潘攀+李靖宇+李長安+韓瑞彬

摘 要 起重機械象征著現(xiàn)代社會的文明程度，很多行業(yè)都要應用它來完成體積大、質量重的物件的移動。其中橋式起重機是應用最廣發(fā)，使用數(shù)量最多的起重機械。近年來，隨著起重機的使用量增加，起重機事故數(shù)量也在上升。起重機的事故往往會造成較大的經濟損失，一方面由于單臺設備價格高，設備損壞的損失大，另一方面某使用場合設備數(shù)量少，事故發(fā)生易造成停產。因此，找出有效的防止橋式起重機事故發(fā)生的辦法顯得尤為重要。起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)已經在塔式起重機和門座式起重機上應用，但是應用于橋式起重機的安全監(jiān)控管理系統(tǒng)還很少。因此開發(fā)一款橋式起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)非常有意義。

關鍵詞 黑匣子；節(jié)點；安全監(jiān)控；起重量

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）07-0018-04

起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)已經在塔式起重機和門座式起重機上應用，但是應用于橋式起重機的安全監(jiān)控管理系統(tǒng)還很少。另外黑匣子作為多信息采集記錄儀已經成熟發(fā)展，飛行器、輪船、汽車都開發(fā)出其相應黑匣子，并廣泛應用。但是飛行器和船用黑匣子監(jiān)測參數(shù)眾多，結構復雜，成本很高，而且起重機黑匣子的極限工作環(huán)境遠遠不會達到以上兩種黑匣子的要求，因此起重機用戶不會采用飛行器和船舶用黑匣子。汽車黑匣子技術，在我國還不成熟，而且汽車黑匣子偏重于監(jiān)測汽車的行駛路線與周圍車距，不適合用在橋式起重機上。因此開發(fā)一款橋式起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)非常有意義。

1 系統(tǒng)總體方案設計

1.1 系統(tǒng)總體結構

橋式起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的工作原理設計為：通過各種傳感器采集橋式起重機的運行參數(shù)和人員信息，匯聚到黑匣子節(jié)點，黑匣子節(jié)點再通過GPRS_DTU模塊把數(shù)據(jù)發(fā)送到基站，基站通過網(wǎng)絡把數(shù)據(jù)存入遠程服務器，相關職能部門通過網(wǎng)絡訪問遠程服務器在特點軟件系統(tǒng)中顯示各監(jiān)測對象。系統(tǒng)總體結構如圖1。

圖1 系統(tǒng)總體結構圖

1.2 黑匣子節(jié)點結構

橋式起重機黑匣子硬件按照功能可以分為：外殼保護單元、單片機、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)通訊模塊、數(shù)據(jù)儲存模塊、實時時鐘模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、電源模塊等幾個部分。橋機黑匣子系統(tǒng)的結構框圖如圖2所示。

圖2 黑匣子節(jié)點結構框圖

1.3 系統(tǒng)解決方案設計

1.3.1 主控芯片的選擇

由于監(jiān)測數(shù)據(jù)種類較少，目前起重機的安全監(jiān)測管理系統(tǒng)一般是采用51單片機，此類單片機應用比較廣泛，價格相對較低，發(fā)展也已成熟。

1.3.2 黑匣子節(jié)點采集方案選擇

本系統(tǒng)黑匣子節(jié)點需要采集起重量、起升高度、行程開關、限位開關、同一軌道兩車間距等信息。其中行程開關直接通過單片機數(shù)字I/O口采集，其他數(shù)據(jù)采集需要其他輔助設備。

1）行程、限位開關采集。限位開關的信號接入有兩種方式。方式一：橋式起重機限位器一般同時有常開和常閉兩對觸點，其中常閉觸點接入起重機控制電路，控制電機電源。常開觸點一般是空置的，I/O量采集模塊可以利用通過監(jiān)控這個空置的常開觸點狀態(tài)反映限位器的狀態(tài)。方式二：橋式起重機械限位器的常閉觸點接入控制電路。通過在控制電路限位各開關觸點位置串入220 V繼電器的線包，然后通過監(jiān)測繼電器開關狀態(tài)得出限位器的狀態(tài)。方式一完全獨立于橋式起重機的控制電路，簡單可靠，但由于不同限位器遍布橋式起重機各個部位，需要進行長距離的布線。方式二需要在原控制電路中串接繼電器，降低了系統(tǒng)的可靠性，但由于限位器接入控制電路的位置相對集中，需要布線很少，連線如圖3。

圖為大車1、大車2、小車1、小車2連線示意圖。其中INL1等表示黑匣子系統(tǒng)接線端。

2）起重量信息采集。本系統(tǒng)的起重載荷值直接從橋式起重機械標配中的起重量限制器中獲取。其精度一般小于5%。試驗用的橋式起重機配置的載荷限制器為浙江常州某廠家的產品，型號為QCX-M系列。該產品具有實時重量顯示、零點自動跟蹤、儲存超載次數(shù)等功能。同時提供4-20 mA、RS485等接口。

圖3 行程開關連線示意圖

3）起升高度信息采集。絕對式編碼器/電位器這種方法一般用于測量旋轉物體的角位移；雖然高度并非角位移，但是只需測量卷筒的角位移和其直徑就可以計算出線位移。只是以上方法的局限是：角位移的測量范圍有限，僅限于一圈（360°），實際情況中卷筒的旋轉圈數(shù)范圍絕對不止一圈。因此卷筒軸必須外接減速器，是所測量限制在一圈以內。由于采用機械方式經過幾次轉換，而且再加上電位器本身就具有非線性，測量的精度會受很大影響。同時該方法也有優(yōu)點，就是只要開始位置（即為零點）確定，不管測試系統(tǒng)在什么時候停機，重啟后，所讀取的數(shù)據(jù)都可以準確確定起重機吊鉤的位移量。以上兩種傳感器的不同之處就是：前者的輸出的是數(shù)字信號，而后者輸出的是電壓或電流模擬信號。系統(tǒng)中應用絕對式多圈光電編碼器測量起升高度。本設計中選用GAX60 R13/12 E10 LB編碼器。其輸出RS485信號，易于讀取。編碼器設置成主動模式時，主動向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖4 儀器硬件原理圖

4）兩車間距信息采集。本系統(tǒng)選擇超聲波測距。超聲波測距模塊原理圖如圖4所示，模塊包括固有頻率正反饋發(fā)生器電路、換能器、線性電路（前置放大，噪音過濾，線性放大，整形電路）、單片機等部分。

本采集模塊設計時，單片機通過對40 kHz方波發(fā)生電路的控制實現(xiàn)對發(fā)射的控制。單片機的P1.0口以6個脈沖的序列發(fā)射信號再經過超聲波發(fā)射電路放大，單片機程序是通過延時函數(shù)實現(xiàn)的。脈沖發(fā)射同時打開定時器T0開始計時，發(fā)射后等待1 ms（主要目的是消除余波干擾，同時會導致測量盲區(qū)），打開外部中斷INT0，等待回波反射到接收探頭。

5）人員信息采集模塊。橋式起重機械操作人員信息的采集，主要是為了實現(xiàn)人員和設備的管理。本系統(tǒng)設計借鑒門禁系統(tǒng)的功能。endprint

讀寫器向IC卡發(fā)一組固定頻率的電磁波后，卡片內部的LC串聯(lián)諧振電路的頻率與讀寫器發(fā)射的頻率相同，在該電磁波的激勵下，LC諧振電路產生共振，從而使電容內有了電荷，在這個電容的另一端 ，接有一個單向導通的電子泵，將電容內的電荷送到另一個電容內儲存，當所積累的電荷達到2 V時，此電容可作為電源為其他電路提供工作電壓，并將卡內數(shù)據(jù)發(fā)射出去。

讀卡模塊從內部引出四根線，這四根線分別表示電源線、地線、數(shù)據(jù)線0、數(shù)據(jù)線1。每次讀卡時，如從0號數(shù)據(jù)線讀到一個低電平，則信號記為0，反之，從1號數(shù)據(jù)線讀到一個低電平，則信號記為1，每兩個信號的間隔大約為2.6 ms。硬件實現(xiàn)時，首先可用查詢方式確定第一個信號，而后用定時器定時2.6 ms再讀其中任一根數(shù)據(jù)線，這時兩線上至少有一根數(shù)據(jù)線出現(xiàn)信號。因此這種方法很容易實現(xiàn)，只是在讀第一個信號時，系統(tǒng)可能陷入不斷的查詢中。

6）數(shù)據(jù)儲存模塊。本系統(tǒng)設計的數(shù)據(jù)存儲功能，可以實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)存儲，用于信息的保存與歷史數(shù)據(jù)的分析?，F(xiàn)場黑匣子主要應用于安全數(shù)據(jù)的保障存儲，根據(jù)實際需要保存近期7天的安全數(shù)據(jù)，一旦數(shù)據(jù)達到一定數(shù)量，能夠自動覆蓋遠些日期的數(shù)據(jù)。

一般監(jiān)控數(shù)據(jù)的現(xiàn)場存儲采用專用的存儲裝置（如硬盤等），對基站節(jié)點的要求很高，節(jié)點價格將比較昂貴，不適用推廣。本系統(tǒng)研究了基于存儲卡的現(xiàn)場存儲方式，其中SD卡以其高存儲容量、快速的讀取速度、極大的移動靈活性以及很好的安全性成為本系統(tǒng)的選擇。同時為了使其在Windows操作系統(tǒng)可以識別，系統(tǒng)在SD卡中建立了FAT16格式的文件，同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)的定期自動覆蓋。

7）實時時鐘模塊。橋式起重機每天工作后都要斷電，斷電后沒有任何措施保證單片機內部時鐘芯片的時間增量器正常工作，對于監(jiān)測起重機運行參數(shù)來說是行不通的，因此需要選擇外部時鐘芯片，該芯片必須具有掉電檢測功能并且提供備用電源。經過多方測試，PhiliPs公司的PCF8563實時時鐘芯片是滿足要求的。該芯片平時用主機電源供電，可利用紐扣電池作為后備電源，掉電后，能正常計時。

8）數(shù)據(jù)上傳模塊。本系統(tǒng)選用深圳市某科技有限公司的GPRS 內嵌式DTU模塊，型號為KB3021。

2 黑匣子節(jié)點設計

本系統(tǒng)需要檢測的運行參數(shù)較少，但是通訊接口需要較多?？偤涂紤]節(jié)點單片機選用C8051F020。系統(tǒng)的電源模塊的電源輸入設計有外部交流220 V供電和直流+12 V供電兩種模式。長期監(jiān)測需要采用外部供電模式，為減少電源超導線接線的安全隱患，系統(tǒng)首先利用AC/DC將220交流轉換為+12 V直流。系統(tǒng)通過SPI對SD卡進行讀寫擦除操作，SPI總線主要通過四根線進行數(shù)據(jù)傳輸：同步時鐘線SCK、主入/從出數(shù)據(jù)線MISO、主出/從入數(shù)據(jù)線MOSI、從機片選擇線CS（低電平有效）。黑匣子節(jié)點電路中最重要的是采集電路和通訊電路設計。下面分別介紹。

2.1 電路設計

1）采集模塊電路設計。開關量采集模塊的電路的設計較為簡單，可以先根據(jù)光耦的驅動電流確定輸入電阻的大小，然后選擇一個電容，使其與該輸入電阻構成一個RC濾波回路，再過濾通道上的毛刺干擾即可。系統(tǒng)共設計12路開關量采集通道，各通道用一個公共地。開關量采集電路如圖5所示。

圖5 開關量采集電路原理圖

2）通訊接口電路設計。系統(tǒng)單片機集成了串行通訊接口，使用這些串行通訊接口和RS485接口驅動芯片就可以構成總線型通訊網(wǎng)絡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，即完成系統(tǒng)設定的采集任務。RS485通訊采用星型結構，這種結構具有接口簡單、靈活性好、價格低、易于控制等優(yōu)點，已經非常廣泛的在工控系統(tǒng)中使用。美國TI公司生產的SN75LBC184是一種RS485接口芯片?？梢耘c單片機里連接，把TTL信號轉化為RS485信號。應用該芯片完成電路圖如圖6。

圖6 RS485通訊接口設計

2.2 程序設計

系統(tǒng)單片機需要完成以下工作。

1）讀取開關狀態(tài)并計時（第一路開關為橋機總電源按鈕，上電與斷電后分別記錄時間，用來記錄工作時間。其他開關量只在變化后存儲上傳）。

2）分別向各RS485接口發(fā)送查詢命令，并接受各模塊采集的數(shù)據(jù)，分別計時。

3）把所得數(shù)據(jù)和時間按照統(tǒng)一格式發(fā)送到SPI接口，存入SD卡，并上傳。

本設計中系統(tǒng)需要查詢開關量，通過RS485總線查詢起重量、起升高度、同一軌道兩車間距，通過IC查詢實時時鐘數(shù)據(jù)，通過SPI把讀取數(shù)據(jù)存儲到SD卡中，通過串口0，發(fā)送的DTU模塊，完成一個工作周期。

3 系統(tǒng)終端設計

監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設計主要是包括節(jié)點遠程參數(shù)設置、接收和處理終端發(fā)回的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫設計、系統(tǒng)用戶界面設計、系統(tǒng)分析軟件設計等。

3.1 軟件功能模塊

1）用戶登錄分級管理。軟件實現(xiàn)用戶分級管理。A類用戶具有修改用戶名、密碼、遠程修改參數(shù)、刪除歷史記錄等權限；B類用戶具有遠程參數(shù)修改權限；C類用戶只有查看權限。系統(tǒng)登陸界面如圖7所示。

圖7 用戶登錄界面

2）服務器數(shù)據(jù)接收。當該服務器接收到一個網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包后，它首先判斷該數(shù)據(jù)包是終端（遠程主機）發(fā)來的數(shù)據(jù)包還是修改參數(shù)的數(shù)據(jù)包，如果兩者都不是，說明接收到了異常的數(shù)據(jù)包，那么將進行異常處理。如果是修改參數(shù)的數(shù)據(jù)包，那么接下來發(fā)送指令到終端（遠程主機）如果是終端（遠程主機）發(fā)來的數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)超過了閥值將進行軟件和硬件報警然后將該數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫；如果沒有發(fā)生異常，那么除了正常顯示之外，將直接進行數(shù)據(jù)的存儲工作。

3）數(shù)據(jù)庫設計。數(shù)據(jù)庫作為監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲部分，它的性能直接影響到整個監(jiān)控系統(tǒng)的性能，本系統(tǒng)采用工廠模式三層架構開發(fā)數(shù)據(jù)庫。通常意義上的三層架構就是將整個業(yè)務應用劃分為：表現(xiàn)層（UI）、業(yè)務邏輯層（BLL）、數(shù)據(jù)訪問層（DAL）。區(qū)分層次的目的即為了“高內聚，低耦合”的思想。endprint

數(shù)據(jù)庫設計是從用戶對數(shù)據(jù)的需求出發(fā)、設計和實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的過程，既要滿足應用功能需求，又要具有良好的數(shù)據(jù)庫性能。數(shù)據(jù)庫模塊是監(jiān)控平臺軟件中的核心部分。該軟件模塊主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)庫維護等功能。在該系統(tǒng)中數(shù)據(jù)存儲主要包括：①測點采集的各個參數(shù)的數(shù)據(jù)；②測點的基本信息；③監(jiān)測設備的報警信息；④測試節(jié)點的歷史數(shù)據(jù)等。

4）節(jié)點管理模塊。進入系統(tǒng)之后，在終端管理主界面上可以查看各節(jié)點的在線情況（如圖8所示），可觀察左側節(jié)點顏色判斷各節(jié)點在線與否，藍色指不在線，綠色指在線。

另外還可以查看其歷史數(shù)據(jù)。在工具欄中選擇“數(shù)據(jù)顯示”，再選擇“歷史數(shù)據(jù)顯示”，找到“起重量_間距_高度數(shù)據(jù)顯示”即可通過設置查看任何一小時的歷史數(shù)據(jù)。

4 結束語

為了保障橋式起重機的安全操作，滿足安監(jiān)部門對設備管理的需求，本文研究橋式起重機械遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)將GPRS無線數(shù)傳技術、大容量數(shù)據(jù)的現(xiàn)場/遠程存儲技術等相結合，實現(xiàn)基于網(wǎng)絡的起重機械安全運行的監(jiān)測及現(xiàn)場/遠程“黑匣子”功能，可廣泛應用在橋式起重機械的長期監(jiān)測項目。

參考文獻

[1]楊巧平，劉延雷.國內起重機事故統(tǒng)計分析與預防對策[J].機械管理開發(fā)，2011（02）：140-141.

[2]尹獻德，雷慶秋，劉愛國，等.橋（門）式起重機安全運行監(jiān)控記錄裝置的研制[J].中國安全科學學報，2010（04）：59-63.

[3]唐開龍，康斌棟.遠程監(jiān)控技術在港口起重設備上的應用[J].港口裝卸，2004（2）：15-18.

[4]周強，閆大順，許世范.基于Web技術的分布式監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].儀器儀表學報，2001（03）：278-279.

[5]劉俊峰，趙恒永.基于B/S 結構的工業(yè)生產數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].計算機工程與設計，2004（2）：288-290.

[6]后鵬.飛行器小型黑匣子硬件模塊的研究[D].上海：上海交通大學，2009.

[7]CWG（USB Mass Storage Class Working Group）.Universal Serial Bus Mass Storage Class Specification Overview，Revision 1.1.USB Implementers Forum，2000.

[8]CHEN Qimei，WU Yonghui.USB host software and hardware [J].Power Electrical Power Automation Equipment，2001，21（6）：6-8.

[9]Finkelstein Ehud，Weiss Shlomo.Microprocessor system buses：A case study.Journal of Systems Architecture，1999，45（12）：1151-1168.

[10]劉君華.現(xiàn)代檢測技術與測試系統(tǒng)設計[M].西安：西安交通大學出版社，1999.endprint