周洪，陳強(qiáng)

（重慶中建機(jī)械制造有限公司，重慶 401325）

1 引言

目前，塔機(jī)在智能監(jiān)控、安全預(yù)警、智能化管理方面存在不足，使相關(guān)機(jī)械設(shè)備使用中安全隱患較大。在此背景下，利用最新技術(shù)手段做好塔機(jī)的安全監(jiān)控十分重要。本文選取安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計作為研究出發(fā)點(diǎn)，分析塔機(jī)安全監(jiān)控相關(guān)問題并論述系統(tǒng)設(shè)計要點(diǎn)，以滿足安全管理需求。

2 塔式起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案

該系統(tǒng)由遠(yuǎn)程端和塔機(jī)端組成，二者均搭載無線傳輸模塊。遠(yuǎn)程端又分為服務(wù)器和客戶端兩部分，其中，客戶端可經(jīng)由端口接收模塊對塔機(jī)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實時傳遞，并經(jīng)由上位機(jī)軟件監(jiān)控塔機(jī)。塔機(jī)端可以拆分成采集系統(tǒng)和主控系統(tǒng)，采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集并存儲運(yùn)行參數(shù)，確保各項參數(shù)均能經(jīng)由CAN 總線到達(dá)主控系統(tǒng)，由主控系統(tǒng)根據(jù)所獲得參數(shù)判斷塔機(jī)是否存在安全隱患并發(fā)布相應(yīng)指令，與此同時，將各項參數(shù)展示在顯示屏上[1]。由此可見，對該系統(tǒng)而言，上位機(jī)及下位機(jī)的操作存在明顯區(qū)別。

1）上位機(jī)功能為：基于服務(wù)云端打造通信鏈路，確保塔機(jī)回轉(zhuǎn)角度、高度及其他運(yùn)行參數(shù)均能經(jīng)由顯示屏得到實時展示，一旦出現(xiàn)參數(shù)超限情況，監(jiān)控中心、塔機(jī)端將同步發(fā)出預(yù)警，隨后由監(jiān)控中心發(fā)布相應(yīng)指令，從而達(dá)到對塔機(jī)端運(yùn)行狀態(tài)加以控制的目的。

2）下位機(jī)功能為：采集、分析并存儲運(yùn)行參數(shù)；經(jīng)由CAN模塊控制參數(shù)的傳遞；顯示參數(shù)分析結(jié)果，視情況決定是否發(fā)布預(yù)警；為傳輸模塊、存儲模塊及主控系統(tǒng)提供穩(wěn)定、高效的通信路徑。

3 塔式起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計要點(diǎn)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

3.1.1 感知層

該層可以拆分為監(jiān)控對象、監(jiān)控終端和傳感器3 部分，強(qiáng)調(diào)以傾角、風(fēng)速及高度傳感器為依托，實時獲取塔機(jī)運(yùn)行參數(shù)，由監(jiān)控終端負(fù)責(zé)放大、調(diào)整或轉(zhuǎn)換采集所得參數(shù)，為后續(xù)分析、處理參數(shù)的操作提供便利。工作人員可根據(jù)處理結(jié)果判斷塔機(jī)運(yùn)行的安全性，同時監(jiān)控終端可以借助圖形與數(shù)字相結(jié)合的方式，將塔機(jī)狀態(tài)展示在顯示屏上，確保工作人員能夠?qū)崟r了解塔機(jī)情況并做出相應(yīng)決策，使塔機(jī)穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

3.1.2 網(wǎng)絡(luò)層

該層主要負(fù)責(zé)連接感知，感知層經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)層將傳感器所采集參數(shù)同步至用戶平臺和服務(wù)器，并對服務(wù)器所發(fā)布指令進(jìn)行接收?，F(xiàn)有參數(shù)傳遞模式主要分為無線與有線傳遞，由于塔機(jī)高度較高以及施工區(qū)域往往存在大量障礙物，有線傳遞的成本及效果均難以保證，故決定選用無線傳遞模式，通過5G+LoRa 方式，使參數(shù)得到快速且準(zhǔn)確的傳遞[2]。

3.1.3 應(yīng)用層

該層的服務(wù)對象為監(jiān)控人員，可根據(jù)服務(wù)需求、功能需求，為工作人員提供相應(yīng)平臺，通過建立運(yùn)算模型，使塔機(jī)獲得精確管理。該層可細(xì)分為應(yīng)用服務(wù)層、支撐層。

1）服務(wù)層為人機(jī)交互接口，主要負(fù)責(zé)為工作人員提供其所需的報警管理、實時監(jiān)測和參數(shù)分析等服務(wù)，保證工作人員能及時了解塔機(jī)狀態(tài)，解決潛在問題，使監(jiān)控效率及整體水平達(dá)到預(yù)期。

2）支撐層可經(jīng)由防火墻、應(yīng)用接口及參數(shù)庫處理并存儲網(wǎng)絡(luò)層所提供參數(shù)，防火墻負(fù)責(zé)保證系統(tǒng)安全運(yùn)行，應(yīng)用接口負(fù)責(zé)為客戶端、服務(wù)器提供交互渠道，參數(shù)庫負(fù)責(zé)存儲各項參數(shù)。

3.2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計方案有兩種：裸機(jī)系統(tǒng)與多任務(wù)系統(tǒng)。

1）裸機(jī)系統(tǒng)又包括前后臺和輪詢系統(tǒng)兩種。輪詢系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)先對軟件運(yùn)行所需件進(jìn)行初始化，再通過無限循環(huán)方式對函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，使系統(tǒng)發(fā)揮應(yīng)有作用，若任務(wù)順序固定，則可使用該系統(tǒng)加以管理，如存在緊急事件，該系統(tǒng)將難以發(fā)揮應(yīng)有作用。

2）多任務(wù)系統(tǒng)搭載中斷機(jī)制，能降低事件丟失或類似問題的發(fā)生率，使程序更具實效性。需注意，若軟件規(guī)模相對較大，即便引入多任務(wù)系統(tǒng)，仍然無法獲得符合預(yù)期的時效性。系統(tǒng)以重要等級為依據(jù)，對各項任務(wù)進(jìn)行調(diào)度與管理，通過中斷完成事件響應(yīng)，在任務(wù)中處理事件。

考慮到實際運(yùn)行期間，監(jiān)控中心需要同時監(jiān)控多臺塔機(jī)，對參數(shù)存儲、無線通信等環(huán)節(jié)要求較高，故決定使用多任務(wù)系統(tǒng)，要求設(shè)計人員先編寫終端軟件，再以安全監(jiān)控需求為依據(jù)劃分任務(wù)，根據(jù)不同任務(wù)特點(diǎn)分別配置相應(yīng)硬件，待創(chuàng)建任務(wù)環(huán)節(jié)告一段落，該系統(tǒng)即可正式投入運(yùn)行。

3.3 硬件設(shè)計

3.3.1 控制器

系統(tǒng)選用dsPIC30F 控制器搭載CAN 模塊1 個、中斷源3個、轉(zhuǎn)換通道6 個、電平變化輸入8 個、引腳28 個，其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：外圍設(shè)備選擇多，可以快速中斷處理；能準(zhǔn)確、高效地完成計算、吞吐參數(shù)等操作；響應(yīng)速度高達(dá)30MIPS 左右[3]。

3.3.2 采集模塊

1）采集電流信號。起重量限制器為軸銷傳感器，其性能參數(shù)如下：精度等級為0.05；絕緣電阻≥5 000 MΩ；輸入電阻值、輸出阻抗值為750 Ω；防護(hù)等級不低于IP66；拱橋電壓≤24 V；靈敏度可達(dá)1 mV/V。研究發(fā)現(xiàn)，傳感器所發(fā)出信號多為4～20 mA，通常先將模擬信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，再對其進(jìn)行分壓處理，最后將經(jīng)過轉(zhuǎn)換、分壓的信號傳遞至轉(zhuǎn)換口。

2）采集電壓信號。采集傳感器選用DXZ 行程限位器，該限位器可以拆分成電位器、控制機(jī)構(gòu)和減速器等部分，用于機(jī)械信號、電氣信號的采集，通過向傳感器施加電壓的方式，促使限位器勻速旋轉(zhuǎn)，確保傳感器電壓發(fā)生變化，由此達(dá)到對塔機(jī)回轉(zhuǎn)角度、幅值和高度進(jìn)行實時監(jiān)控的目的。具體性能參數(shù)如下：精度等級為0.05；防護(hù)等級在IP66 或以上；絕緣電阻值為750 Ω；拱橋電壓≤15 V；靈敏度達(dá)1 mV/V；模擬信號輸出值處于0～9 V[4]。

3.3.3 傳輸模塊

為保證塔機(jī)運(yùn)行參數(shù)可以實時傳遞至監(jiān)控中心，技術(shù)人員決定分別在監(jiān)控中心、塔機(jī)內(nèi)部增設(shè)傳輸設(shè)備（見圖1），使監(jiān)控終端、塔機(jī)終端多對一或一對一傳遞參數(shù)的設(shè)想成為可能。如果監(jiān)控中心需要同時監(jiān)控多臺塔機(jī)，應(yīng)通過多對一的方式傳遞參數(shù)，其中，監(jiān)控中心、各塔機(jī)內(nèi)部均應(yīng)安裝傳輸設(shè)備，監(jiān)控終端可對塔機(jī)參數(shù)進(jìn)行實時接收，同時經(jīng)由云平臺發(fā)布指令，達(dá)到控制塔機(jī)運(yùn)行的目的。一對一傳遞則需要分別在監(jiān)控終端、塔機(jī)內(nèi)部增設(shè)塔石設(shè)備，由塔石設(shè)備負(fù)責(zé)傳遞參數(shù)。系統(tǒng)所搭載傳輸設(shè)備型號為TAS-LTS-363，該設(shè)備具有硬件接口簡單的優(yōu)點(diǎn)，僅需依托軟件完成串口通信相關(guān)操作，便能及時、準(zhǔn)確傳遞參數(shù)。

圖1 傳輸設(shè)備

3.3.4 通信模塊

采集模塊負(fù)責(zé)將運(yùn)行參數(shù)同步至控制器，同時對主控系統(tǒng)所發(fā)布指令進(jìn)行接收，需要具備良好的可擴(kuò)展性、實時性及可靠性，確保即使某采集模塊被破壞，其他節(jié)點(diǎn)仍然能維持正常運(yùn)行?？紤]到現(xiàn)有通信模塊中CAN 通信在抗干擾能力、傳遞時效性等方面的表現(xiàn)最為突出，加之該模塊可以通過屏蔽、過濾方式，對報文進(jìn)行選擇性接收，故決定將該模塊用于安全監(jiān)控系統(tǒng)，通過增設(shè)過濾接收器、屏蔽寄存器的方式，保證采集、傳遞參數(shù)等環(huán)節(jié)互不影響（見表1）。

表1 通信模塊運(yùn)行狀態(tài)

3.3.5 存儲模塊

存儲模塊為串口記錄儀（見圖2），塔機(jī)運(yùn)行參數(shù)可經(jīng)由控制器到達(dá)總線，控制器負(fù)責(zé)將所接收參數(shù)同步至串口記錄儀，確保各項參數(shù)均能夠得到及時且準(zhǔn)確的存儲。串口記錄儀的優(yōu)點(diǎn)在于接口電路簡單，通常僅需將其端口與控制器端口相連，便可直接投入使用，并通過串口通信的方式，接收并存儲參數(shù)、各項指令。存儲參數(shù)時，引腳端口處于高電平狀態(tài)，此時，主控系統(tǒng)可直接經(jīng)由串口傳遞參數(shù)，由處于傳遞狀態(tài)的記錄儀自動接收并存儲參數(shù)。存儲指令時，引腳端口處于低電平狀態(tài)，設(shè)備運(yùn)行模式由參數(shù)傳遞變更為指令操作，先由主控系統(tǒng)發(fā)布相應(yīng)命令字，確保命令字能準(zhǔn)確傳遞至記錄儀，再由記錄儀接收、存儲并執(zhí)行指令。

圖2 串口記錄儀

3.3.6 預(yù)警模塊

如果塔機(jī)運(yùn)行參數(shù)達(dá)到預(yù)警值，應(yīng)亮紅燈并發(fā)出預(yù)警。如若運(yùn)行參數(shù)持續(xù)加大，則應(yīng)終止設(shè)備運(yùn)行，此時，由主控I/O 口發(fā)布指令，指令經(jīng)由驅(qū)動電路到達(dá)繼電器，繼電器根據(jù)指令切換運(yùn)行狀態(tài)，通過更改電氣線路運(yùn)行狀態(tài)終止設(shè)備運(yùn)行，為塔機(jī)安全提供保護(hù)。

4 結(jié)語

本文分析的設(shè)計系統(tǒng)為主從分布系統(tǒng)，僅需將采集系統(tǒng)與CAN 總線相連，便能對塔機(jī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實時采集。其優(yōu)勢包括：縮短系統(tǒng)和傳感器之間的距離，使外界因素對系統(tǒng)造成的影響降至最低；不需調(diào)用主控芯片所搭載硬件資源；擴(kuò)展難度小，性能可靠且具有良好的時效性。此外，該系統(tǒng)還對參數(shù)存儲方式進(jìn)行了創(chuàng)新，在無線傳輸模塊的配合下，使遠(yuǎn)程監(jiān)控塔機(jī)的設(shè)想成為現(xiàn)實。未來，有關(guān)人員應(yīng)從存儲時間、采集精度和歷史溯源性等角度出發(fā)，對該系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，由此保證最大化地實現(xiàn)其價值。