張慶豐 陸 凱 吳 鋒 史 海 丁高耀

寧波市特種設(shè)備檢驗研究院 寧波 315048

0 引言

目前，塔式起重機（以下簡稱塔機）安全事故時有發(fā)生，并呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢。為有效降低違章操作帶來的風(fēng)險隱患，減少塔機事故，塔機安全監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運而生。塔機安全監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用給施工企業(yè)安全管理部門提供了一種全新的科技管理手段，降低塔機在施工現(xiàn)場發(fā)生安全事故的頻率。塔機監(jiān)管部門通過監(jiān)控系統(tǒng)對工地塔機運行情況進行掌控，實現(xiàn)了由過去盲目的、粗放的監(jiān)管向準(zhǔn)確、精細(xì)監(jiān)管的轉(zhuǎn)變。

近年來，國內(nèi)在塔機監(jiān)控智能化領(lǐng)域的研究不斷深入，在此期間不斷有研究成果和產(chǎn)品出現(xiàn)。國內(nèi)某公司開發(fā)的塔機安全監(jiān)控管理系統(tǒng) GBST-100[1]可使塔機安全監(jiān)控前端監(jiān)控裝置和后端遠程監(jiān)控平臺無縫融合，可在實現(xiàn)塔機現(xiàn)場安全監(jiān)控的同時通過遠程高速無線數(shù)據(jù)傳輸，將塔機運行工況安全數(shù)據(jù)和報警信息實時發(fā)送到遠程GIS可視化監(jiān)控平臺，并模擬塔機的全方位運行狀態(tài)，實現(xiàn)實時動態(tài)的遠程監(jiān)控、遠程報警和遠程告知。某大學(xué)研究開發(fā)了一種基于信息技術(shù)的塔機遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)[2]，該遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)是綜合了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信傳感技術(shù)、信息通訊技術(shù)等高科技的智能平臺，實現(xiàn)對塔機運行狀況的實時安全監(jiān)控，只要GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋到的地方都在可監(jiān)控的范圍內(nèi)，實現(xiàn)了在辦公室登錄互聯(lián)網(wǎng)即可查看塔機的工作參數(shù)。

本文建立的塔機安全監(jiān)控系統(tǒng)以dsPIC30F系列數(shù)字信號控制器為控制核心，采用以CAN總線為通訊方式的主從2級控制方式，可對塔機的起升高度、回轉(zhuǎn)角度、回轉(zhuǎn)幅度、起重量限制器等關(guān)鍵信號進行采集處理。若信號數(shù)據(jù)值超過額定值，系統(tǒng)能發(fā)出預(yù)警或切斷線路禁止塔機繼續(xù)向危險方向運行。該系統(tǒng)不但能通過LCD液晶顯示技術(shù)對塔機的狀態(tài)信息進行實時顯示，有效提高人機交互功能，而且經(jīng)USB主從機數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，可將數(shù)據(jù)存儲至U盤中，為分析塔機的工作狀態(tài)提供依據(jù)，并加入4G DTU無線傳輸模塊，實現(xiàn)塔機工作狀態(tài)數(shù)據(jù)通過塔石云服務(wù)云平臺上傳至遠程監(jiān)控中心，為監(jiān)察部門提供塔機工作狀態(tài)數(shù)據(jù)創(chuàng)造條件。

1 總體系統(tǒng)設(shè)計

整個監(jiān)控系統(tǒng)分為塔機端和遠程端，塔機端和遠程端采用4G DTU無線傳輸模塊，而塔機端的主從控制系統(tǒng)采用CAN通訊，如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

遠程監(jiān)控中心包括客戶端和服務(wù)器。客戶端通過端口接收4G DTU模塊發(fā)送塔機的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，并通過上位機軟件對塔機狀態(tài)實施監(jiān)控。塔機端包括主控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集從控系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集從控系統(tǒng)讀取、處理、存儲關(guān)鍵信號值，再通過CAN總線把關(guān)鍵信號數(shù)據(jù)發(fā)送給主控系統(tǒng)。主控系統(tǒng)判斷從控系統(tǒng)發(fā)送來的數(shù)據(jù)是否達到預(yù)警值，是否需要發(fā)出報警或者切斷信號指令，并實現(xiàn)LCD液晶顯示，工作狀態(tài)信息存儲和4G DTU無線傳輸模塊等功能。該系統(tǒng)軟件包括遠程監(jiān)控端軟件實現(xiàn)的上位機功能和塔機端下位機軟件實現(xiàn)的下位機功能。

1.1 遠程監(jiān)控端軟件實現(xiàn)的上位機功能

在遠程監(jiān)控中心端通過塔石云服務(wù)云端建立4G DTU 塔機工作狀態(tài)數(shù)據(jù)通訊鏈路，在監(jiān)控中心PC端以圖表形式實時顯示塔機起升高度、幅度、回轉(zhuǎn)角度和起重量限制器。若參數(shù)超限，塔機端和遠程監(jiān)控中心端同時報警，并可在遠程監(jiān)控中心端發(fā)出控制命令，通過無線通訊實現(xiàn)對塔機端的控制。

1.2 塔機端下位機軟件實現(xiàn)的下位機功能

1）關(guān)鍵信號的采集、處理、存儲，并讀取存儲的報警數(shù)據(jù)；

2）CAN模塊設(shè)置，實現(xiàn)主從控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊和命令控制；

3）主控系統(tǒng)端鍵盤輸入、液晶顯示以及報警控制；

4）dsPIC30F主控系統(tǒng)串口UART設(shè)置，實現(xiàn)主控系統(tǒng)與USB存儲模塊和4G DTU 無線傳輸模塊的通訊。

2 監(jiān)控系統(tǒng)模塊設(shè)計

2.1 主從控制系統(tǒng)控制器的選擇

dsPIC30F數(shù)字信號控制器[3]既擁有16位單片機功能強大的外圍設(shè)備和快速中斷處理能力，又兼具數(shù)字信號處理器的計算能力和數(shù)據(jù)吞吐能力，融合了可管理高速計算活動的數(shù)字信號處理器功能，執(zhí)行指令速度可達30 MIPS。

dsPIC30F4012帶有28個引腳、6個10位A/D轉(zhuǎn)換通道、1個CAN2.0總線模塊、8個CN電平變化輸入、3個外部中斷源，其功耗低，能在工業(yè)級溫度和擴展級溫度范圍內(nèi)工作，適應(yīng)很寬的工作電壓。dsPIC30F4012外圍的配置及性能完全能滿足監(jiān)控系統(tǒng)對關(guān)鍵信號數(shù)據(jù)的采集、處理和通訊，故選用dsPIC30F4012為從控系統(tǒng)控制器。dsPIC30F4012的最小系統(tǒng)電路如圖2所示。

圖2 dsPIC30F4012最小系統(tǒng)電路圖

LCD顯示和報警控制模塊需占用主控制器較多的I/O口，約需20～30個引腳。4G DTU無線傳輸模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊共需占用2個UART口，而dsPIC30F6010自帶80個引腳，其中54個為可編程數(shù)字I/O口，2個帶有FIFO緩沖區(qū)的UART模塊，2個符合2.0B協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的CAN模塊，故選用dsPIC30F6010為主控系統(tǒng)控制器。dsPIC30F6010的最小系統(tǒng)電路與dsPIC30F4012類似，不再累述。

2.2 數(shù)據(jù)采集從控系統(tǒng)

1）電壓型信號采集從控系統(tǒng)

起升高度值、回轉(zhuǎn)角度值、幅值的采集傳感器采用的均為DXZ型多功能行程限位器。DXZ型多功能行程限位器主要由高精度大傳動比的減速器和與其輸出軸同步的機械記憶凸輪控制機構(gòu)、角度傳感器（電位器）組成，如圖3所示。

圖3 DXZ型多功能行程限位器

該傳感器對關(guān)鍵信號的采集主要由電氣信號與機械信號共同作用，對角度傳感器施加規(guī)定的工作電壓，隨著塔機的起升、回轉(zhuǎn)、變幅機構(gòu)卷筒軸帶動行程限位開關(guān)輸入軸的旋轉(zhuǎn)，使角度傳感器信號輸出端產(chǎn)生電壓產(chǎn)生變化。因此，通過記憶凸輪動作微動開關(guān)的零點校正及監(jiān)測角度傳感器輸出端電壓信號，即可實時監(jiān)控塔機的起升高度、回轉(zhuǎn)角度及幅值。

以DXZ型多功能限位器為例，其精度等級為0.05，絕緣電阻為750Ω，防護等級為IP66，靈敏度為1.0 mV/V，最大供橋電壓為15 V，輸出信號為0～9 V電壓模擬信號。

由此可見，電位器的輸出信號為0～9 V的電壓模擬信號，而dsPIC30F4012的A/D轉(zhuǎn)換通道的電壓信號輸入范圍是0～5 V，A/D轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓也為5 V，故需對電位器的輸出電壓范圍調(diào)整至0～5 V。圖4為從控系統(tǒng)控制器采集電位器輸出電壓的電路，輸出信號通過由精密放大器OP27組成的電壓跟隨器的阻抗匹配，又經(jīng)電阻R2、可調(diào)電阻R3、R5的分壓作用，使輸出信號的電壓范圍在A/D通道的輸入范圍內(nèi)。輸出端2個穩(wěn)壓二極管的作用是使輸出電壓信號鉗位在0～5 V，保護dsPIC30F4012的A/D端口。

圖4 電壓信號采集原理

2）電流型信號采集從控系統(tǒng)

起重量限制器可選用ZX軸銷式傳感器，如圖5所示，其精度等級為0.05，輸入阻抗為750Ω，絕緣電阻≥5 000 MΩ，防護等級為IP66，靈敏度為1.0 mV/V，輸出阻抗為750Ω，最大供橋電壓為24 V，輸出信號為4～20 mA電流信號。

圖5 ZX軸銷式傳感器

由此可見，起重量傳感器的輸出信號為4～20 mA的電流模擬信號，首先要轉(zhuǎn)化成電壓信號，如圖6所示。電流信號經(jīng)精密放大器輸入端的2個精密采樣電阻R61、R62轉(zhuǎn)化成電壓信號，其余電路原理與電壓信號采樣原理類似，經(jīng)阻抗變換和電阻分壓后，通入A/D轉(zhuǎn)換口。

圖6 電流信號采集原理

2.3 CAN通訊模塊

塔機監(jiān)控系統(tǒng)的底層傳感器信號采集系統(tǒng)需要實時向主控控制器發(fā)送工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，且能接收主控系統(tǒng)的命令。要求實時性好、可靠性高、信號采集點可擴展，一個傳感器采集模塊的增加、減少和破壞，不會影響其余節(jié)點的數(shù)據(jù)通訊。CAN通訊不僅傳輸速度快、抗干擾性強、適合于構(gòu)建分布式控制系統(tǒng)[4]，且能根據(jù)CAN模塊中設(shè)置過濾屏蔽功能來決定是否接收該報文，故CAN通訊適用于塔機的安全監(jiān)控系統(tǒng)中。

為使監(jiān)控系統(tǒng)中各個數(shù)據(jù)采集從控系統(tǒng)獨立與主控系統(tǒng)傳遞數(shù)據(jù)，而各從控系統(tǒng)保持互不干擾，相互不接收數(shù)據(jù)，可通過設(shè)置報文幀的ID值、CAN模塊屏蔽寄存器和接收過濾器的設(shè)置來實現(xiàn)。從控系統(tǒng)與主控系統(tǒng)間的CAN通訊硬件布局如圖7所示，可根據(jù)實際需要增加塔機工作狀態(tài)數(shù)據(jù)節(jié)點。

圖7 CAN節(jié)點硬件布置

2.4 USB數(shù)據(jù)存儲接口電路

塔機安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲模塊選用深圳某公司的串口記錄儀，如圖8所示。塔機的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)從控系統(tǒng)控制器dsPIC30F4012的CAN控制器發(fā)送到CAN總線，主控系統(tǒng)控制器接收到數(shù)據(jù)后，經(jīng)主控制器的串口UART模塊發(fā)送給串口數(shù)據(jù)記錄儀，從而將塔機的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)存儲在記錄模塊的U盤上。

圖8 串口數(shù)據(jù)記錄模塊

該記錄儀與主控控制器的接口電路十分簡單，只需要互連兩者的UART模塊端口。主控系統(tǒng)存儲塔機工作狀態(tài)數(shù)據(jù)主要通過主控芯片對記錄儀實行串口通訊來實現(xiàn)，對記錄儀的操作主要包括數(shù)據(jù)的存儲和存儲文件的操作指令。

1）數(shù)據(jù)的存儲 引腳ST端口為高電平，記錄儀處于數(shù)據(jù)傳輸模式。數(shù)據(jù)存儲只需主控系統(tǒng)通過串口向記錄儀直接發(fā)送數(shù)據(jù)，無需任何指令，自動將串口數(shù)據(jù)保存到U盤。

2）存儲文件操作指令 此時引腳ST端口為低電平，記錄儀處于指令操作模式。常用的文件操作指令有讀磁盤數(shù)據(jù)、刪除文件、復(fù)位、新建目錄文件夾等，新建子目錄文件夾、TXT與16進制顯示選擇。若要執(zhí)行以上文件操作指令，需要主控系統(tǒng)向串口記錄儀發(fā)送命令字，當(dāng)記錄儀接收到命令字，發(fā)出對應(yīng)的相應(yīng)，則表示執(zhí)行相應(yīng)的指令成功。串口記錄儀的運行流程如圖9所示。

圖9 串口記錄儀運行流程圖

2.5 4G DTU無線傳輸模塊

為了實現(xiàn)塔機工作狀態(tài)數(shù)據(jù)實時發(fā)送到遠程監(jiān)控中心，需要在塔機端和遠程監(jiān)控中心端配備無線通訊設(shè)施，可采用4G DTU TAS-LTE-363無線傳輸設(shè)備，如圖10所示，圖11為塔石設(shè)備的應(yīng)用原理。

圖10 TAS-LTE-363無線設(shè)備

圖11 塔石設(shè)備應(yīng)用原理圖

通過該遠程無線傳輸設(shè)備，塔機端和監(jiān)控端的數(shù)據(jù)傳輸方式有點對點和多對一。點對點傳輸方式是在塔機端和監(jiān)控端分別配置一塔石設(shè)備，通過在塔機端和監(jiān)控端對塔石設(shè)備實施串口數(shù)據(jù)通訊，即可實現(xiàn)1臺塔機的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)遠程傳輸給監(jiān)控中心。如果監(jiān)控中心要對多臺塔機實時監(jiān)控，則需采用多對一的傳輸方式。每個塔機端需要配置1臺TAS-LTE-363，在監(jiān)控端配置1臺TAS-LTE-363，監(jiān)控端塔石設(shè)備采用輪詢的方式接收塔機端塔石設(shè)備的數(shù)據(jù)，即可在監(jiān)控端顯示塔機的工作狀態(tài)。同理，在監(jiān)控端發(fā)送命令數(shù)據(jù)，通過塔石設(shè)備和塔石云服務(wù)云平臺可對塔機端實施控制。

TAS-LTE-363的硬件接口很簡單，在遠程監(jiān)控端用標(biāo)準(zhǔn)RS232接口連接PC機和塔石設(shè)備。在塔機端，主控制器上的UART接口連接TTL轉(zhuǎn)232模塊，再連接TAS-LTE-363上的RS232接口。該設(shè)備只需在軟件上通過簡單的串口通訊操作，即可實現(xiàn)塔機端到遠程監(jiān)控端的雙向數(shù)據(jù)透明傳輸。

2.6 預(yù)警控制模塊功能

1）若塔機的工作狀態(tài)參數(shù)達到報警值，則蜂鳴、燈光顯示起報警作用；

2）工作狀態(tài)值繼續(xù)增大，影響到塔機安全使用時，必須停止機構(gòu)向危險方向繼續(xù)運行。這就需要主控系統(tǒng)控制器的I/O口輸出動作信號，經(jīng)過驅(qū)動電路，使串入到機構(gòu)運行電氣線路中的繼電器動作，從而切斷相應(yīng)機構(gòu)繼續(xù)向危險方向運動，確保塔機安全運行。

3 監(jiān)控系統(tǒng)精度性能分析

3.1 采集單元精度分析

監(jiān)控系統(tǒng)對起升高度、回轉(zhuǎn)角度、幅值等關(guān)鍵信號的采集采用DXZ多功能限位器中的電位器來測量，從電氣方面看，關(guān)鍵信號值的采集精度主要取決于電位器的非線性度和A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度，電位器的獨立非線性度為0.1%, 10位AD轉(zhuǎn)換非線性度為0.5%，遠小于GB/T 28264—2017《起重機械 安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》對起升高度、幅度、回轉(zhuǎn)角度綜合相對誤差不大于5%的規(guī)定[5]。

起重量限制器ZX軸銷式傳感器的輸出信號是電流信號，經(jīng)采樣電阻轉(zhuǎn)化為電壓模擬信號，誤差分析情況與電位器類似。ZX軸銷式傳感器的精度等級為0.05，為傳感器一級精度，起重量綜合誤差主要取決于AD轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換精度和外界干擾。同理，起重量綜合誤差也滿足GB/T 28264—2017《起重機械 安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》的規(guī)定。

3.2 采樣周期

dsPIC30F系列數(shù)字信號控制器指令執(zhí)行速度可達30 MIPS，主從控制系統(tǒng)的控制器CPU執(zhí)行速度快，A/D轉(zhuǎn)換器最大轉(zhuǎn)換速度為500 ksps，作為主從控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊的CAN模塊最大速度可達1 Mb/s。因此，在系統(tǒng)軟件中合理設(shè)置數(shù)據(jù)采集周期，遠遠可滿足GB/T 28264—2017《起重機械 安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》中系統(tǒng)實際程序的掃描周期不大于100 ms的規(guī)定。

3.3 存儲時間

串口記錄儀器存儲的數(shù)據(jù)自帶有時間戳，滿足存儲數(shù)據(jù)需要有年/月/日/時/分/秒的格式要求。假設(shè)串口通訊波特率為9 600 b/s，該記錄儀連續(xù)不間斷地存儲，自帶的32 GB存儲空間被存儲完需要1 a時間，遠大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定需要有30個連續(xù)工作日存儲量的要求。

4 結(jié)論

1）本文搭建了一種以dsPIC30F系列數(shù)字信號控制器為控制核心的基于CAN總線的主從控制式的塔機安全監(jiān)控系統(tǒng)，這種主從分布式控制系統(tǒng)方便了關(guān)鍵信號采集點的增加，只需將數(shù)據(jù)采集從控系統(tǒng)接入到CAN總線即可。減少了信號增加點與主控芯片間的引線，有效降低了傳感器與信號采集處理系統(tǒng)的距離，減小了外界對控制系統(tǒng)的干擾，且無需占用主控芯片的硬件資源，具有實時性好、可靠性高、易于擴展的優(yōu)點。

2）確立了串口數(shù)據(jù)記錄儀為監(jiān)控系統(tǒng)的USB數(shù)據(jù)存儲模塊，并在硬件上介紹了與主控系統(tǒng)間的電氣接口，在軟件上介紹了文件操作指令。這種USB數(shù)據(jù)存儲方式滿足了監(jiān)控系統(tǒng)在實時性、存儲時間上的要求；確立了4G DTU 模塊TAS-LTE-363為塔機端與遠程監(jiān)控中心端的無線傳輸模塊，為實現(xiàn)監(jiān)管部門對塔機的遠程監(jiān)控做好鋪墊。

3）根據(jù)GB/T 28264—2017《起重機械 安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》的相關(guān)要求，設(shè)計的塔機安全監(jiān)控系統(tǒng)滿足在信號采集精度、實時性、歷史追溯性、存儲時間方面的要求。