張岳明

摘要:履帶起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)不但可以提高履帶起重機的安全性能,而且還可以提高履帶起重機工作時的效率。論文對系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件的關(guān)鍵部分設(shè)計做了比較詳細(xì)的剖析,為以后系統(tǒng)功能進(jìn)一步完善和升級打下了良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:履帶式起重機;安全監(jiān)控;關(guān)鍵技術(shù)

由于履帶起重機結(jié)構(gòu)復(fù)雜、臂架組合模式多、高度大、重心高、作業(yè)環(huán)境復(fù)雜,每年都會因控制問題而引發(fā)重大人員傷亡事故。履帶吊一旦發(fā)生事故,不但有人員傷亡,而且會造成重大經(jīng)濟(jì)損失。為了讓履帶起重機更好的工作,其安全性必須得到保證,如果在履帶吊的控制室內(nèi)裝有監(jiān)控系統(tǒng)將會極大的減少事故的發(fā)生率。因此,履帶吊監(jiān)控系統(tǒng)研究開發(fā)是很有實際意義的。

1 履帶式起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)

履帶起重機(又稱履帶吊)是工程起重機行業(yè)的一個重要門類,具有吊重能力強,接地比壓小,轉(zhuǎn)彎半徑小,可以帶載行駛等優(yōu)點,被廣泛地應(yīng)用于搭建橋梁、安裝發(fā)電設(shè)備、安裝煉油設(shè)備、架設(shè)風(fēng)力發(fā)電機組以及建設(shè)海上工作平臺等施工項目。由于履帶起重機結(jié)構(gòu)復(fù)雜、臂架組合模式多、高度大、重心高、作業(yè)環(huán)境復(fù)雜,每年都會因控制問題而引發(fā)重大人員傷亡事故。例如:一臺25T起重機在某賓館旁施工超載翻倒,吊臂折斷,當(dāng)場砸壞高級轎車三輛,所幸無人傷亡,直接經(jīng)濟(jì)損失105萬元初步估計從1999年到2006年僅國內(nèi)就有十多起類似的履帶吊事故發(fā)生。分析其主要原因:超載、未確定吊運物品的重量或斜拉斜吊等引起吊傾覆傷亡;操作不當(dāng),如快放急停造成臂桿彎折;設(shè)備安全保護(hù)裝置未裝或失效;由于外界意外發(fā)生,如大風(fēng),撞電線。因此履帶吊監(jiān)控系統(tǒng)研究開發(fā)迫在眉睫。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件系統(tǒng)主要包括:傳感器信息采集電路、鍵盤輸入電路、LCD顯示電路、控制輸出電路等,完成了從信號采集到顯示輸出等一系列的功能要求,并采取相關(guān)措施以提高硬件系統(tǒng)可靠性

2.1 傳感器選擇和信號采集

信息采集。在重型機械行業(yè),稱重主要用電阻應(yīng)變片來傳感,其基本原理:彈性體(彈性元件,敏感梁)在外力作用下產(chǎn)生彈性變形,使粘貼在它表面的電阻應(yīng)變片(轉(zhuǎn)換元件)也隨同產(chǎn)生變形,電阻應(yīng)變片變形后,它的阻值將發(fā)生變化(增大或減小),再經(jīng)相應(yīng)的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(電壓或電流),從而完成將外力變換為電信號的過程。

仰角信息采集。于履帶起重機而言,吊臂揚起運動的仰角范圍為:0～907?觷,為了進(jìn)行力矩限制,吊臂傾角檢測非常重要。對于傾角的測量方法比較多,按工作原理的不同將其分為三大類:即利用重力加速度的擺式傾角傳感器,利用角速度積分的傾角傳感器和復(fù)合式傾角傳感器。角速度積分的傾角傳感器必須限定角速度的漂移,還要進(jìn)行初始對準(zhǔn),對于加速度型傾角傳感器,雖然這一類傳感器一般都存在一定的非線性,但測量范圍相對較寬,實用方便。

現(xiàn)場風(fēng)速信息采集。選用光電型數(shù)字風(fēng)速傳感器,其采用低慣性輕金屬風(fēng)杯,隨風(fēng)旋轉(zhuǎn),帶動同軸截光盤轉(zhuǎn)動,以光電子掃描輸出脈沖串,輸出相應(yīng)于轉(zhuǎn)數(shù)的脈沖頻率對應(yīng)值,便于采集及處理。

2.2 人機接口電路設(shè)計

單片機應(yīng)用系統(tǒng)中,通常都要有人機對話功能。它包括人對監(jiān)控系統(tǒng)的狀態(tài)干預(yù)與數(shù)據(jù)輸入以及監(jiān)控系統(tǒng)向人報告運行狀態(tài)與運行結(jié)果以及故障顯示記錄。往往人機界面的優(yōu)劣程度關(guān)系到整個系統(tǒng)的性能和水平。本文選擇鍵盤作為操縱者對監(jiān)控系統(tǒng)的狀態(tài)干預(yù)與數(shù)據(jù)輸入的外部設(shè)備,用報警指示燈和點陣LCD顯示器來向操縱者報告系統(tǒng)運行狀態(tài)與運行結(jié)果。

2.3 其他

單片機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲。單片機在某些測量、控制等領(lǐng)域的應(yīng)用中,常要求單片機的內(nèi)部和外部RAM中數(shù)據(jù)在電源掉電時不丟失,重新加電時RAM中的數(shù)據(jù)能夠保存完好(本系統(tǒng)對數(shù)據(jù)保護(hù)的要求就是如此)。懸臂長,起重機工作歷史曲線,時間等參數(shù)。另外,系統(tǒng)與外部通信的數(shù)據(jù),也要保存,從PC機下傳的數(shù)據(jù)和要給PC機傳輸?shù)臄?shù)據(jù),不能在掉電后丟失。為了實現(xiàn)對上述數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠的保存,需要對系統(tǒng)的RAM方案進(jìn)行掉電保護(hù)設(shè)計。

實時時鐘功能的實現(xiàn)。為方便用戶,本系統(tǒng)具有實時時鐘功能:系統(tǒng)應(yīng)能提供具體的月、日、時、分信息,不要求有年、秒的信息。實現(xiàn)日歷時鐘功能有兩種方法,即硬件法和軟件法。由于系統(tǒng)要實現(xiàn)各種控制策略,不希望實時時鐘程序過多的占用CPU的時間,所以通常不宜采用軟件法,而采用硬件芯片來實現(xiàn)日歷時鐘功能。它可以節(jié)省CPU的時間、提高效率,是一種有效的方法。用硬件實現(xiàn)實時時鐘設(shè)計時,對日歷時鐘芯片的選擇常常從以下三個方面考慮:①芯片的功能要強,功耗低,外圍線路簡單,軟件開銷小;②性能價格比高;③可靠性好。

人機通道的設(shè)計。單片機應(yīng)用系統(tǒng)中,通常都要有人機對話功能。它包括人對應(yīng)用系統(tǒng)的狀態(tài)干預(yù)與數(shù)據(jù)輸入以及應(yīng)用系統(tǒng)向人報告運行狀態(tài)與運行結(jié)果。往往人機界面的優(yōu)劣程度關(guān)系到整個系統(tǒng)的性能和水平。本文選擇鍵盤作為操縱者對應(yīng)用系統(tǒng)的狀態(tài)干預(yù)與數(shù)據(jù)輸入的外部設(shè)備,用報警指示燈和LCD顯示器來向操縱者報告系統(tǒng)運行狀態(tài)與運行結(jié)果。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)能否正常可靠地工作,除了硬件的合理設(shè)計外,與功能完善的軟件設(shè)計是分不開的。

3.1 系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮到系統(tǒng)功能、操作主體的不同以及系統(tǒng)安全性,本文所設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)軟件功能具有兩種工作模式:管理員模式和工作模式。管理員模式主要用于預(yù)設(shè)系統(tǒng)參數(shù),包括:履帶吊靜態(tài)信息(如幾何尺寸、最大靜載荷、主副鉤重等)設(shè)置模塊、傳感器標(biāo)定模塊等,管理員模式下的操作對系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)有巨大的影響:工作模式是系統(tǒng)在管理員設(shè)置的各類參數(shù)下正常工作的模式,主要包括:實時數(shù)據(jù)采集模塊、實時數(shù)據(jù)處理模塊、運算控制模塊、實時輸出模塊等等。

3.2 系統(tǒng)監(jiān)控程序的設(shè)計

一般來講,監(jiān)控程序的任務(wù)有:完成系統(tǒng)自檢、初始化、處理鍵盤命令、處理接口命令、處理條件觸發(fā)并調(diào)度執(zhí)行模塊及完成顯示等功能。但習(xí)慣上監(jiān)控程序是指鍵盤解析程序,而其他任務(wù)則分散在某些特定功能模塊中。本文所設(shè)計的監(jiān)控程序就是如此。數(shù)字量采集本系統(tǒng)對風(fēng)速傳感器輸入脈沖頻率的計數(shù)采用外部計數(shù)、內(nèi)部定時的方法,即利用單片機內(nèi)部計數(shù)器對輸入脈沖進(jìn)行計數(shù),用單片機內(nèi)部的定時器定時,計算脈沖頻率。

監(jiān)控程序的基本節(jié)構(gòu)主要分為兩部分:初始化部分,由上電復(fù)位后的主程序執(zhí)行,用來初始化系統(tǒng)的硬件資源和軟件資源;監(jiān)控循環(huán)實體,是監(jiān)控程序的實質(zhì)部分,完成鍵盤掃描、鍵碼解釋、執(zhí)行功能、模塊刷新和顯示等任務(wù),一般將其放在主程序初始化部分之后。監(jiān)控程序兼有作業(yè)順序調(diào)度型和鍵碼分析作業(yè)調(diào)度型的特點。系統(tǒng)按照預(yù)先設(shè)定循環(huán)進(jìn)行鍵盤查詢、計算、判斷、控制等工作;通過鍵盤可以執(zhí)行設(shè)置、調(diào)整、換檔、顯示、通訊、指示等功能

3.3 主要軟件功能的實現(xiàn)

面板顯示。面板顯示部分關(guān)鍵是漢字的顯示,而顯示的前提是要提取點陣漢字字模,做成系統(tǒng)自己的漢字庫頭文件,并按照LCD顯示的順序存貯。一個16×16點陣的漢字需要32個字節(jié)存貯其字模。

數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理程序主要涉及到起重機角度、力矩、吊鉤設(shè)計等測量、計算。角度限制和力矩限制角度限制和力矩限制是該起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)所要求的基本功能。仰角限制的基本要求是當(dāng)仰角超過所規(guī)定的上、下限時,聲、光報警,并輸出控制信號。

4 結(jié)語

總之,起重機械需要配備功能更完善的安全監(jiān)測控制系統(tǒng),作為起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)方面的一個嘗試,離最后的實用化、產(chǎn)品化還有相當(dāng)?shù)木嚯x。相信隨著智能化控制理論的發(fā)展和微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展以及人們安全意識的提高,會發(fā)明完美的實現(xiàn)履帶式起重機安全監(jiān)控系統(tǒng),以確保安全生產(chǎn)。

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