一種塔式起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)的研究

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(jiǎn)稱塔機(jī)，扮演著越來(lái)越重要的角色。但是，在實(shí)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(duì)塔機(jī)進(jìn)行控制[1]，例如，何時(shí)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(guò)傳感器技術(shù)，數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及無(wú)線傳輸技術(shù)，實(shí)時(shí)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(xiǎn)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(bào)警

中圖分類號(hào)：TH89 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(lái)，在高速發(fā)展的中國(guó)經(jīng)濟(jì)助推之下，建筑業(yè)，特別是高層建筑作為中國(guó)經(jīng)濟(jì)的支柱性產(chǎn)業(yè)之一，得到了極大的增長(zhǎng)。從而使得塔機(jī)的使用變得越來(lái)越廣泛且作用變得越來(lái)越重要，伴隨而來(lái)的是，塔機(jī)事故發(fā)生率變高，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2013年3-4月之間全國(guó)各地就有17起塔機(jī)相關(guān)的事故發(fā)生[4]。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，有3個(gè)原因?qū)е滤C(jī)事故的發(fā)生，如表1所示。

表1中統(tǒng)計(jì)了導(dǎo)致塔機(jī)事故發(fā)生最主要的3個(gè)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(shí)時(shí)掌握與塔機(jī)運(yùn)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(gè)模塊，分別為數(shù)據(jù)采集模塊；核心控制模塊；通信模塊；報(bào)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(gè)傳感器，用于獲取塔機(jī)在正常載荷運(yùn)行狀態(tài)下的幾個(gè)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(hào)包含電壓，電流和頻率信號(hào)，經(jīng)過(guò)預(yù)處理的信號(hào)流通過(guò)MAX1148進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后將信號(hào)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(shí)鐘模塊組成。數(shù)據(jù)處理電路主要是對(duì)傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行濾波，放大等處理，然后將處理后的信號(hào)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(shí)，在同步時(shí)鐘模塊作用下，將事故發(fā)生時(shí)的塔機(jī)各狀態(tài)參數(shù)精確記錄到存儲(chǔ)器，便于后續(xù)對(duì)事故數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出事故發(fā)生原因，對(duì)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(guó)移動(dòng)GPRS無(wú)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(tái)主機(jī)，便于后臺(tái)實(shí)時(shí)了解塔機(jī)運(yùn)行狀況；同時(shí)，后臺(tái)也可通過(guò)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(bào)警子系統(tǒng)

報(bào)警子系統(tǒng)主要由生、光報(bào)警器組成四級(jí)報(bào)警。終端會(huì)對(duì)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(yùn)行幅度以及現(xiàn)場(chǎng)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(shí)，報(bào)警系統(tǒng)輸出I級(jí)蜂鳴器提示報(bào)警，當(dāng)各參數(shù)介于閾值的0.96～1.00，II聲音報(bào)警器打開(kāi)，當(dāng)各參數(shù)介于閾值的1.00～1.20時(shí)，III聲光報(bào)警器被打開(kāi)，當(dāng)各參數(shù)大于閾值的1.20時(shí)，IV級(jí)報(bào)警打開(kāi)，塔機(jī)電源被強(qiáng)制切斷。

最后，報(bào)警數(shù)據(jù)將被記錄和存儲(chǔ)到CAT24C256的EEPROM芯片之中，然后將存儲(chǔ)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(cè)量塔機(jī)現(xiàn)場(chǎng)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(gè)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(chǎng)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(shí)驗(yàn)

通過(guò)模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，對(duì)監(jiān)控終端的各項(xiàng)功能進(jìn)行測(cè)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(diǎn)以重物重量為例，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，從圖4中可以看出，目前重力傳感器獲取的實(shí)際重量為6.08噸，而此臺(tái)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(bào)警輸出一欄，報(bào)警級(jí)別為IV級(jí)，報(bào)警級(jí)別全亮。另外LCD界面還顯示了幅度、風(fēng)力等級(jí)、塔機(jī)回轉(zhuǎn)角度等信息。軟件設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)報(bào)警流程，所有的監(jiān)控參數(shù)之間存在一個(gè)互斥的關(guān)系，只要監(jiān)控參數(shù)中有一個(gè)以上參數(shù)值超過(guò)相應(yīng)的報(bào)警級(jí)別，則報(bào)警流程被激活。

4 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(shí)時(shí)獲取塔機(jī)相關(guān)參數(shù)，并在參數(shù)值超出閾值時(shí)，能夠執(zhí)行報(bào)警動(dòng)作，可以起到幫助塔機(jī)操作者感知塔機(jī)運(yùn)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。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王耀生.建筑塔式起重機(jī)事故原因分析與預(yù)防措施[J].西大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29（10）：75-76.

[2]劉佩衡.國(guó)內(nèi)外塔式起重機(jī)發(fā)展概況[J].北京：工程機(jī)械與維修，1997（8）：12-13.

[3]黃洪鐘，姚新勝.塔式起重機(jī)安全性研究與展望.建筑安全，2001，（3）：1-6.

[4]塔機(jī)365網(wǎng)，國(guó)內(nèi)最新塔機(jī)事故分析.http：//www.tadiao365.com/kzsh.asp？%20MenuID=&keywords;=&id;=2&Search;%20Type%20ID=&page;=1.

[5]C.John，Smith，Quality is key to safety.Crane Today，1998（03）：11-18.

[6]S.Nwana.Softwanre agnets：an overview.The knowledge Engineerring Review，1996，11（3）：205～244.

[7]LIEBHEER.TheLitronic crane control system，1997.

[8]Yamada，Suzuki.Y.Anti-swing control of the container crane by fuzzy control. IECON Proceedings，1993，（l）：230～235.

[9]Kyurg Whan Qh.Abronham.Kandel. A General purpose Fuzzy Inference Mechanism Based On Complication. Fuzzy Sets and System.1991.39.

[10]郭風(fēng)雷，胡大可.基于GPRS的起重機(jī)械監(jiān)控系統(tǒng)[J].機(jī)床與液壓，2005，2：137-138.

[11]賈永峰.塔式起重機(jī)多源信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[D].西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005.