引言
塔式起重機(jī)大規(guī)模應(yīng)用于工程建設(shè)中,我國每年都會(huì)發(fā)生
多起塔機(jī)倒塌事故?。為了防止重大事故的發(fā)生,保證塔機(jī)運(yùn)
行安全可靠,減少因事故造成的人員和經(jīng)濟(jì)損失,非常有必要
開發(fā)一套可靠性和實(shí)時(shí)性高、功能強(qiáng)大、成本低的安全監(jiān)控系
統(tǒng)。控制器局域網(wǎng)CAN(ControllerAreaNetwork)總線是一種有
效支持分布式實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN總線由于具有
傳輸距離長、報(bào)文短、通信速率高、出錯(cuò)率低、糾錯(cuò)能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)
性和可靠性高、控制簡單等優(yōu)點(diǎn)j,被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化控制
系統(tǒng)中?;贑AN總線的塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)可以很好的滿足
上述要求。
系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎每偩€型拓?fù)?。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是采用單 一 信道作為傳輸介質(zhì),所需電纜長度短,布線容易,工作的可靠 性高,增加和減少節(jié)點(diǎn)都很方便。
一 、塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.1監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
塔機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)主要由HMI、CAN總線、數(shù)據(jù)采集模塊和繼電器
模塊組成,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊有起重量
檢測模塊、幅度檢測模塊、高度檢測模塊和角度檢測模塊。HMI
通過CAN接口將系統(tǒng)初始參數(shù)(起重零點(diǎn)和參考載重校準(zhǔn)信
號、最小幅度和最大幅度校準(zhǔn)信號、起升高度零點(diǎn)和起升標(biāo)準(zhǔn)
高度校準(zhǔn)信號、回轉(zhuǎn)角度零點(diǎn)校準(zhǔn)信號)發(fā)送到CAN總線上,
各數(shù)據(jù)采集模塊通過判斷接收保存需要的參數(shù)。傳感器檢測
塔機(jī)運(yùn)行時(shí)的工作參數(shù):起吊重量、小車行走幅度、重物提升高
度和臂架回轉(zhuǎn)角度,各個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊的MCU將檢測到的數(shù)
據(jù)處理后通過CAN接口實(shí)時(shí)發(fā)送到CAN總線上,HMI通過
CAN接口接收數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送到CAN總線上的數(shù)據(jù),并通
過硬件和軟件編程方式對接收到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)、
比較報(bào)警處理。
塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)主要功能:
(1)實(shí)時(shí)檢測功能,實(shí)時(shí)監(jiān)測塔機(jī)運(yùn)行時(shí)的各狀態(tài)參數(shù)。
(2)實(shí)時(shí)顯示功能,實(shí)時(shí)顯示塔機(jī)運(yùn)行時(shí)的工作參數(shù)值。
(3)報(bào)警和自動(dòng)斷電停機(jī)功能,系統(tǒng)識別塔機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)
后,做出相應(yīng)的處理。當(dāng)塔機(jī)運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)參數(shù)值超過其設(shè)定
的極限值時(shí),系統(tǒng)報(bào)警并斷電停止塔機(jī)工作。
(4)參數(shù)設(shè)定功能,由于不同型號塔機(jī)具有不同的固定參
數(shù),可通過按鍵實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的修改設(shè)置,提高系統(tǒng)的通用性。
(5)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能,記錄塔機(jī)工作參數(shù),作為分析事故原因
的原始數(shù)據(jù)以及塔機(jī)工作損耗的參考。
1.2硬件電路設(shè)計(jì)
該監(jiān)控系統(tǒng)硬件主要有單片機(jī)STC89C516、液晶顯示器
CA320240B、CAN接口、CAN總線、A/D轉(zhuǎn)換芯片、U盤及U盤
接口芯片等。系統(tǒng)以STC89C516為核心,實(shí)現(xiàn)對塔機(jī)運(yùn)行過程
狀態(tài)的監(jiān)控、顯示、記錄和報(bào)警。系統(tǒng)模塊有人機(jī)界面模塊、數(shù)
據(jù)采集模塊和繼電器模塊。數(shù)據(jù)采集模塊共有4個(gè)部分:起重
量檢測模塊、幅度檢測模塊、高度檢測模塊和角度檢測模塊,完
成基本的模擬量和數(shù)字量的采集及CAN總線的通信功能。
1.2.1CAN總線
CAN總線是一種性價(jià)比非常高的現(xiàn)場總線,與一般的通信
總線相比,它的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活
性J。主要技術(shù)特點(diǎn)有:多主方式;節(jié)點(diǎn)分成不同的優(yōu)先級,可
滿足不同的實(shí)時(shí)要求;采用非破壞總線仲裁技術(shù);極好的檢錯(cuò)
效果;通信距離最長lOkm,速率最高達(dá)1Mbps.CAN總線上任
意2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的最大傳輸距離與其位速率的關(guān)系
塔機(jī)上的通信距離一般就幾十m長,CAN總線完全可以
滿足要求,結(jié)合塔機(jī)工作的實(shí)際情況,選擇最高通信速率1Mb-
ps·
1.2.2CAN接口電路設(shè)計(jì)
CAN接口主要由CAN控制器SJA1000和CAN收發(fā)器
TJA1050組成。CAN控制器SJA1000支持CAN2.0A和
CAN2.0B協(xié)議,可以支持11位、29位標(biāo)識碼,具有很強(qiáng)的擴(kuò)展
性。CAN收發(fā)器TJA1050是CAN控制器與物理總線之間的接
口芯片,支持對CAN總線的差動(dòng)發(fā)送和接收功能。它的電磁
抗干擾EMI性極高,且與ISO11898標(biāo)準(zhǔn)完全兼容。CAN總線
接口是數(shù)據(jù)采集模塊和上位機(jī)通信的模塊,如圖2所示。
SJA1000與單片機(jī)的引腳連接如圖所示。TJA1050的引腳8
(S)用于選定收發(fā)器的工作模式,引腳接地表示TJA1050進(jìn)入
高速模式。收發(fā)器和總線的接口部分必須要加保護(hù)防干擾電
路,和魄為CAN匹配電阻,電容C具有退藕作用,c3和c4
起濾波作用。
1.2.3起重量數(shù)據(jù)采集模塊硬件電路設(shè)計(jì)
塔機(jī)的工作環(huán)境惡劣,周圍各種干擾較為嚴(yán)重,系統(tǒng)的抗
干擾能力、可靠性、通用性和靈活性要強(qiáng),根據(jù)CAN通信模塊
加上不同外部電路,電源電壓調(diào)節(jié)電路人機(jī)接口輸入電路等。
模塊的電路結(jié)構(gòu)如圖3。
重量檢測模塊傳感器采用DEE系列稱重傳感器,為了提高
測量的準(zhǔn)確性,根據(jù)實(shí)際情況不同噸位的塔機(jī)應(yīng)采用不同量程
的傳感器。A/D轉(zhuǎn)換采用16位高精度串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器
CS5523,該芯片內(nèi)集成了1個(gè)儀表放大器、1個(gè)可編程增益放大
器、多路開關(guān)、數(shù)字濾波器、自校正和系統(tǒng)校正電路。通過簡單
的串行連接,MCU可方便地控制CS5523,實(shí)現(xiàn)多通道高精度的A/D轉(zhuǎn)換。
傳感器將檢測到的信號,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器處理將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入MCU,MCU進(jìn)一步處理數(shù)據(jù),在程序中計(jì)算當(dāng)前重量以及當(dāng)
前重量占總重量的百分比。電路中單片機(jī)的外部中斷信息由SJA1000的內(nèi)部寄存器,提取數(shù)據(jù)確定具體的中斷事件,并做出下應(yīng)的反
饋。
1.2.4 其它數(shù)據(jù)采集模塊電路設(shè)計(jì)
其它數(shù)據(jù)采集模塊和角度檢測模塊的檢測工作原理完全相同。在塔機(jī)幅度、高度和角度限制器的伸出軕上加一塊一半是N極一
半是S極的圓形磁鐵,當(dāng)塔機(jī)工作時(shí)磁鐵和軸一起旋轉(zhuǎn),利用磁鐵轉(zhuǎn)極性的變化檢測出小車牽引器機(jī)、卷?xiàng)顧C(jī)和塔臂轉(zhuǎn)過的圈數(shù),在
程序中計(jì)算出幅度、高度和角度。硬件原理框如圖4所示
1.2.5人機(jī)界面硬件電路設(shè)計(jì)
圖5為人機(jī)界面原理框圖,液晶顯示器CA320240B使用功能強(qiáng)大的S1D13305作為控制器。內(nèi)部固化160種5*7點(diǎn)陳的字符,具有文本和圖
形混合顯示功能,系統(tǒng)采用Inte8080時(shí)序。
顯示器實(shí)時(shí)顯示塔機(jī)工作時(shí)的力矩、重量、幅度、高度和角度數(shù)值,并圖形顯示塔機(jī)起重機(jī)特性圖和當(dāng)前工作點(diǎn)的位置。圖6為塔機(jī)
起重特性圖,圖中陰影部分為塔機(jī)安全工作區(qū)域,正常工作點(diǎn)必須處于陰影區(qū)域內(nèi),當(dāng)工作點(diǎn)超過最大力矩的80%時(shí)系統(tǒng)給出預(yù)警信
號(黃色LED燈亮報(bào)警),超過100%發(fā)出報(bào)警信號(紅色LED燈亮和蜂鳴器報(bào)警),同時(shí)對繼電影模塊動(dòng)作止電動(dòng)工作。
系統(tǒng)采用大容量8GU盤存儲(chǔ)數(shù)據(jù),存儲(chǔ)內(nèi)容為塔機(jī)每次開作的年份、日期、開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、開始高度、結(jié)束高度、開始角度、
最大力矩和警告。當(dāng)發(fā)生安全事故或需要評估塔機(jī)的使用壽命時(shí),可導(dǎo)出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。