塔式起重機防碰撞監控系統研究

(西安建筑科技大學 機電工程學院,陜西 西安 710055)

建筑施工中,交叉作業的塔機相互之間缺少聯系和制約,僅靠信號工指引,無法有效避免塔機與塔機、塔機與障礙物的碰撞問題。本文開發的塔機防碰撞監控系統,旨在解決此類問題。

1 系統構成

塔機防碰撞監控系統總體框架（圖1、圖2）包括：數據采集模塊、運算處理模塊、用戶界面、軟件部分（包括短距離無線網絡傳輸、防碰撞算法和線程管理等環節）。

圖1 監控系統結構框圖

國內塔機監控系統在硬件方面主要采用相關的編碼器或傳感器來檢測塔機運行狀態,然后通過軟件進行優化。主要涉及傳感器測量精度和運算方法研究兩方面的問題。

圖2 監控系統示意圖

2 系統硬件設計

2.1 控制箱

控制箱負責整套系統的供電、將數據傳送給顯示器并將控制指令傳送給塔機的控制系統。控制箱采用總線結構設計,由一個CAN 通訊連接板（圖3）和一塊24 路輸出的繼電器板（圖4）組成,接受主控制板的調度。控制箱通過繼電器控制接觸器來控制各電機的運轉。

圖3 CAN轉換電路板元件代號絲印圖

圖4 繼電器板元件代號絲印圖

本研究對控制箱的功能設計可以控制變頻器的輸出接口；各傳感器及顯示器分別通過5 根4芯雙絞屏蔽線連接,控制箱配備2 根24 芯信號輸出線與塔機控制繼電器相連接（圖5）。

圖5 控制箱接線圖

塔機控制箱的測試程序采用ProD05011DV3.0_TestV1.0.mhx,測試電源采用交流AC15V 電源、直流DC24V 開關電源。控制箱測試通過。

2.2 傳感器

傳感器類型有高度傳感器、幅度傳感器、回轉角度傳感器、重量傳感器。

高度、幅度傳感器共用一塊Hall傳感器板（圖6）,分別安裝在多功能限制器上,與卷筒同軸轉動。通過撥碼開關和軟件設置不同的地址來區分高度數據和幅度數據。

圖6 位移傳感器

在試驗和測試過程中,角度傳感器采集角度無法與軟件建立的坐標系對應,因此對角度傳感器安裝支架進行改裝。

重量傳感器如圖7 所示。

圖7 重量傳感器

采用ProD05011EV4.0_TestV1.0.mhx 的測試程序和直流DC15V 開關電源對傳感器進行測試。

3 系統軟件設計

3.1 短距離無線傳輸網絡的研究

群塔防碰撞現場的PC 控制主機到終端從機的距離大于100m,滿足系統現場要求的有ZigBee 技術和433MHz 技術。433MHz 技術數據傳輸速率低、只支持星型網絡拓撲結構,可靠性和穩定性較差。因此選ZigBee 模塊作為無線傳輸模塊（圖8）。

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圖8 ZigBee傳輸模塊

為提高系統效率,本系統采用透明數據傳輸方式。數據協議接收數據后進行數據校驗處理以保證數據的準確性。在無線通訊網絡搭設過程中將節點設置成中繼路由,組成一個多跳網絡,增加整個網絡的數據傳輸距離,滿足現場使用要求。

3.2 防碰撞運算方法

選擇塔機架設平面為XOY平面,塔機架設方向為Z軸方向,建立三維直角坐標系。選擇塔機群內一臺塔機作為參考塔機,同時定義為坐標原點（0,0,0),將塔機的大臂長度、平衡臂長度、塔機高度等基本參數和位置坐標通過可視化的參數界面錄入系統建立三維模型。測量區域內其它塔機與參考塔機的平面位置關系。

通過計算2 臺塔機中心點之間的距離與兩設備大臂長度的關系,確定2 臺塔機是否存在干涉作業問題,存在干涉的2 塔機在XOY平面上投影的交叉區域即為干涉區域。

本文將塔機結構簡化成空間線段,通過計算最小距離即可計算結構是否處于安全距離。設空間線段AB的A點坐標為(x1,y1,z1),B點為(x2,y2,z2),空間線段CD的C點坐標為(x3,y3,z3),D點為(x4,y4,z4)。取點P為線段AB上一點,點Q為線段CD上一點（圖9）。

圖9 塔機機構簡化的空間線段

則P點坐標(X,Y,Z)可表示為

Q點坐標(U,V,W)可表示為

PQ兩點間的距離最小值可轉化為求f最小值

對s,t分別求偏導,并令偏導數為0,可得

由式(4)可得s,t的值。如果參數s,t滿足0≤s≤1,0≤t≤1,則PQ為線段間的最小距離,否則分別求出點A和點B到線段CD的距離,點C和點D到線段AB的距離。比較4 個距離,最小值即為線段AB到線段CD的最小距離。

系統通過分析計算出塔機與固定障礙物發生碰撞的回轉角度、小車幅度和吊鉤高度,組成固定障礙物的危險區域。當塔機機構運行到危險區域后,系統下發控制指令禁止塔機繼續向危險區域運動,實現塔機對固定障礙物的避讓。

3.3 多線程技術的研究

為保證PC 端控制軟件的整體性能,數據收發、碰撞分析、數據存儲和用戶界面顯示采用多線程技術。

在Win32 下調用Windows 的API 函數編程方式實現串口通信的方式方便靈活,因此系統采用多線程Windows 的API 方式對串口進行操作。

串口操作時考慮到同步操作需要等操作完成才返回,采用異步非阻塞串口通訊方式。線程可以在不同句柄上同時執行I/O 操作,也可在同一句柄上同時進行讀寫操作,提高了對數據收發效率。

本系統程序運行中若已開啟的線程都被占用則自動開啟新的線程,當線程空閑時掛起,減少對系統資源的消耗,提升了數據收發效率,又增加了程序響應速度,保證了系統的實時性。

3.4 軟件功能

軟件具有功能主要包括系統參數設置、塔機參數設置、超載查詢、數據查詢、實時數據顯示、歷史數據查詢和碰撞分析查詢等功能,軟件界面如圖10 所示。

圖10 系統軟件界面

4 檢測系統應用實例

在試驗和測試過程中,改裝后的角度傳感器支架如圖11 所示。調整之后角度傳感器出線端指向塔機大臂方向,同時采集角度與塔機防碰撞監控系統坐標系對應。

圖11 角度傳感器

在測試過程中為提高安裝速度,重量傳感器采用三滑輪,安裝/拆卸方便快捷,且測量精度能滿足系統要求。

為驗證系統軟件的準確性和穩定性,在塔機上安裝視頻監控,通過調取硬盤刻錄機內視頻資料來驗證防碰撞軟件記錄的歷史碰撞記錄是否正確。

通過實例測試,表明了該塔機防碰撞監控系統具有性能穩定、操作簡單、界面友好、安裝方便的優點,其能夠有效準確地檢測塔機的運行情況,并對可能發生的干涉碰撞發出預警和報警信息。同時該系統可以安裝在不同型號的塔機上,檢測率和正確率高,可顯著改善塔機施工作業中的安全性和可靠性。

5 結語

塔機防碰撞監控系統是在充分考慮到塔機現場應用情況,結合安全管理要求提出的。通過現場考核,各項性能指標良好,對降低事故發生頻率提供了有效保障,達到了預期的設計目標。