基于ARM的塔机安全自动监控系统的设计:塔机安全监控系统

　　摘 要：针对目前塔机运行过程中存在的安全隐患问题，提出了一种基于ARM的塔机自动安全监控系统。该系统以ARM为主控制器，实现了塔机运行时工作状态的监控、显示、记录和报警，通过无线通信技术，实现了相关塔机运行状态的信息传输及塔机之间的相互定位，依靠防碰撞算法，控制塔机输出，预防塔吊群交叉作业时的相互碰撞。该系统制造成本低、具有良好的实时性、可靠性以及广泛的应用价值，符合塔机监控系统小型化、智能化的发展方向。
　　关键词：塔机；安全监控；ARM；无线组网；防碰撞
　　中图分类号：TP273 文献标识码：a DoI: 10.3969/j.issn.1003-6970.2012.02.050
　　Development of Safety Monitoring System for Tower Crane Based on ARM
　　JIa Min-zhi, DeNG Cui-yan2(College of Information Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)
　　【Abstract】In view of safety problems existed in the process of tower crane operation, an automatic safety monitoring system for
　　tower crane based on arM was proposed. the main controller of the system is arM and it realized the functions of status monitoring, data display, data storage and alerting in the operational process of tower crane. through wireless communication technology, the system completes the information transmission and location positioning among related tower cranes. Meanwhile it prevents crane tower collision between each other by anti-collision algorithms while in the runtime of cross-jobs, control the output of crane electric and ensure security of the system. the system has a low manufacturing cost, a good real-time performance and reliability, wide application value, it meet the development direction of miniaturization and intellectualization of crane intelligent monitoring system.
　　【Key words】tower Crane; Security Monitoring; arM; wireless Network; anti-collision
　　 0 引 言
　　塔机属于一种非连续性搬运机械，是一种起重臂(亦称吊臂或塔臂)装设于高处的全回转起重机械。塔机具有机体庞大、重心高、起吊重量大、作用范围广、运行速度快等特点，高效率的垂直运输能力使塔机在建筑行业得到大量应用[1]。同时塔机也是一种蕴含危险因素较多、事故发生机率较大的机械设备，据有关部门统计资料表明，塔机的事故率已达2.77%，其中很多是撞上障碍物或者塔吊之间的碰撞引起[2]。因而，如何加强塔机的安全作业，尤其是塔机集群作业时的安全，受到了生产厂家、建筑施工企业、安全监督部门及建设行政管理部门的高度重视。国家最新制定的GB/T5031-2008《塔式起重机》标准，要求各类起重机械必须装备安全保护装置。近年来，随着现场总线技术、数字信号处理技术、传感器技术等不断成熟以及各种新型大规模集成器件的出现，为塔机安全设备装置奠定了技术和物质基础。
　　目前，国内现有的一些塔机保护装置还只停留在“四限位两保险阶段”，四限位为力矩限位、超高限位、变幅限位和行走限位，两保险为吊钩保险和卷筒保险，技术上在塔机安装能够采集塔机运行时各种物理量的限位器，然后分别判断是否超出预订范围，从而限定塔机的运行[3][4]。这些安全保护装置仅仅针对单台塔机，不能实时监测塔机各种运行参数，因而不能将塔吊的运行状态反映给操作人员，以便实时调整；不能在计算机统一管理下对诸多运行参数和多台塔机实施同步监测、协调处理和综合判断。当今，建筑施工现场经常是楼群建设，施工环境复杂，多塔机经常同时进行交叉作业，为了保证作业的安全，避免复杂施工环境中塔机之间的相互碰撞，本文提出了一种基于ARM的塔机自动安全监控系统，能实时监控和显示塔吊运行状态，并能及时报警，通过无线通信技术，为塔吊提供无线组网服务，实现塔吊群集协同交叉作业的安全实时动态监控，防止塔吊间的相互碰撞，到达安全作业。
　　 1 系统硬件设计
　　塔机工作时，吊钩高度、回转角度、小车边幅、起重量以及起重力矩等信息要素与塔机安全工作息息相关，因而在该系统，必需对这几个关键要素进行信息采集，并通过显示器实时显示，方便作业人员及时准确把握塔机的运行动向，使司机工作起来游刃有余。
　　
　　图1 塔机安全监控系统的结构方框图Fig.1 Structure block diagram of safety monitoring system for tower crane
　　塔机自动安全监控系统硬件平台以ARM中央处理器为中心，ARM处理器处理速度快，实时性好，抗干扰能力强，开放性好，外围接口丰富，通信能力强，能够支持CRT、LCD等显示终端，其能很好地完成塔机安全监控功能。塔上监控设备作为塔机安全监控系统的基本构成单元及系统的核心，其主要由ARM中央处理器、存储器、显示器、通信、继电输出等模块组成，其系统硬件结构图如图1所示。通过传感器实现对力矩、起重力、小车幅度、回转角度、起升高度、风速风向等关键参数进行实时信号采集，将各个工作参数对应的物理量转换成电信号，然后通过电缆将电信号传送到信号调理电路进行数据放大处理，再由A/D转换模块将电信号变成数字信号，通过串行总线送到中央处理器进行数据融合、判断、计算、存储、转化等处理，一方面送给显示屏显示相关的数据给塔机司机，另一方面送到系统中与预设的重量、幅度、风速等极限值进行比较，当到达或超过预设的极限值时，就发出预警信号提示工作人员，并且对相应继电器发出控制信号，进而实现对相应电机的控制，从而达到安全保护的目的。
　　由于施工进度的需要，一个建筑工地经常是群塔作业，这就要求在施工过程中尽可能提高起重机械空间利用率的同时，要重视塔机之间的安全，这时塔机的防碰撞功能就显得非常重要。要实现防碰功能，必须知道现场各塔机的几何尺寸信息及它们之间的相对位置关系，同时，还需要获取塔机的实时动态信息，如起升高度、回转角度、小车变幅等。塔机的多机的工作模式要求多台塔机能组网联系，进行数据传输。由于施工现场环境复杂，干扰大，为了克服通信不稳定、掉线几率大、网络连接不易等缺点，本系统采用高可靠、高安全的GPRS/CDMA网络为塔机监控系统提供优质的无线组网服务。塔机群集作业的安全监控系统组成框图如图2所示。
　　 2 系统的软件设计
　　在软件编程过程中，采用多线程技术及模块化设计方法，增强系统的实时性，提高代码的可维护性、重用性。根据系统功能，其主要分为系统参数设置、数据处理、数据传输三部分。系统参数设置是指对塔机自身参数如起重力矩曲线、时间、传感器最大值及工作环境禁行区等设置，工作环境禁行区设置用
　　
　　图2 塔机群集作业的安全监控系统组成框图
　　Fig.2 Block diagram of safety monitoring system for tower crane clustered homework于限制塔式起重机与周围工作环境相互碰撞，防止误操作和违章操作所致的严重事故。主控制的数据处理有数字量采集、模拟量采集、起重力矩计算、防碰撞计算、数据显示、数据存储等。数据无线传输部分主要用于现场塔式起重机之间的数据交互，对应闯入碰撞区的塔机ID号、变幅幅度、起升高度及旋转角度等数据存入缓冲区，供数据处理模块使用。系统软件总体功能模块图3所示。
　　
　　图3 塔吊安全监控系统总体功能模块图Fig.3 Total function structure diagram of safety monitoring system for tower crane
　　 3 防碰撞技术
　　现代建筑施工环境非常复杂，多个塔吊经常需要协同作业，因而防碰撞功能对塔吊安全作业显得尤为重要。塔机可能发生的碰撞主要有两种，一种是塔机与周围固定障碍物之间的碰撞，另一种是塔机与塔机之间的碰撞[5]。塔机运行区域限制示意图如图4所示。塔机的工作空间往往受到周围障碍物(如高楼、道路等)的影响，容易引起塔机与固定障碍物之间的碰撞而发生危险，因此必须限制其回转角度和变幅幅度。系统可以根据现场实际情况设定禁行区值，再根据实时监测到塔机本身的塔臂转角和小车边幅计算当前塔机与环境危险区域边界的距离，然后做出报警或者控制决策。由于起重臂在接近障碍物之前必须回转减速、停止，因而要留有足够的缓冲区，为安全起见，在塔机进入禁行区之前设置了两个缓冲区，进入减速缓冲区后，塔机的运行电机只能低速回转，进入停止缓冲区以后，自动切断回转电路，让塔机缓慢停止。
　　当两台或多台塔机同时在某一建筑工地施工，其作业范围常局部互相重叠。塔吊与塔吊之间的碰撞主要包括这两个方 面，一方面当塔吊高度相同时，大臂之间的碰撞；另一方面当塔吊高度不同时，高位塔吊的起升钢丝绳及起吊重物与低位塔吊大臂之间的碰撞。在本系统中采用GPRS/CDMA无线技术进行组网通信及相互位置定位，首先预设两塔吊进入干涉区的最大距离L，即两塔机最大回转半径之和，一旦测出两塔机之间的距离D 4 结 论
　　本文在传统机械和电子传感器的基础上结合当前数字处理技术、传感器技术及移动通信技术而开发的一套新型、高可靠的自动安全监控系统。该系统实现了对塔机运行时工作状态的监控、显示、记录和报警，通过引入无线通信技术及可靠的防碰撞算法构建了分布式塔机群控制系统，可以有效地实现塔机间的安全作业。
　　
　　图5 防碰主程序流程图Fig.5 Main flowchart of anti-collision program
　　参考文献
　　[1] 张凤山，董红光. 塔式起重机构造与维修[M]. 北京: 人民邮电出版社，2007.
　　[2] 胥洪流. 塔吊群集作业安全控制系统[P]. 中国专利: 201020630700.6， 2010-11-30.
　　[3] 催海涛. 一种塔吊安全监控系统[P]. 中国专利: 200920244359.8，2009-12-14.
　　[4] 谢小光. 基于GPRS的塔机实时状态远程监控系统的研究[D].杭州: 浙江工业大学， 2009.
　　[5] 刘晓胜. 塔机运行的关键控制算法研究[J]. 科学技术与工程，2010，10(20): 5889-5894.

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