張南慶　張強(qiáng)　陳孝玉　劉小雍

【摘 要】在現(xiàn)代高層建筑建設(shè)當(dāng)中，塔式起重機(jī)，后續(xù)簡稱塔機(jī)，扮演著越來越重要的角色。但是，在實際操作當(dāng)中，塔機(jī)操作者不能獲得塔機(jī)本身足夠的狀態(tài)信息去對塔機(jī)進(jìn)行控制[1]，例如，何時起重，以及起重的重量等。為了提高塔機(jī)工作的安全性和效率，本文提出了一種塔機(jī)安全監(jiān)控方案，用于多角度獲取塔機(jī)狀態(tài)信息。此方案能夠讓塔機(jī)操作者通過傳感器技術(shù)，數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及無線傳輸技術(shù)，實時的獲取到更多細(xì)節(jié)性和復(fù)雜性的狀態(tài)信息[2-3]。本方案主要是為了降低塔機(jī)事故發(fā)生率，并起到在危險環(huán)境下保護(hù)工程管理者，建筑設(shè)備以及塔機(jī)操作者安全的作用。

【關(guān)鍵詞】塔機(jī)；傳感器；狀態(tài)監(jiān)控；LCD報警

中圖分類號：TH89 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）35-0127-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.35.053

Research on Condition Monitoring System of Tower Crane

ZHANG Nan-qing ZHANG Qiang CHEN Xiao-yu LIU Xiao-yong

（Zunyi Normal University， Zunyi Guizhou 563006， China）

【Abstract】Tower crane is playing a more and more important role in the construction of high-rise buildings. However， crane operators do not acquire adequate conditioning information from tower crane itself， such as lifting moment and the weight being lifted， to control the tower crane. In order to work safer and more efficient， this paper presents a condition monitoring system （CMS） that provides a solution to receive sufficient information. The CMS can monitor the detailed and comprehensive information which is related to the safety of tower crane in real time with sense， signal processing and wireless technologies. This CMS aims at degrading the tower crane accidents and protecting the project manager， construction equipment and operators from dangerous situation.

【Key words】Tower crane； Sensor； CMS； Alarm

0 引言

近年來，在高速發(fā)展的中國經(jīng)濟(jì)助推之下，建筑業(yè)，特別是高層建筑作為中國經(jīng)濟(jì)的支柱性產(chǎn)業(yè)之一，得到了極大的增長。從而使得塔機(jī)的使用變得越來越廣泛且作用變得越來越重要，伴隨而來的是，塔機(jī)事故發(fā)生率變高，據(jù)不完全統(tǒng)計，2013年3-4月之間全國各地就有17起塔機(jī)相關(guān)的事故發(fā)生[4]。通過分析發(fā)現(xiàn)，有3個原因?qū)е滤C(jī)事故的發(fā)生，如表1所示。

表1中統(tǒng)計了導(dǎo)致塔機(jī)事故發(fā)生最主要的3個因素，但是本文只將塔機(jī)操作人員的非法操作作為研究范疇。所以本文提出一種塔機(jī)狀態(tài)安全監(jiān)控方案，幫助塔機(jī)操作人員實時掌握與塔機(jī)運行安全相關(guān)的狀態(tài)信息。

1 安全監(jiān)控系統(tǒng)

安全監(jiān)控系統(tǒng)包含4個模塊，分別為數(shù)據(jù)采集模塊；核心控制模塊；通信模塊；報警模塊[11]，其系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示：

1.1 傳感子系統(tǒng)

傳感子系統(tǒng)包含5個傳感器，用于獲取塔機(jī)在正常載荷運行狀態(tài)下的幾個關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)，例如，物體重量，物體高度，物體水平方向的幅度，塔機(jī)的回轉(zhuǎn)角度，塔機(jī)頂部風(fēng)速。傳感器輸出信號包含電壓，電流和頻率信號，經(jīng)過預(yù)處理的信號流通過MAX1148進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后將信號輸入核心控制模塊的主控芯片LPC2294（ARM7架構(gòu)）。

1.2 控制子系統(tǒng)

控制子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理電路，LCD顯示模塊，核心處理模塊，同步時鐘模塊組成。數(shù)據(jù)處理電路主要是對傳感器采集的信號進(jìn)行濾波，放大等處理，然后將處理后的信號接入到核心處理模塊的輸入端（此處采用基于ARM7架構(gòu)的LPC2294），核心控制模塊將獲取到的關(guān)鍵信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，輸出到LCD模塊進(jìn)行顯示；當(dāng)塔機(jī)事故發(fā)生時，在同步時鐘模塊作用下，將事故發(fā)生時的塔機(jī)各狀態(tài)參數(shù)精確記錄到存儲器，便于后續(xù)對事故數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出事故發(fā)生原因，對提高塔機(jī)安全性提供數(shù)據(jù)支撐。

1.3 通信子系統(tǒng)

通信子系統(tǒng)以中國移動GPRS無線傳輸技術(shù)為基礎(chǔ)[10]，將塔機(jī)關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳送至后臺主機(jī)，便于后臺實時了解塔機(jī)運行狀況；同時，后臺也可通過通信子系統(tǒng)向塔機(jī)監(jiān)控終端發(fā)送控制命令。

1.4 報警子系統(tǒng)

報警子系統(tǒng)主要由生、光報警器組成四級報警。終端會對塔機(jī)的回轉(zhuǎn)角度，物體重量，物體可上升高度，重物水平運行幅度以及現(xiàn)場風(fēng)速進(jìn)行閾值設(shè)置，當(dāng)各參數(shù)介于閾值的0.93～0.96時，報警系統(tǒng)輸出I級蜂鳴器提示報警，當(dāng)各參數(shù)介于閾值的0.96～1.00，II聲音報警器打開，當(dāng)各參數(shù)介于閾值的1.00～1.20時，III聲光報警器被打開，當(dāng)各參數(shù)大于閾值的1.20時，IV級報警打開，塔機(jī)電源被強(qiáng)制切斷。

最后，報警數(shù)據(jù)將被記錄和存儲到CAT24C256的EEPROM芯片之中，然后將存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出塔機(jī)事故發(fā)生的可能原因。

2 傳感器選型與布局

2.1 傳感器選型

為了準(zhǔn)確測量塔機(jī)現(xiàn)場環(huán)境下的各關(guān)鍵參數(shù)，本文選取了圖2的幾款傳感器構(gòu)成塔機(jī)監(jiān)控終端的傳感系統(tǒng)，其技術(shù)參數(shù)如表所示。

2.2 傳感器布局

圖3展示了傳感子系統(tǒng)中各個傳感器在塔機(jī)上的安裝位置，風(fēng)速傳感器安裝于現(xiàn)場塔機(jī)的頂部，回轉(zhuǎn)角度傳感器安裝于塔機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)處，高度傳感器安裝于塔機(jī)平衡臂之上，幅度傳感器安裝于變幅小車之上，重力傳感器安裝于起重鉤結(jié)構(gòu)之上。

3 實驗

通過模擬現(xiàn)場環(huán)境，對監(jiān)控終端的各項功能進(jìn)行測試，并將數(shù)據(jù)顯示于LCD屏幕之上，如圖4所示。

圖4中重點以重物重量為例，對系統(tǒng)進(jìn)行了測試，從圖4中可以看出，目前重力傳感器獲取的實際重量為6.08噸，而此臺塔機(jī)所能承受的額定重量為3.50噸，大于額定重量的%120，所以在報警輸出一欄，報警級別為IV級，報警級別全亮。另外LCD界面還顯示了幅度、風(fēng)力等級、塔機(jī)回轉(zhuǎn)角度等信息。軟件設(shè)計時，針對報警流程，所有的監(jiān)控參數(shù)之間存在一個互斥的關(guān)系，只要監(jiān)控參數(shù)中有一個以上參數(shù)值超過相應(yīng)的報警級別，則報警流程被激活。

4 結(jié)論

通過實驗可以得出如下結(jié)論，此狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、實時獲取塔機(jī)相關(guān)參數(shù)，并在參數(shù)值超出閾值時，能夠執(zhí)行報警動作，可以起到幫助塔機(jī)操作者感知塔機(jī)運行狀態(tài)和約束塔機(jī)操作者操作行為的作用，以達(dá)到降低人為操作導(dǎo)致塔機(jī)事故發(fā)生率的目的。

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