施工升降電梯安全監(jiān)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)

肖 清 鄧建宇 李 豐

（1.江西理工大學應用科學學院 贛州 341000）

（2.贛州市建設工程安全監(jiān)督管理站 贛州 341000）

施工升降電梯安全監(jiān)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)

肖 清1鄧建宇2李 豐1

（1.江西理工大學應用科學學院 贛州 341000）

（2.贛州市建設工程安全監(jiān)督管理站 贛州 341000）

施工升降電梯多應用于建筑行業(yè)，超載一直是施工升降電梯一個重要隱患，本設計是基于SOC技術及現(xiàn)代通訊——GPRS而研發(fā)的一款集超載限制、記錄、報警、顯示、樓層呼叫、沖頂保護、高度檢測、電梯速度檢測及限制、防傾翻、電機保護、遠程監(jiān)控等功能為一體的施工升降電梯安全監(jiān)控系統(tǒng)。本文介紹了施工升降電梯安全監(jiān)控系統(tǒng)的設計，設備經(jīng)實際檢驗，系統(tǒng)工作可靠，有效的提高了施工升降電梯的安全管控、提高了其管控的效果及電梯運行的效能。

起重量限制器 施工升降電梯 GPRS 物聯(lián)網(wǎng)

近幾年來，我國國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，伴隨而來來的城市建設亦迅速發(fā)展，高層建筑物建設數(shù)量與日俱增，建筑施工現(xiàn)場施工升降電梯的使用量與日俱增，其帶來垂直高效的運輸效率，但由于監(jiān)管不能到位，也給建設安全生產(chǎn)帶來了非常大的負面影響。這已成了普遍現(xiàn)象，例如管理人員少、安全監(jiān)管任務繁重、無法建立有效監(jiān)管制度，施工升降電梯已經(jīng)成為了建筑施工現(xiàn)場的重大危險源，成為安全事故發(fā)生的主要隱患之一。雖然各地安全監(jiān)管部門出臺了各種措施以提高監(jiān)管力度，由于主體責任履職很難到位，涉及施工升降電梯的生產(chǎn)事故仍然時有發(fā)生。據(jù)有關權威資料統(tǒng)計，目前國內建筑施工現(xiàn)場涉及施工升降電梯的生產(chǎn)事故，約占全部傷亡事故的20%。傷亡事故的發(fā)生不僅給人民的生命財產(chǎn)帶來了重大損失，也對社會發(fā)展產(chǎn)生了不良影響。安全生產(chǎn)是一項重大、艱巨、長期、復雜的工作，因此，認真貫徹落實各項規(guī)章制度、建立科學的管理體系，全面建設施工的信息化建設，充分將現(xiàn)代高科技技術應用在施工升降電梯的監(jiān)管中，進行實時、開放、可溯源的監(jiān)管就顯得十分必要。

本文介紹了基于GPRS聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)絡終端的施工升降電梯起重量限制器設計，闡述了SoC片上系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)采集和傳輸終端的硬件實現(xiàn)方案，其可廣泛應用于各種需要進行數(shù)據(jù)采集、遠程監(jiān)控的場合。

1 系統(tǒng)功能

為了加強對施工升降電梯使用過程中進行有效的監(jiān)管，切實控制其在運行過程中存在的不安全危險因素，消除安全隱患，做到事前預防、運行期間的管理、事后的分析，由江西理工大學、贛州德業(yè)電子科技有限公司共同研制生產(chǎn)施工升降電梯安全監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)的出現(xiàn)，可以極大提高監(jiān)管力度，使管理人員遠程監(jiān)控、查詢到違規(guī)操作信息，能及時發(fā)現(xiàn)建筑施工現(xiàn)場存在的施工升降電梯逃避監(jiān)管使用違章操作等現(xiàn)象，有效的解決行政管理人員技術不足、施工現(xiàn)場監(jiān)管人員不足等問題，非常的方便，省時省力。

施工升降電梯安全監(jiān)控系統(tǒng)由施工升降電梯起重量限制器和遠程監(jiān)控系統(tǒng)（后臺系統(tǒng)）兩部分組成。安全監(jiān)控系統(tǒng)主要有防碰撞報警、限位報警、制動控制、運行狀態(tài)實時監(jiān)控、運行過程記錄、歷史運行狀態(tài)查詢、碰撞事故黑匣子記憶等功能。

施工升降電梯安全系統(tǒng)具備以下功能：

1）顯示：采用800×600彩色觸摸屏，能夠實時顯示施工升降電梯運行數(shù)據(jù)與安全狀態(tài)，操作人員對設備的工作狀態(tài)能做到一目了然（見圖1）。

2）記錄：內置SD卡存儲器（2G），可存儲工作參數(shù)和24個月以上運行數(shù)據(jù)和報警信息。可作為升降機維護和事故判定的依據(jù)，至少可保存24個月的運行數(shù)據(jù)，以供監(jiān)管人員進行查詢。

3）報警：支持圖文報警。

4）控制：支持預警、報警限位、故障鎖機、違規(guī)鎖機。

5）樓層呼叫：采用無線呼叫器，SI4432通訊技術，實時發(fā)送樓層呼叫信息至監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)接收無線呼叫器信號，發(fā)出呼叫語音提示，顯示樓層呼叫信息。

6）連鎖保護：采用光電開關與射頻識別技術，實時監(jiān)控施工升降電梯門鎖閉合狀態(tài)。施工升降電梯轎廂前門、后門、頂門與樓門完全關閉后，允許施工升降電梯運行，打開任意門鎖時，停止施工升降電梯工作。

7）電機保護：采用功率傳感器，實時監(jiān)控施工升降電梯的三相異步電機工作參數(shù)。施工升降電梯任意電機的工作參數(shù)出現(xiàn)異常時，發(fā)出電機故障報警提示，停止施工升降電梯運行，保證作業(yè)安全。

8）超速保護：采用接近開關與高速脈沖計數(shù)器，實時監(jiān)控施工升降電梯的運行高度與速度。施工升降電梯任意電機的運行速度出現(xiàn)異常時，發(fā)出超速報警提示，制動器立即動作，停止電梯運行，防止墜落。

9）控制保護：采用電流檢測模塊，實時監(jiān)控系統(tǒng)電氣線路，防止控制線路短路、斷路、人為拆除。

10）電源保護：采用相序保護器監(jiān)控施工現(xiàn)場三相電源，對電壓缺項或相序不平衡提供保護。

11）高度限位：實時監(jiān)控施工升降電梯運行高度，進行限位保護，防止沖頂，為操作人員提供參考。

12）防傾翻：實時監(jiān)控施工升降電梯傾斜角度，超出安全范圍時發(fā)出停止作業(yè)報警，排除隱患，防止傾翻。

13）防墜安全器保護：實時監(jiān)控施工升降電梯漸進式防墜安全器，異常狀態(tài)時報警并停止施工升降電梯運行。

14）工作統(tǒng)計：用于統(tǒng)計和分析累計施工升降電梯的起重量與工作時間，用于設備維護、故障診斷、壽命評估與工作管理。

圖1 終端設備顯示界面原始底圖

施工升降電梯安全系統(tǒng)由報警控制器、載重傳感器、無線通信控制器等組成。報警控制器用于電梯超載、傾斜超度等危險的實時報警，報警形式：聲音警示，顯示屏圖文并行警示；報警范圍：超載危險報警、超高度限位報警、電源缺相報警等。高度傳感器：感知高度，精度：0.01m；傾角傳感器：檢測塔身傾斜角度，精度0.01°；無線通信：吊籠與各樓層的呼叫器間通訊，通訊有效距離：500m；頻點范圍：2.4GHz。系統(tǒng)功能結構圖如圖2所示。

圖2 施工升降電梯安全監(jiān)控系統(tǒng)

2 主機硬件設計

系統(tǒng)硬件核心控制器主要為C8051F340，人機交互采用迪文24位彩色觸摸屏示器（像素點800×600）、語音模塊組成，系統(tǒng)的電路主要包括C8051F340模塊電路（見圖3）、電源模塊、I/O擴展電路、SI4432無線通訊模塊。其中C8051F340模塊電路部分主要包含了串口通訊電路、接口電路、濾波放大電路等。系統(tǒng)硬件結構如圖4所示。

圖3 F340、SIM900引腳連接原理圖

圖4 系統(tǒng)硬件結構圖

前端監(jiān)控裝置（施工升降電梯黑匣子）和后端遠程監(jiān)控平臺（服務器平臺）無縫融合，做到了實時、開放、可溯源的監(jiān)控。通過前端設備對施工升降電梯進行現(xiàn)場安全監(jiān)控及報警，同時通過無線通訊，將施工升降電梯運行多元數(shù)據(jù)和報警信息不間斷的發(fā)送到服務器平臺，并能在報警時自動觸發(fā)手機短信通知，從而實現(xiàn)實時動態(tài)的遠程監(jiān)控、遠程報警和遠程告知，使得施工升降電梯安全監(jiān)控成為開放、有效、實時地動態(tài)監(jiān)控。

集成全方位安全監(jiān)控功能：工況實時信號采集；報警控制輸出；數(shù)據(jù)本地存儲和遠程下載；報表查詢輸出；施工電梯租賃地域和時間管理；及時短信通知；違規(guī)本地加鎖；遠程加鎖、解鎖；實時遠程監(jiān)控；GPS遠程定位；傾角檢測與報警；多級別監(jiān)控授權。

3 起重參數(shù)標定

施工升降電梯需要設定和標定的參數(shù)見表1：

表1 參數(shù)設定列表

通過系統(tǒng)終端人機界面設置表1中的參數(shù)。

4 無線樓層呼叫

樓層呼叫是施工升降電梯非常需要的一個功能，它可以使得電梯運轉達到最合理、最節(jié)能、效率最高的狀態(tài)，每一個樓層都安裝一個終端，也即成為一個呼叫節(jié)點。基于SI4432通訊模塊形成了施工升降電梯的樓層呼叫器，通過樓層呼叫，使得電梯運行有規(guī)劃。每臺設備都有一個SI4432通訊模塊，具有獨一無二的地址。主機能夠根據(jù)各節(jié)點呼叫信息給出最節(jié)能、效率最高的運行指示。

5 電機保護

施工升降電梯電機保護，關鍵參數(shù)的檢測：

電機電壓值的采樣——通過降壓并將電壓轉變?yōu)闃藴市盘栠M行AD轉換，并將數(shù)字化的信息送入MCU進行處理。

施工升降電梯的電機一般都為380V三相電，通過變壓器分壓并隔離，本設計取設定的分壓額定電壓為2V，并使用100Hz低通濾波器，再經(jīng)過運算放大器的高精度全橋整流進而轉換為直流電壓。為保證采樣信號高精度傳送，采用了高線性度模擬光電耦合器對模擬電路和數(shù)字電路進行隔離傳輸。

6 人員計數(shù)

不僅要對施工升降電梯的載重進行限制，還需要對載人數(shù)量進行限制，尤其是在2012年武漢發(fā)生死亡19人的施工升降電梯事故后，對人員限載的要求就顯得尤為突出。

本系統(tǒng)設了兩路紅外人數(shù)檢測傳感器分別安裝在吊籠兩側的出入口，高度在一定位置，兩路軸銷載重傳感器安裝在吊籠的掛接處，替換原來的軸銷。載重軸銷傳感器經(jīng)過信號調理模塊進行濾波、隔離和放大后，將模擬信號輸入到微處理器模塊的A/D引腳。其模擬信號放大電路如圖5所示：

圖5 信號放大電路

在人數(shù)是否超載判斷前，先由微處理器模塊通過重量傳感器和紅外對射檢測模塊獲取人員進出信息，即獲得當有人通過紅外檢測模塊時，判斷是否有人通過，然后根據(jù)此時載重量的加或減變化判斷是人員進入還是離開吊籃，再根據(jù)算法計算出吊籃實時的人數(shù)，實現(xiàn)了對施工升降電梯載人數(shù)量的安全監(jiān)控，當載員超過設定值時，聲音模塊將發(fā)出報警，從而有效避免人員超載的發(fā)生，人數(shù)變化算法如下：

情況一：當重量變化在＜40kg時，計數(shù)變化0人；

情況二：當重量變化在40～80kg時，計數(shù)變化1人；

情況三：當重量變化在80.1～160kg時，計數(shù)變化2人；

情況四：當重量變化在≥160kg時，計數(shù)變化3人。

7 結論

施工升降電梯智能安全監(jiān)控系統(tǒng)安裝在遼寧省營口市、廣東省廣州市、江西省贛州市等地的建設工地上，經(jīng)過近8個多月的測試，運行可靠，實踐證明，本設計成熟、可靠，對施工升降電梯能夠實現(xiàn)有效的安全監(jiān)控，大大減輕了監(jiān)管部門的工作量。

通過本系統(tǒng)對施工電梯進行安全監(jiān)控并將相關數(shù)據(jù)（運行工況安全數(shù)據(jù)和預警報警信息）實時發(fā)送到監(jiān)控平臺，并在報警時自動觸發(fā)手機短信向相關人員報警，從而實現(xiàn)實時動態(tài)的遠程監(jiān)控、遠程報警和遠程告知，使得施工升降電梯安全監(jiān)控成為開放、有效、實時、可溯源地監(jiān)控。

［1］ 潘琢金.C8051Fxxx高速SoC單片機原理及應用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2002.

［2］ 潘琢金.C8051F340/1/2/3/4/5/6/7全速USB FLASH微控制器數(shù)據(jù)手冊［EB/OL］.［2006-01］.http：// www.xhl.com.cn.

［3］ GB 12602—90 起重機械超載保護裝置安全技術規(guī)范［S］.

［4］ 孫玉柱.談起重機起重量限制器［J］.大眾標準化，2005（11）：24-25.

［5］ 王嘉.簡述起重量限制器的應用［J］.品牌與標準化，2011 （2）：54-55.

Research on Construction Elevator Safety Monitoring System

Xiao Qing1Deng Jianyu2Li Feng1
（1. College of Applied Science， Jiangxi University of Science and Technology Ganzhou 341000）
（2. Ganzhou Construction Safety Supervision and Management Station Ganzhou 341000）

Construction elevator is more and more wildly used in the construction industry， overload is one of the important problems of construction elevator， the design of safety monitoring system is based on SOC technology and modern communication "GPRS"， including overload limiter， recording， alarm， display， calling， top protection，height detection， elevator speed detection and restriction， motor protection， remote monitoring and other functions of the construction elevator. This paper introduces the design of the construction elevator safety monitoring system. It is showed by the actual test that the system is reliable， effective to improve the safety management and effciency of construction elevator.

Lifting weight limiter Construction elevator GPRS Internet of things

X941

B

1673-257X（2016）10-0030-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.10.007

肖清（1975～），男，碩士，講師，從事微機控制、物聯(lián)網(wǎng)技術應用工作。

2016-04-23）