肖 清 鄧建宇 李 豐

（1.江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院 贛州 341000）

（2.贛州市建設(shè)工程安全監(jiān)督管理站 贛州 341000）

施工升降電梯安全監(jiān)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)

肖 清1鄧建宇2李 豐1

（1.江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院 贛州 341000）

（2.贛州市建設(shè)工程安全監(jiān)督管理站 贛州 341000）

施工升降電梯多應(yīng)用于建筑行業(yè)，超載一直是施工升降電梯一個(gè)重要隱患，本設(shè)計(jì)是基于SOC技術(shù)及現(xiàn)代通訊——GPRS而研發(fā)的一款集超載限制、記錄、報(bào)警、顯示、樓層呼叫、沖頂保護(hù)、高度檢測(cè)、電梯速度檢測(cè)及限制、防傾翻、電機(jī)保護(hù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能為一體的施工升降電梯安全監(jiān)控系統(tǒng)。本文介紹了施工升降電梯安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，設(shè)備經(jīng)實(shí)際檢驗(yàn)，系統(tǒng)工作可靠，有效的提高了施工升降電梯的安全管控、提高了其管控的效果及電梯運(yùn)行的效能。

起重量限制器 施工升降電梯 GPRS 物聯(lián)網(wǎng)

近幾年來(lái)，我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，伴隨而來(lái)來(lái)的城市建設(shè)亦迅速發(fā)展，高層建筑物建設(shè)數(shù)量與日俱增，建筑施工現(xiàn)場(chǎng)施工升降電梯的使用量與日俱增，其帶來(lái)垂直高效的運(yùn)輸效率，但由于監(jiān)管不能到位，也給建設(shè)安全生產(chǎn)帶來(lái)了非常大的負(fù)面影響。這已成了普遍現(xiàn)象，例如管理人員少、安全監(jiān)管任務(wù)繁重、無(wú)法建立有效監(jiān)管制度，施工升降電梯已經(jīng)成為了建筑施工現(xiàn)場(chǎng)的重大危險(xiǎn)源，成為安全事故發(fā)生的主要隱患之一。雖然各地安全監(jiān)管部門出臺(tái)了各種措施以提高監(jiān)管力度，由于主體責(zé)任履職很難到位，涉及施工升降電梯的生產(chǎn)事故仍然時(shí)有發(fā)生。據(jù)有關(guān)權(quán)威資料統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)建筑施工現(xiàn)場(chǎng)涉及施工升降電梯的生產(chǎn)事故，約占全部傷亡事故的20%。傷亡事故的發(fā)生不僅給人民的生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)了重大損失，也對(duì)社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生了不良影響。安全生產(chǎn)是一項(xiàng)重大、艱巨、長(zhǎng)期、復(fù)雜的工作，因此，認(rèn)真貫徹落實(shí)各項(xiàng)規(guī)章制度、建立科學(xué)的管理體系，全面建設(shè)施工的信息化建設(shè)，充分將現(xiàn)代高科技技術(shù)應(yīng)用在施工升降電梯的監(jiān)管中，進(jìn)行實(shí)時(shí)、開放、可溯源的監(jiān)管就顯得十分必要。

本文介紹了基于GPRS聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)終端的施工升降電梯起重量限制器設(shè)計(jì)，闡述了SoC片上系統(tǒng)的無(wú)線數(shù)據(jù)采集和傳輸終端的硬件實(shí)現(xiàn)方案，其可廣泛應(yīng)用于各種需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控的場(chǎng)合。

1 系統(tǒng)功能

為了加強(qiáng)對(duì)施工升降電梯使用過程中進(jìn)行有效的監(jiān)管，切實(shí)控制其在運(yùn)行過程中存在的不安全危險(xiǎn)因素，消除安全隱患，做到事前預(yù)防、運(yùn)行期間的管理、事后的分析，由江西理工大學(xué)、贛州德業(yè)電子科技有限公司共同研制生產(chǎn)施工升降電梯安全監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)的出現(xiàn)，可以極大提高監(jiān)管力度，使管理人員遠(yuǎn)程監(jiān)控、查詢到違規(guī)操作信息，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)建筑施工現(xiàn)場(chǎng)存在的施工升降電梯逃避監(jiān)管使用違章操作等現(xiàn)象，有效的解決行政管理人員技術(shù)不足、施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管人員不足等問題，非常的方便，省時(shí)省力。

施工升降電梯安全監(jiān)控系統(tǒng)由施工升降電梯起重量限制器和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)（后臺(tái)系統(tǒng)）兩部分組成。安全監(jiān)控系統(tǒng)主要有防碰撞報(bào)警、限位報(bào)警、制動(dòng)控制、運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、運(yùn)行過程記錄、歷史運(yùn)行狀態(tài)查詢、碰撞事故黑匣子記憶等功能。

施工升降電梯安全系統(tǒng)具備以下功能：

1）顯示：采用800×600彩色觸摸屏，能夠?qū)崟r(shí)顯示施工升降電梯運(yùn)行數(shù)據(jù)與安全狀態(tài)，操作人員對(duì)設(shè)備的工作狀態(tài)能做到一目了然（見圖1）。

2）記錄：內(nèi)置SD卡存儲(chǔ)器（2G），可存儲(chǔ)工作參數(shù)和24個(gè)月以上運(yùn)行數(shù)據(jù)和報(bào)警信息?？勺鳛樯禉C(jī)維護(hù)和事故判定的依據(jù)，至少可保存24個(gè)月的運(yùn)行數(shù)據(jù)，以供監(jiān)管人員進(jìn)行查詢。

3）報(bào)警：支持圖文報(bào)警。

4）控制：支持預(yù)警、報(bào)警限位、故障鎖機(jī)、違規(guī)鎖機(jī)。

5）樓層呼叫：采用無(wú)線呼叫器，SI4432通訊技術(shù)，實(shí)時(shí)發(fā)送樓層呼叫信息至監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)接收無(wú)線呼叫器信號(hào)，發(fā)出呼叫語(yǔ)音提示，顯示樓層呼叫信息。

6）連鎖保護(hù)：采用光電開關(guān)與射頻識(shí)別技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控施工升降電梯門鎖閉合狀態(tài)。施工升降電梯轎廂前門、后門、頂門與樓門完全關(guān)閉后，允許施工升降電梯運(yùn)行，打開任意門鎖時(shí)，停止施工升降電梯工作。

7）電機(jī)保護(hù)：采用功率傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控施工升降電梯的三相異步電機(jī)工作參數(shù)。施工升降電梯任意電機(jī)的工作參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)，發(fā)出電機(jī)故障報(bào)警提示，停止施工升降電梯運(yùn)行，保證作業(yè)安全。

8）超速保護(hù)：采用接近開關(guān)與高速脈沖計(jì)數(shù)器，實(shí)時(shí)監(jiān)控施工升降電梯的運(yùn)行高度與速度。施工升降電梯任意電機(jī)的運(yùn)行速度出現(xiàn)異常時(shí)，發(fā)出超速報(bào)警提示，制動(dòng)器立即動(dòng)作，停止電梯運(yùn)行，防止墜落。

9）控制保護(hù)：采用電流檢測(cè)模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)電氣線路，防止控制線路短路、斷路、人為拆除。

10）電源保護(hù)：采用相序保護(hù)器監(jiān)控施工現(xiàn)場(chǎng)三相電源，對(duì)電壓缺項(xiàng)或相序不平衡提供保護(hù)。

11）高度限位：實(shí)時(shí)監(jiān)控施工升降電梯運(yùn)行高度，進(jìn)行限位保護(hù)，防止沖頂，為操作人員提供參考。

12）防傾翻：實(shí)時(shí)監(jiān)控施工升降電梯傾斜角度，超出安全范圍時(shí)發(fā)出停止作業(yè)報(bào)警，排除隱患，防止傾翻。

13）防墜安全器保護(hù)：實(shí)時(shí)監(jiān)控施工升降電梯漸進(jìn)式防墜安全器，異常狀態(tài)時(shí)報(bào)警并停止施工升降電梯運(yùn)行。

14）工作統(tǒng)計(jì)：用于統(tǒng)計(jì)和分析累計(jì)施工升降電梯的起重量與工作時(shí)間，用于設(shè)備維護(hù)、故障診斷、壽命評(píng)估與工作管理。

圖1 終端設(shè)備顯示界面原始底圖

施工升降電梯安全系統(tǒng)由報(bào)警控制器、載重傳感器、無(wú)線通信控制器等組成。報(bào)警控制器用于電梯超載、傾斜超度等危險(xiǎn)的實(shí)時(shí)報(bào)警，報(bào)警形式：聲音警示，顯示屏圖文并行警示；報(bào)警范圍：超載危險(xiǎn)報(bào)警、超高度限位報(bào)警、電源缺相報(bào)警等。高度傳感器：感知高度，精度：0.01m；傾角傳感器：檢測(cè)塔身傾斜角度，精度0.01°；無(wú)線通信：吊籠與各樓層的呼叫器間通訊，通訊有效距離：500m；頻點(diǎn)范圍：2.4GHz。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 施工升降電梯安全監(jiān)控系統(tǒng)

2 主機(jī)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件核心控制器主要為C8051F340，人機(jī)交互采用迪文24位彩色觸摸屏示器（像素點(diǎn)800×600）、語(yǔ)音模塊組成，系統(tǒng)的電路主要包括C8051F340模塊電路（見圖3）、電源模塊、I/O擴(kuò)展電路、SI4432無(wú)線通訊模塊。其中C8051F340模塊電路部分主要包含了串口通訊電路、接口電路、濾波放大電路等。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 F340、SIM900引腳連接原理圖

圖4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

前端監(jiān)控裝置（施工升降電梯黑匣子）和后端遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)（服務(wù)器平臺(tái)）無(wú)縫融合，做到了實(shí)時(shí)、開放、可溯源的監(jiān)控。通過前端設(shè)備對(duì)施工升降電梯進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)控及報(bào)警，同時(shí)通過無(wú)線通訊，將施工升降電梯運(yùn)行多元數(shù)據(jù)和報(bào)警信息不間斷的發(fā)送到服務(wù)器平臺(tái)，并能在報(bào)警時(shí)自動(dòng)觸發(fā)手機(jī)短信通知，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程報(bào)警和遠(yuǎn)程告知，使得施工升降電梯安全監(jiān)控成為開放、有效、實(shí)時(shí)地動(dòng)態(tài)監(jiān)控。

集成全方位安全監(jiān)控功能：工況實(shí)時(shí)信號(hào)采集；報(bào)警控制輸出；數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程下載；報(bào)表查詢輸出；施工電梯租賃地域和時(shí)間管理；及時(shí)短信通知；違規(guī)本地加鎖；遠(yuǎn)程加鎖、解鎖；實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控；GPS遠(yuǎn)程定位；傾角檢測(cè)與報(bào)警；多級(jí)別監(jiān)控授權(quán)。

3 起重參數(shù)標(biāo)定

施工升降電梯需要設(shè)定和標(biāo)定的參數(shù)見表1：

表1 參數(shù)設(shè)定列表

通過系統(tǒng)終端人機(jī)界面設(shè)置表1中的參數(shù)。

4 無(wú)線樓層呼叫

樓層呼叫是施工升降電梯非常需要的一個(gè)功能，它可以使得電梯運(yùn)轉(zhuǎn)達(dá)到最合理、最節(jié)能、效率最高的狀態(tài)，每一個(gè)樓層都安裝一個(gè)終端，也即成為一個(gè)呼叫節(jié)點(diǎn)。基于SI4432通訊模塊形成了施工升降電梯的樓層呼叫器，通過樓層呼叫，使得電梯運(yùn)行有規(guī)劃。每臺(tái)設(shè)備都有一個(gè)SI4432通訊模塊，具有獨(dú)一無(wú)二的地址。主機(jī)能夠根據(jù)各節(jié)點(diǎn)呼叫信息給出最節(jié)能、效率最高的運(yùn)行指示。

5 電機(jī)保護(hù)

施工升降電梯電機(jī)保護(hù)，關(guān)鍵參數(shù)的檢測(cè)：

電機(jī)電壓值的采樣——通過降壓并將電壓轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，并將數(shù)字化的信息送入MCU進(jìn)行處理。

施工升降電梯的電機(jī)一般都為380V三相電，通過變壓器分壓并隔離，本設(shè)計(jì)取設(shè)定的分壓額定電壓為2V，并使用100Hz低通濾波器，再經(jīng)過運(yùn)算放大器的高精度全橋整流進(jìn)而轉(zhuǎn)換為直流電壓。為保證采樣信號(hào)高精度傳送，采用了高線性度模擬光電耦合器對(duì)模擬電路和數(shù)字電路進(jìn)行隔離傳輸。

6 人員計(jì)數(shù)

不僅要對(duì)施工升降電梯的載重進(jìn)行限制，還需要對(duì)載人數(shù)量進(jìn)行限制，尤其是在2012年武漢發(fā)生死亡19人的施工升降電梯事故后，對(duì)人員限載的要求就顯得尤為突出。

本系統(tǒng)設(shè)了兩路紅外人數(shù)檢測(cè)傳感器分別安裝在吊籠兩側(cè)的出入口，高度在一定位置，兩路軸銷載重傳感器安裝在吊籠的掛接處，替換原來(lái)的軸銷。載重軸銷傳感器經(jīng)過信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行濾波、隔離和放大后，將模擬信號(hào)輸入到微處理器模塊的A/D引腳。其模擬信號(hào)放大電路如圖5所示：

圖5 信號(hào)放大電路

在人數(shù)是否超載判斷前，先由微處理器模塊通過重量傳感器和紅外對(duì)射檢測(cè)模塊獲取人員進(jìn)出信息，即獲得當(dāng)有人通過紅外檢測(cè)模塊時(shí)，判斷是否有人通過，然后根據(jù)此時(shí)載重量的加或減變化判斷是人員進(jìn)入還是離開吊籃，再根據(jù)算法計(jì)算出吊籃實(shí)時(shí)的人數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)施工升降電梯載人數(shù)量的安全監(jiān)控，當(dāng)載員超過設(shè)定值時(shí)，聲音模塊將發(fā)出報(bào)警，從而有效避免人員超載的發(fā)生，人數(shù)變化算法如下：

情況一：當(dāng)重量變化在＜40kg時(shí)，計(jì)數(shù)變化0人；

情況二：當(dāng)重量變化在40～80kg時(shí)，計(jì)數(shù)變化1人；

情況三：當(dāng)重量變化在80.1～160kg時(shí)，計(jì)數(shù)變化2人；

情況四：當(dāng)重量變化在≥160kg時(shí)，計(jì)數(shù)變化3人。

7 結(jié)論

施工升降電梯智能安全監(jiān)控系統(tǒng)安裝在遼寧省營(yíng)口市、廣東省廣州市、江西省贛州市等地的建設(shè)工地上，經(jīng)過近8個(gè)多月的測(cè)試，運(yùn)行可靠，實(shí)踐證明，本設(shè)計(jì)成熟、可靠，對(duì)施工升降電梯能夠?qū)崿F(xiàn)有效的安全監(jiān)控，大大減輕了監(jiān)管部門的工作量。

通過本系統(tǒng)對(duì)施工電梯進(jìn)行安全監(jiān)控并將相關(guān)數(shù)據(jù)（運(yùn)行工況安全數(shù)據(jù)和預(yù)警報(bào)警信息）實(shí)時(shí)發(fā)送到監(jiān)控平臺(tái)，并在報(bào)警時(shí)自動(dòng)觸發(fā)手機(jī)短信向相關(guān)人員報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程報(bào)警和遠(yuǎn)程告知，使得施工升降電梯安全監(jiān)控成為開放、有效、實(shí)時(shí)、可溯源地監(jiān)控。

［1］ 潘琢金.C8051Fxxx高速SoC單片機(jī)原理及應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

［2］ 潘琢金.C8051F340/1/2/3/4/5/6/7全速USB FLASH微控制器數(shù)據(jù)手冊(cè)［EB/OL］.［2006-01］.http：// www.xhl.com.cn.

［3］ GB 12602—90 起重機(jī)械超載保護(hù)裝置安全技術(shù)規(guī)范［S］.

［4］ 孫玉柱.談起重機(jī)起重量限制器［J］.大眾標(biāo)準(zhǔn)化，2005（11）：24-25.

［5］ 王嘉.簡(jiǎn)述起重量限制器的應(yīng)用［J］.品牌與標(biāo)準(zhǔn)化，2011 （2）：54-55.

Research on Construction Elevator Safety Monitoring System

Xiao Qing1Deng Jianyu2Li Feng1
（1. College of Applied Science， Jiangxi University of Science and Technology Ganzhou 341000）
（2. Ganzhou Construction Safety Supervision and Management Station Ganzhou 341000）

Construction elevator is more and more wildly used in the construction industry， overload is one of the important problems of construction elevator， the design of safety monitoring system is based on SOC technology and modern communication "GPRS"， including overload limiter， recording， alarm， display， calling， top protection，height detection， elevator speed detection and restriction， motor protection， remote monitoring and other functions of the construction elevator. This paper introduces the design of the construction elevator safety monitoring system. It is showed by the actual test that the system is reliable， effective to improve the safety management and effciency of construction elevator.

Lifting weight limiter Construction elevator GPRS Internet of things

X941

B

1673-257X（2016）10-0030-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.10.007

肖清（1975～），男，碩士，講師，從事微機(jī)控制、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用工作。

2016-04-23）