统总体方案设计

1.1 系统总体结构

桥式起重机安全监控管理系统的工作原理设计为：通过各种传感器采集桥式起重机的运行参数和人员信息，汇聚到黑匣子节点，黑匣子节点再通过GPRS_DTU模块把数据发送到基站，基站通过网络把数据存入远程服务器，相关职能部门通过网络访问远程服务器在特点软件系统中显示各监测对象。系统总体结构如图1。

图1 系统总体结构图

1.2 黑匣子节点结构

桥式起重机黑匣子硬件按照功能可以分为：外壳保护单元、单片机、数据采集模块、数据通讯模块、数据储存模块、实时时钟模块、数据显示模块、电源模块等几个部分。桥机黑匣子系统的结构框图如图2所示。

图2 黑匣子节点结构框图

1.3 系统解决方案设计

1.3.1 主控芯片的选择

由于监测数据种类较少，目前起重机的安全监测管理系统一般是采用51单片机，此类单片机应用比较广泛，价格相对较低，发展也已成熟。

1.3.2 黑匣子节点采集方案选择

本系统黑匣子节点需要采集起重量、起升高度、行程开关、限位开关、同一轨道两车间距等信息。其中行程开关直接通过单片机数字I/O口采集，其他数据采集需要其他辅助设备。

1）行程、限位开关采集。限位开关的信号接入有两种方式。方式一：桥式起重机限位器一般同时有常开和常闭两对触点，其中常闭触点接入起重机控制电路，控制电机电源。常开触点一般是空置的，I/O量采集模块可以利用通过监控这个空置的常开触点状态反映限位器的状态。方式二：桥式起重机械限位器的常闭触点接入控制电路。通过在控制电路限位各开关触点位置串入220 V继电器的线包，然后通过监测继电器开关状态得出限位器的状态。方式一完全独立于桥式起重机的控制电路，简单可靠，但由于不同限位器遍布桥式起重机各个部位，需要进行长距离的布线。方式二需要在原控制电路中串接继电器，降低了系统的可靠性，但由于限位器接入控制电路的位置相对集中，需要布线很少，连线如图3。

图为大车1、大车2、小车1、小车2连线示意图。其中INL1等表示黑匣子系统接线端。

2）起重量信息采集。本系统的起重载荷值直接从桥式起重机械标配中的起重量限制器中获取。其精度一般小于5%。试验用的桥式起重机配置的载荷限制器为浙江常州某厂家的产品，型号为QCX-M系列。该产品具有实时重量显示、零点自动跟踪、储存超载次数等功能。同时提供4-20 mA、RS485等接口。

图3 行程开关连线示意图

3）起升高度信息采集。绝对式编码器/电位器这种方法一般用于测量旋转物体的角位移；虽然高度并非角位移，但是只需测量卷筒的角位移和其直径就可以计算出线位移。只是以上方法的局限是：角位移的测量范围有限，仅限于一圈（360°），实际情况中卷筒的旋转圈数范围绝对不止一圈。因此卷筒轴必须外接减速器，是所测量限制在一圈以内。由于采用机械方式经过几次转换，而且再加上电位器本身就具有非线性，测量的精度会受很大影响。同时该方法也有优点，就是只要开始位置（即为零点）确定，不管测试系统在什么时候停机，重启后，所读取的数据都可以准确确定起重机吊钩的位移量。以上两种传感器的不同之处就是：前者的输出的是数字信号，而后者输出的是电压或电流模拟信号。系统中应用绝对式多圈光电编码器测量起升高度。本设计中选用GAX60 R13/12 E10 LB编码器。其输出RS485信号，易于读取。编码器设置成主动模式时，主动向上位机发送数据。

图4 仪器硬件原理图

4）两车间距信息采集。本系统选择超声波测距。超声波测距模块原理图如图4所示，模块包括固有频率正反馈发生器电路、换能器、线性电路（前置放大，噪音过滤，线性放大，整形电路）、单片机等部分。

本采集模块设计时，单片机通过对40 kHz方波发生电路的控制实现对发射的控制。单片机的P1.0口以6个脉冲的序列发射信号再经过超声波发射电路放大，单片机程序是通过延时函数实现的。脉冲发射同时打开定时器T0开始计时，发射后等待1 ms（主要目的是消除余波干扰，同时会导致测量盲区），打开外部中断INT0，等待回波反射到接收探头。

5）人员信息采集模块。桥式起重机械操作人员信息的采集，主要是为了实现人员和设备的管理。本系统设计借鉴门禁系统的功能。endprint

读写器向IC卡发一组固定频率的电磁波后，卡片内部的LC串联谐振电路的频率与读写器发射的频率相同，在该电磁波的激励下，LC谐振电路产生共振，从而使电容内有了电荷，在这个电容的另一端 ，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内储存，当所积累的电荷达到2 V时，此电容可作为电源为其他电路提供工作电压，并将卡内数据发射出去。

读卡模块从内部引出四根线，这四根线分别表示电源线、地线、数据线0、数据线1。每次读卡时，如从0号数据线读到一个低电平，则信号记为0，反之，从1号数据线读到一个低电平，则信号记为1，每两个信号的间隔大约为2.6 ms。硬件实现时，首先可用查询方式确定第一个信号，而后用定时器定时2.6 ms再读其中任一根数据线，这时两线上至少有一根数据线出现信号。因此这种方法很容易实现，只是在读第一个信号时，系统可能陷入不断的查询中。

6）数据储存模块。本系统设计的数据存储功能，可以实现海量数据存储，用于信息的保存与历史数据的分析。现场黑匣子主要应用于安全数据的保障存储，根据实际需要保存近期7天的安全数据，一旦数据达到一定数量，能够自动覆盖远些日期的数据。

一般监控数据的现场存储采用专用的存储装置（如硬盘等），对基站节点的要求很高，节点价格将比较昂贵，不适用推广。本系统研究了基于存储卡的现场存储方式，其中SD卡以其高存储容量、快速的读取速度、极大的移动灵活性以及很好的安全性成为本系统的选择。同时为了使其在Windows操作系统可以识别，系统在SD卡中建立了FAT16格式的文件，同时实现数据的定期自动覆盖。

7）实时时钟模块。桥式起重机每天工作后都要断电，断电后没有任何措施保证单片机内部时钟芯片的时间增量器正常工作，对于监测起重机运行参数来说是行不通的，因此需要选择外部时钟芯片，该芯片必须具有掉电检测功能并且提供备用电源。经过多方测试，PhiliPs公司的PCF8563实时时钟芯片是满足要求的。该芯片平时用主机电源供电，可利用纽扣电池作为后备电源，掉电后，能正常计时。

8）数据上传模块。本系统选用深圳市某科技有限公司的GPRS 内嵌式DTU模块，型号为KB3021。

2 黑匣子节点设计

本系统需要检测的运行参数较少，但是通讯接口需要较多。总和考虑节点单片机选用C8051F020。系统的电源模块的电源输入设计有外部交流220 V供电和直流+12 V供电两种模式。长期监测需要采用外部供电模式，为减少电源超导线接线的安全隐患，系统首先利用AC/DC将220交流转换为+12 V直流。系统通过SPI对SD卡进行读写擦除操作，SPI总线主要通过四根线进行数据传输：同步时钟线SCK、主入/从出数据线MISO、主出/从入数据线MOSI、从机片选择线CS（低电平有效）。黑匣子节点电路中最重要的是采集电路和通讯电路设计。下面分别介绍。

2.1 电路设计

1）采集模块电路设计。开关量采集模块的电路的设计较为简单，可以先根据光耦的驱动电流确定输入电阻的大小，然后选择一个电容，使其与该输入电阻构成一个RC滤波回路，再过滤通道上的毛刺干扰即可。系统共设计12路开关量采集通道，各通道用一个公共地。开关量采集电路如图5所示。

图5 开关量采集电路原理图

2）通讯接口电路设计。系统单片机集成了串行通讯接口，使用这些串行通讯接口和RS485接口驱动芯片就可以构成总线型通讯网络，实现数据通讯，即完成系统设定的采集任务。RS485通讯采用星型结构，这种结构具有接口简单、灵活性好、价格低、易于控制等优点，已经非常广泛的在工控系统中使用。美国TI公司生产的SN75LBC184是一种RS485接口芯片。可以与单片机里连接，把TTL信号转化为RS485信号。应用该芯片完成电路图如图6。

图6 RS485通讯接口设计

2.2 程序设计

系统单片机需要完成以下工作。

1）读取开关状态并计时（第一路开关为桥机总电源按钮，上电与断电后分别记录时间，用来记录工作时间。其他开关量只在变化后存储上传）。

2）分别向各RS485接口发送查询命令，并接受各模块采集的数据，分别计时。

3）把所得数据和时间按照统一格式发送到SPI接口，存入SD卡，并上传。

本设计中系统需要查询开关量，通过RS485总线查询起重量、起升高度、同一轨道两车间距，通过IC查询实时时钟数据，通过SPI把读取数据存储到SD卡中，通过串口0，发送的DTU模块，完成一个工作周期。

3 系统终端设计

监控系统的软件设计主要是包括节点远程参数设置、接收和处理终端发回的数据，数据库设计、系统用户界面设计、系统分析软件设计等。

3.1 软件功能模块

1）用户登录分级管理。软件实现用户分级管理。A类用户具有修改用户名、密码、远程修改参数、删除历史记录等权限；B类用户具有远程参数修改权限；C类用户只有查看权限。系统登陆界面如图7所示。

图7 用户登录界面

2）服务器数据接收。当该服务器接收到一个网络数据包后，它首先判断该数据包是终端（远程主机）发来的数据包还是修改参数的数据包，如果两者都不是，说明接收到了异常的数据包，那么将进行异常处理。如果是修改参数的数据包，那么接下来发送指令到终端（远程主机）如果是终端（远程主机）发来的数据包，数据超过了阀值将进行软件和硬件报警然后将该数据存入数据库；如果没有发生异常，那么除了正常显示之外，将直接进行数据的存储工作。

3）数据库设计。数据库作为监控系统的数据存储部分，它的性能直接影响到整个监控系统的性能，本系统采用工厂模式三层架构开发数据库。通常意义上的三层架构就是将整个业务应用划分为：表现层（UI）、业务逻辑层（BLL）、数据访问层（DAL）。区分层次的目的即为了“高内聚，低耦合”的思想。endprint

数据库设计是从用户对数据的需求出发、设计和实现数据库的过程，既要满足应用功能需求，又要具有良好的数据库性能。数据库模块是监控平台软件中的核心部分。该软件模块主要实现数据存储、数据查询、数据库维护等功能。在该系统中数据存储主要包括：①测点采集的各个参数的数据；②测点的基本信息；③监测设备的报警信息；④测试节点的历史数据等。

4）节点管理模块。进入系统之后，在终端管理主界面上可以查看各节点的在线情况（如图8所示），可观察左侧节点颜色判断各节点在线与否，蓝色指不在线，绿色指在线。

另外还可以查看其历史数据。在工具栏中选择“数据显示”，再选择“历史数据显示”，找到“起重量_间距_高度数据显示”即可通过设置查看任何一小时的历史数据。

4 结束语

为了保障桥式起重机的安全操作，满足安监部门对设备管理的需求，本文研究桥式起重机械远程安全监控系统。该系统将GPRS无线数传技术、大容量数据的现场/远程存储技术等相结合，实现基于网络的起重机械安全运行的监测及现场/远程“黑匣子”功能，可广泛应用在桥式起重机械的长期监测项目。

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