程加斌

（武漢生物工程學(xué)院 機(jī)電工程系，湖北 武漢 430415）

單片機(jī)在起重機(jī)工況安全監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

程加斌

（武漢生物工程學(xué)院 機(jī)電工程系，湖北 武漢 430415）

針對(duì)起重機(jī)的安全工作要求，開(kāi)發(fā)了一種安全監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)起重機(jī)操控特性曲線的實(shí)時(shí)計(jì)算，自動(dòng)判斷起重機(jī)的工況和安全威脅，通過(guò)圖文顯示和聲光報(bào)警提示操作員，并在緊急狀態(tài)下自動(dòng)采取應(yīng)急控制，實(shí)踐證明該系統(tǒng)工作可靠，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

汽車起重機(jī)；工況安全；單片機(jī)；監(jiān)控系統(tǒng)

汽車起重機(jī)具有移動(dòng)快捷便利的特點(diǎn)，因此應(yīng)用非常廣泛。其操作雖然簡(jiǎn)單，但是工況卻十分復(fù)雜，操作員往往不易發(fā)現(xiàn)潛在的危險(xiǎn)，安全生產(chǎn)形勢(shì)十分嚴(yán)峻，尤其是車載移動(dòng)式起重機(jī)，常常出現(xiàn)側(cè)翻事故，以至人員傷亡。

本文開(kāi)發(fā)了一種汽車起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)，針對(duì)起重機(jī)在各種工況下的操控特性曲線，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警，并帶有安全操作提示，包括側(cè)方位安全性提示，并在緊急狀態(tài)下自動(dòng)切斷超載項(xiàng)目，從而集工況監(jiān)測(cè)、控制、報(bào)警、記錄系統(tǒng)于一體。與進(jìn)口設(shè)備“力矩限制器”相比，本系統(tǒng)具有功能齊全、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的特點(diǎn)。本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)近10年的實(shí)際應(yīng)用和改進(jìn)，能夠杜絕安全隱患，確保安全生產(chǎn)，并且可以通過(guò)簡(jiǎn)單改裝和修改計(jì)算參數(shù)在其他類型的起重機(jī)上使用，能夠簡(jiǎn)單快捷地完成設(shè)備的安裝調(diào)試工作。

1 設(shè)計(jì)規(guī)格和功能要求

起重機(jī)工況和安全監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能包括：

（1）異常工況分級(jí)警告，自動(dòng)測(cè)量工況并計(jì)算安全工作邊際，當(dāng)安全受到潛在威脅時(shí)發(fā)出不同的聲光報(bào)警信號(hào)，提醒操作員注意操作安全；

（2）緊急保護(hù)控制，在安全工作狀態(tài)受到嚴(yán)重威脅時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)應(yīng)急控制，停止向危險(xiǎn)方向運(yùn)轉(zhuǎn)，只能向安全方向運(yùn)轉(zhuǎn)；

（3）傳感器信號(hào)校正和量程標(biāo)定，根據(jù)傳感器信號(hào)所在區(qū)間，采取二次插值補(bǔ)償修正，提高測(cè)量精度，并自動(dòng)標(biāo)定零點(diǎn)，自動(dòng)判斷傳感器異常，確保系統(tǒng)工作安全；

（4）存儲(chǔ)起重機(jī)的操作特性參數(shù)，針對(duì)起重機(jī)在不同工況下的特性曲線，實(shí)時(shí)將運(yùn)行參數(shù)提供給監(jiān)控系統(tǒng)使用；

（5）自動(dòng)記錄異常工況。

2 檢測(cè)單元及工作原理

汽車起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)示意圖如圖1所示，監(jiān)測(cè)裝置包括壓力傳感器、角度傳感器、長(zhǎng)度傳感器、鋼絲過(guò)卷傳感器、鋼絲過(guò)放傳感器等，要求監(jiān)控系統(tǒng)分別采集不同的物理信號(hào)，并傳送到主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。過(guò)卷和過(guò)放是通過(guò)開(kāi)關(guān)量自動(dòng)觸發(fā)控制，在此從略。

壓力傳感器通過(guò)檢測(cè)支撐油缸上下腔的壓力信號(hào)p，間接推算起吊物的重量；臂長(zhǎng)傳感器通過(guò)頭部固定在臂桿端部的拉線，將臂桿長(zhǎng)度變化轉(zhuǎn)換為傳感器內(nèi)部測(cè)定元件角度的變化，以測(cè)定檢測(cè)臂桿的實(shí)際長(zhǎng)度l；仰角傳感器安裝在臂桿上，通過(guò)重錘帶動(dòng)角度測(cè)定元件轉(zhuǎn)動(dòng)，以檢測(cè)臂桿仰角β。

根據(jù)以上測(cè)量，計(jì)算起吊物的實(shí)際重量如下：

式（1）中：f（p）是壓力測(cè)量信號(hào)的二次非線性函數(shù)；λ是角度信號(hào)β的二次非線性函數(shù)；l是吊臂長(zhǎng)度測(cè)量信號(hào)。

在一定的設(shè)計(jì)起吊量情況下，臂長(zhǎng)與臂角度是互相制約的，當(dāng)起重臂仰角一定時(shí)，隨著起重臂長(zhǎng)度的增加，起重半徑和起重高度也隨之增加，而起重量應(yīng)當(dāng)相應(yīng)減少，以防止翻車事故，這在式（1）中表現(xiàn)為 W與 l成反比。反之，當(dāng)臂長(zhǎng)l一定時(shí)，隨著起重臂仰角β的增大，起重量隨之增加。參見(jiàn)圖2某起重機(jī)的操作特性曲線，曲線1代表起重量W與工作臂長(zhǎng)度l（圖中表達(dá)為“工作幅度”）之間的關(guān)系，它可以用二次曲線分段近似表達(dá)。本系統(tǒng)詳細(xì)集成了操作特性二次曲線的各項(xiàng)參數(shù)，存放在非易失存儲(chǔ)器中供軟件調(diào)用。

起重機(jī)的安全工作狀態(tài)與W、β和l都有關(guān)系，這里要特別注意在不同工況下的操作特性是不同的，例如圖2中有不同的曲線，不同的起重機(jī)也有較大區(qū)別，因此計(jì)算復(fù)雜度較高，需要根據(jù)工況測(cè)量信息分段計(jì)算。在實(shí)際系統(tǒng)中，根據(jù)W、β和 l的實(shí)測(cè)結(jié)果，對(duì)起重機(jī)的操作特性作二次函數(shù)的插值逼近，各工況下的插值系數(shù)通過(guò)操作特性表獲得。

為保障工作安全，通常要求監(jiān)控系統(tǒng)隨時(shí)計(jì)算在特定條件下允許的最大起吊重量Wmax，并提示W(wǎng)不要超過(guò)Wmax。經(jīng)過(guò)大量測(cè)試，得到Wmax的計(jì)算如下：

3 監(jiān)控單元及工作原理

起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成如圖3，通過(guò)A/D接口對(duì)各路傳器信號(hào)進(jìn)行采樣，包括角度、吊臂長(zhǎng)度、壓力傳感器等，從而取得起重機(jī)的工作參數(shù)，再通過(guò)式（1）、式（2）計(jì)算，得出相應(yīng)工況下的實(shí)際起重物重量W及其與 Wmax的比率（也稱為載荷率），在液晶顯示模塊上顯示示意圖、文字提示信息，包括臂長(zhǎng)、臂仰角、載荷等操作者關(guān)心的參數(shù)，并發(fā)出提示音，供操作員參考。當(dāng)載荷率大于90%時(shí)預(yù)報(bào)警，大于100%時(shí)報(bào)警，并自動(dòng)啟用強(qiáng)制停止控制，這時(shí)起重機(jī)不能繼續(xù)向危險(xiǎn)方向動(dòng)作，如伸臂、起升等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)起重機(jī)的測(cè)控保護(hù)功能，使起重機(jī)的工作符合安全生產(chǎn)要求。

計(jì)算中所需的常數(shù)以及中間結(jié)果存放在外接的非易失存儲(chǔ)單元中，配合系統(tǒng)提供的液晶顯示和鍵盤人機(jī)界面，本系統(tǒng)還可以完成特定的參數(shù)設(shè)置、標(biāo)定及調(diào)試記錄等輔助功能。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)完成以下功能：

（1）傳感器信號(hào)分析計(jì)算，主要完成式（1）、式（2）的運(yùn)算，計(jì)算量較大，采用 AT89S52單片機(jī)[1，2]。起重機(jī)在不同工況下的操作特性是不同的，因此要求在計(jì)算過(guò)程中，自動(dòng)判斷工況（前方、后方、側(cè)方、支腿、副臂等）并選擇相應(yīng)的計(jì)算系數(shù)和插值公式，將計(jì)算結(jié)果和提示信息送顯示模塊。圖4為顯示效果圖，其中包括副臂是否伸長(zhǎng)、有無(wú)過(guò)卷過(guò)放、支腿是否工作、主臂是否位于側(cè)后方、系統(tǒng)的載荷率及當(dāng)前是否安全等信息。

圖4 起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)顯示

（2）報(bào)警和緊急保護(hù)，在過(guò)卷、過(guò)放、超重、傳感器異常等情況下，系統(tǒng)都能實(shí)時(shí)給出聲光告警和應(yīng)急處理，并通過(guò)8255接口輸出控制信號(hào)啟動(dòng)保護(hù)繼電器動(dòng)作。

（3）液晶顯示，采用外購(gòu)的 160×128點(diǎn)陣顯示模塊，清晰度很高，每屏可以顯示 8×10個(gè) 16×16點(diǎn)陣的漢字，本系統(tǒng)采用圖文混合顯示，如圖4所示。系統(tǒng)用到的漢字點(diǎn)陣預(yù)先存放在存儲(chǔ)器內(nèi)[3]。

（4）薄膜鍵盤，采用4×4鍵盤矩陣，便于集成在儀器面板上，除了輸入 0～9數(shù)字之外，還能輸入+1、-1、CHK等控制字符，以便輸入系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中用到的一些參數(shù)，單片機(jī)通過(guò)8255接口電路掃描鍵盤動(dòng)作并做相應(yīng)處理。

起重機(jī)安全生產(chǎn)的形勢(shì)非常嚴(yán)峻，采用智能監(jiān)控儀表，在液晶顯示器上顯示工況提示信息，同時(shí)發(fā)出聲光提示和報(bào)警信息，完全能夠幫助操作員進(jìn)行安全生產(chǎn)，杜絕不當(dāng)操作造成安全事故。本系統(tǒng)適用于輪式起重機(jī)、履帶式起重機(jī)、塔式起重機(jī)的安全監(jiān)控，具有很高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1]張毅剛.新編 MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)[M]，哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2001：56-98.

[2]周春明.AT89S51多功能遙控器的設(shè)計(jì)與制作[J]，電子制作，2007（6）：16-18.

[3]謝維成，楊佳國(guó).單片機(jī)原理與應(yīng)用及C51程序設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005：70-92.

Application of single-chip computer in derrick car monitoring

Cheng Jiabin

（Department of Mechanical and Electronical Engineering，Wuhan Bioengineering Institute，Wuhan 430415，China）

This paper developed a monitoring instrument which warning the derrick car operator to keep in safe operation.The instrument automatically measures the derrick car operation parameters and take full control in case of emergence.It also send warning signals to the operator when the car is in a risk situation.The system was proved to be highly reliability in practical operation.

derrick car；safty；single-chip computer；monitoring

TP277；TP213.6

B

1674-7720（2011）03-0070-03

2010-09-04）

程加斌，男，1961年生，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向：機(jī)電自動(dòng)化、智能儀表、測(cè)控技術(shù)。