趙洪

(成都新泰高科技術(shù)有限公司,四川 成都 611731)

塔式起重機(jī)在建筑領(lǐng)域中應(yīng)用相對(duì)廣泛的一種設(shè)備,具有安全性、可靠性。根據(jù)塔式起重機(jī)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),該設(shè)備運(yùn)行參數(shù)直接決定了安全性,所以,針對(duì)塔機(jī)運(yùn)行過(guò)程需要加強(qiáng)運(yùn)行監(jiān)控。為了滿足塔機(jī)運(yùn)行監(jiān)控的基本要求,信息化時(shí)代下開始設(shè)計(jì)在線監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)時(shí)采集塔機(jī)運(yùn)行參數(shù),通常利用傳感器現(xiàn)場(chǎng)布線這一形式,但該方法也面臨一些問(wèn)題,比如布線作業(yè)難度高,而且監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)缺乏靈活性和實(shí)時(shí)性,一旦塔機(jī)存在違規(guī)作業(yè)現(xiàn)象,無(wú)法及時(shí)預(yù)警。對(duì)于上述問(wèn)題,在現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上研發(fā)塔機(jī)遠(yuǎn)程安全監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)研發(fā)與設(shè)計(jì)階段,使用測(cè)量終端采集塔機(jī)運(yùn)行參數(shù),并對(duì)已經(jīng)采集到的參數(shù)進(jìn)行處理,利用數(shù)字濾波保證測(cè)量準(zhǔn)確性。濾波處理后的參數(shù)利用WSN 網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò))起到傳輸數(shù)據(jù)的作用,經(jīng)過(guò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),再由網(wǎng)關(guān)遠(yuǎn)程傳輸?shù)奖O(jiān)控中心,以此完成塔機(jī)運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)控,不僅能夠保證塔機(jī)的安全運(yùn)行,還可以提高在線監(jiān)控時(shí)效性。

1 物聯(lián)網(wǎng)與塔機(jī)運(yùn)行監(jiān)控原理

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在塔機(jī)遠(yuǎn)程安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,應(yīng)用主要起到的是動(dòng)態(tài)監(jiān)管這一職能。塔機(jī)運(yùn)行期間,要想更加全面地了解其運(yùn)行狀態(tài),除了深入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安全檢查之外,還可以利用該遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控與跟蹤,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

所有物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中,設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用RFID(Radio Frequency Identification,射頻識(shí)別技術(shù))、GIS(Geographic Information System,地理信息系統(tǒng))和傳感器等[1]。例如針對(duì)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控,利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的傳感器、GIS 技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)起重力矩、起重量、安全保護(hù)裝置等的監(jiān)控,對(duì)于系統(tǒng)高度集成化的設(shè)計(jì),塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)具有集成化特點(diǎn),尤其是遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、運(yùn)行保護(hù)控制、智能安全監(jiān)控之間的集成化,實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)控,利用集中分布式結(jié)構(gòu),選擇性能較高的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)當(dāng)作CPU,監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài),傳感器運(yùn)行原理如圖1[2]。此外,監(jiān)控所有智能監(jiān)控模塊單元運(yùn)行狀態(tài),而且所有智能監(jiān)控模塊還可以相互監(jiān)控,利用總線技術(shù)采集參數(shù)信息傳輸?shù)街醒肟刂茊卧?。再如故障診斷與預(yù)警等功能的設(shè)計(jì),利用傳感器技術(shù)獲取塔機(jī)狀態(tài)信息,通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、統(tǒng)計(jì)學(xué)等相關(guān)技術(shù)手段處理之前采集到的狀態(tài)信息,以此來(lái)判斷塔機(jī)運(yùn)行中存在的故障,并及時(shí)予以清除。

圖1 傳感器運(yùn)行原理圖

2 塔機(jī)遠(yuǎn)程安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了深入探討塔機(jī)遠(yuǎn)程安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì),利用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)系統(tǒng),下面以CXT/90-ⅡA 型塔機(jī)多功能安全監(jiān)控管理系統(tǒng)為例,分析該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。此系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于所有系統(tǒng)的一體化,如CXT/90-ⅡC 型塔機(jī)力矩安全保護(hù)裝置、塔機(jī)群防互撞及區(qū)域保護(hù)系統(tǒng)等,塔機(jī)、電腦上可以實(shí)時(shí)顯示塔機(jī)、塔機(jī)群的運(yùn)行狀況,并且詳細(xì)記錄運(yùn)行數(shù)據(jù),具有防互撞與區(qū)域保護(hù)的功能,支持不同類型水平臂式、動(dòng)臂式塔機(jī)的、固定式與行走式塔機(jī)混合應(yīng)用[3]。簡(jiǎn)而言之,CXT/90-ⅡA 系統(tǒng)兼具CXT/90-ⅡC、CXT/90-ⅡB 兩套系統(tǒng)功能,滿足防止塔機(jī)碰撞、控制輸出端口與“黑匣子”等諸多功能。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

CXT/90-ⅡA 型塔機(jī)多功能安全監(jiān)控管理系統(tǒng)是由主機(jī)顯示屏、主機(jī)控制器、軸銷傳感器、行程限制器、回轉(zhuǎn)傳感器、通訊系統(tǒng)、風(fēng)速傳感器、控制線纜與鏈接電纜等組成,具體各個(gè)部分的介紹如下：

a.主機(jī)顯示屏。主機(jī)顯示屏采用8 寸全觸摸屏,殼體材質(zhì)為鋁合金。不僅信息讀取更加方便,而且安裝使用也相對(duì)便捷。塔機(jī)運(yùn)行期間,設(shè)備操作與監(jiān)管人員可以更加全面地掌握塔機(jī)工作狀態(tài)[4]。

b.主機(jī)控制器。主機(jī)控制器為24 路控制,接電設(shè)計(jì)要與塔機(jī)控制回路供電相線接電有所區(qū)別,并且重點(diǎn)規(guī)避電源方面的干擾。接地方面務(wù)必按照接地要求接地點(diǎn),展開可靠接地,接地電阻在4Ω 以下,確保系統(tǒng)可以正常運(yùn)行。

c.軸銷傳感器。軸銷傳感器也被稱作測(cè)力軸,按照塔機(jī)型號(hào)配置軸銷傳感器。

d. 行程限制器。行程限制器常見的型號(hào)為DXZ-W帶電位器型,如果是平臂塔機(jī),需要有高度限位、幅度限位器,而動(dòng)臂塔機(jī)則要配置高度限位、傾角傳感器,限位器比值以客戶所提要求進(jìn)行配置。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

第一,感知層。參數(shù)感知層具有塔機(jī)風(fēng)速、幅度、起重參數(shù)測(cè)量的功能[6]。發(fā)現(xiàn)檢測(cè)值不在預(yù)設(shè)閾值范圍內(nèi)自動(dòng)預(yù)警。

第二,傳輸層。傳輸層具有遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸?shù)墓δ?主要傳輸對(duì)象是采集到的塔機(jī)狀態(tài)參數(shù)。

第三,應(yīng)用層。運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)可利用組態(tài)軟件監(jiān)控塔機(jī)運(yùn)行過(guò)程。(圖2)

圖2 塔機(jī)運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)

安裝回轉(zhuǎn)傳感器時(shí),其本身具備區(qū)域保護(hù)功能,可對(duì)塔機(jī)大臂、吊鉤、障礙物發(fā)生碰撞展開及時(shí)保護(hù)[5]?；剞D(zhuǎn)傳感器支承側(cè)面使回轉(zhuǎn)傳感器小齒輪、回轉(zhuǎn)支承大齒圈更好的嚙合。

圖3 回轉(zhuǎn)傳感器(QAKJ-SLEWING)安裝設(shè)計(jì)圖

圖4 重量傳感器(QAKJ-WEIGHT)

2.3 軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 終端節(jié)點(diǎn)軟件

塔機(jī)遠(yuǎn)程安全監(jiān)控系統(tǒng)中的終端節(jié)點(diǎn)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)發(fā)送這兩個(gè)模塊。數(shù)據(jù)采集模塊通電直接初始化,經(jīng)過(guò)AD 轉(zhuǎn)換調(diào)取濾波算法,針對(duì)已經(jīng)完成轉(zhuǎn)換的結(jié)果實(shí)施數(shù)字濾波處理,此時(shí)處理得到的結(jié)果會(huì)在LCD 上顯示,利用串口傳輸?shù)綌?shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)當(dāng)中[7]。數(shù)據(jù)發(fā)送模塊軟件的設(shè)計(jì),在系統(tǒng)通電后初始化,連接網(wǎng)絡(luò)后切換睡眠模式,獲取定時(shí)中斷信號(hào),便可讀取串口數(shù)據(jù),隨之將其傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),此后便會(huì)再次切換到睡眠模式,直至下一次會(huì)傳輸中斷信號(hào)[8]。

2.3.2 數(shù)據(jù)濾波

塔機(jī)在建筑工程施工現(xiàn)場(chǎng)使用,但因施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境相對(duì)復(fù)雜,而且發(fā)出的目標(biāo)信號(hào)也會(huì)摻雜一些噪聲,所以便會(huì)干擾測(cè)量結(jié)果精準(zhǔn)性。為了克服這一問(wèn)題,設(shè)計(jì)塔機(jī)遠(yuǎn)程安全監(jiān)控系統(tǒng)時(shí),專門采用滑動(dòng)平均濾波算法與幅濾波算法,將兩種算法組合應(yīng)用,一方面可以有效抑制隨機(jī)干擾,另一方面也能夠?qū)⑴既粚?dǎo)致的大脈沖干擾及時(shí)濾除[9]。計(jì)算時(shí)在存儲(chǔ)區(qū)范圍內(nèi)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度(N)隊(duì)列,如果隊(duì)尾有新數(shù)據(jù)進(jìn)入,那么隊(duì)頭便會(huì)有最老數(shù)據(jù)去除[10]。隊(duì)列計(jì)算期間,應(yīng)始終維持?jǐn)?shù)量為N 的新數(shù)據(jù),進(jìn)入隊(duì)列中的新數(shù)據(jù)需要做好限幅處理,濾掉偶然性的大脈沖干擾。

2.3.3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件

調(diào)器節(jié)點(diǎn)的作用是接收、轉(zhuǎn)發(fā)終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)通電之后協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)獲取數(shù)據(jù),在LCD 上顯示,隨機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,如果發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)信息便會(huì)及時(shí)預(yù)警。數(shù)據(jù)分析時(shí)發(fā)現(xiàn)不在預(yù)設(shè)閾值范圍會(huì)自動(dòng)預(yù)警,塔機(jī)數(shù)據(jù)在網(wǎng)關(guān)無(wú)線的作用下向監(jiān)控中心傳輸[11]。

2.4 硬件設(shè)計(jì)

2.4.1 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)中的STM2 處理器,主要針對(duì)信號(hào)處理電路所輸出信號(hào)實(shí)施AD 轉(zhuǎn)換,并變換模擬量[12]。經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換之后獲得的數(shù)據(jù),需要及時(shí)進(jìn)行數(shù)字濾波處理。完成濾波之后,數(shù)據(jù)依次傳輸?shù)紺C2530 處理器、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),期間發(fā)現(xiàn)不規(guī)范的處理行為STM32 處理器則會(huì)自動(dòng)聯(lián)系報(bào)警模塊,及時(shí)發(fā)出驅(qū)動(dòng)預(yù)警,通知現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理人員馬上著手處理[13]。

2.4.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)中的CC2530 處理器在接收到塔機(jī)運(yùn)行參數(shù)后傳遞給STM32 處理器,處理器顯示數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析之后預(yù)警,最后采用網(wǎng)關(guān)模塊向監(jiān)控中心遠(yuǎn)程傳輸塔機(jī)運(yùn)行參數(shù)。

2.4.3 信號(hào)處理模塊

傳感器輸出信號(hào),連接CC2530 處理器進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換,便可獲得塔機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下的參數(shù)。此次塔機(jī)遠(yuǎn)程安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì),主要采用差分放大線路和電壓跟隨器等裝置,對(duì)傳感器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行高效處理。運(yùn)算放大器遵循虛短與虛斷兩項(xiàng)原則,計(jì)算得出輸出電壓。計(jì)算公式如下：

公式中的U1、U0主要通過(guò)RC 低通濾波電路、電壓跟隨器可以準(zhǔn)確連接,還可以對(duì)高頻噪聲進(jìn)行有效抑制,隨之提高輸入阻抗。

2.5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

塔機(jī)遠(yuǎn)程安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后,需要馬上組織聯(lián)調(diào)聯(lián)試。硬件方面達(dá)到數(shù)據(jù)采集效果,軟件方面則需要達(dá)到塔機(jī)作業(yè)全過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。將終端節(jié)點(diǎn)有效焊接,并觀察監(jiān)控系統(tǒng)的登錄頁(yè)面與監(jiān)控組態(tài)顯示頁(yè)面,檢查塔機(jī)遠(yuǎn)程安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)成效是否滿足塔機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控需求[14]。

3 結(jié)論

綜上所述,設(shè)計(jì)塔機(jī)遠(yuǎn)程安全監(jiān)控系統(tǒng)期間運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),例如傳感器技術(shù)、GIS 技術(shù)等,不僅可以提高塔機(jī)運(yùn)行過(guò)程的安全性,還有利于保障塔機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性。通過(guò)遠(yuǎn)程安全監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)塔機(jī)違規(guī)操作行為以及危險(xiǎn)隱患,及時(shí)通知管理人員著手處理,保證塔機(jī)能夠始終在安全的環(huán)境下運(yùn)行。如此一來(lái)也可以為建筑工程施工提供支持,充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)優(yōu)勢(shì),提高塔機(jī)運(yùn)行安全性、穩(wěn)定性,加快實(shí)現(xiàn)塔機(jī)設(shè)備安全監(jiān)控的信息化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型,也為今后塔機(jī)設(shè)備安全監(jiān)控提供技術(shù)參考。