起重機械安全監控系統可靠性設計

江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院 南京 210036

0 引言

2011年，為貫徹落實《國務院關于進一步加強企業安全生產工作的通知》（國發〔2010〕23號）的精神，原國家質檢總局先后發布了3個文件，拉開了安全監控管理系統在起重機械行業內的運用序幕，經過多年的試點、總結和推廣運行，形成了包括國家標準、安全技術規范檢驗要求在內的完整體系，這對保障起重機械安全運行，及時進行維護保養以及發生事故后的調查處理起著巨大作用。然而在日常檢驗中，有時也會遇到起重機械安全監控管理系統（以下簡稱監控系統）不起作用或發生故障的情況，除了部分廠家采用低檔劣質元器件的原因之外，還與設計單位忽略可靠性設計有關，本文將對GB/T 28264—2017《起重機械 安全監控管理系統》中要求的幾個關鍵單元如何開展可靠性設計進行介紹。

1 電源電路

電源電路在監控系統中為各類芯片/器件等提供電源和內部基準電壓源，其自身的可靠性關乎各類器件能否正常工作。電源部分是整個監控系統中最容易受到干擾的地方，由于電源部分一般是從供電電網變換得到，而起重機使用現場的電網往往污染嚴重，電動機、變頻器等產生的干擾極易耦合到供電電網電路中，通過監控系統電源電路引入到系統中，從而導致整個監控系統的可靠性降低。對于電源電路的可靠性設計，除了傳統的濾波、接地和屏蔽等措施外，還可以通過采用電源監控電路來提高電源電路的可靠性。

1.1 基于電源監控芯片的電源監控電路

隨著技術的發展和要求的提高，現今的芯片向低電壓、低功耗、高性能的方向發展，如DSP芯片等對工作電壓的要求非常高，一般都要求電壓偏差不超過5%。例如芯片的供電電壓為3.3 V，則電壓偏差不能超過0.165 V。否則一旦工作電壓超出這個范圍，長時間工作易縮短使用壽命甚至燒毀。電源監控芯片的作用主要是針對電路中工作電壓+5 V/+3.3 V及各級內核電源+2.5 V/+1.8 V/+1.2 V進行電壓的監控及失效防護。當各級電源電壓因電路元器件隨機失效，導致相應電源電壓輸出中斷或跌落時，一旦實際電壓值低于門限電壓值，電源監控芯片將產生復位信號，對系統進行復位，保證系統進入安全狀態。電路示意圖如圖1所示。

圖1 基于電源監控芯片的電源監控電路示意

1.2 基于主控制器模擬量電壓采集的電源監控電路

該電路主要利用主控制器（MCU/DSP等）自帶的A/D轉換功能，對電路中系統工作電壓如+5 V/+3.3 V電壓進行采集并監控。當系統工作電壓因電路硬件隨機失效導致電源中斷或低于相關門限閾值時，主控制器根據采集的異常電壓值，啟動相應故障-安全防護措施確保系統進入安全狀態。這種電路適用于因電路布局布線空間受限，無法采用外部電源監控芯片但又需要對系統電壓進行監控的硬件電路模塊中。采用此電路有限制條件，首先執行電源電壓采集任務的主控制器（MCU/DSP等）內部須帶有A/D采集功能。其次是執行電源電壓采集任務的主控制器（MCU/DSP等）須采用和被監控電壓不同回路的電源供電，以確保其供電電源的獨立性。電路示意圖如圖2。

圖2 基于模擬量電壓采集的電源監控電路

2 輸入采集電路

監控系統中的信息采集單元需要將各傳感器和其他待測設備的模擬或數字量自動采集信息進入信息處理單元。一般而言，數字量可直接進入信息處理單元，而對于模擬量，還需先進行A/D轉換，將模擬量變為數字量以便于系統處理。在模擬量進入A/D轉換器前增加一個采樣保持電路，以抑制由放大器干擾帶來的轉換噪聲，降低模數轉換器的孔徑時間，提高模數轉換器的精確度、消除轉換時間的不準確性。其電路設計是基于動態采集的采集電路，對現場環境中的數字量（如開關量）/模擬量進行采集。動態采集的安全設計思想是系統對外生成動態脈沖門控信號，該門控信號對外部輸入信號進行調制，一旦輸入采集通道發生硬件隨機失效，或因為外部強干擾，出現粘連或凍結情況時，系統均采集不到動態脈沖，此時會將系統輸入置成安全狀態值，從而保證系統安全。

如圖3所示動態采集電路示意圖，當外部輸入為0 V時，系統采集到0；當外部輸入為24 V時，系統采集到動態脈沖。從而對外部通道的各類失效、尤其是凍結故障進行有效識別和監控。

圖3 動態采集電路示意圖

3 輸出控制電路

安全監控系統控制輸出單元是輸出控制信號的裝置，通常包括晶體管型和繼電器型兩種輸出模式，用于對外部設備提供驅動電壓或開關控制。由于控制輸出單元對應系統的止?？刂乒δ?，其不響應或誤動作都會影響到起重機整機的安全運行，故除了傳統使用光隔器件外，本文介紹一種控制輸出電路中增加安全與門的方法，如圖4所示，采用安全與門這一固有式故障安全器件，對輸出通道上各類硬件隨機失效進行有效防護，一旦輸出通道上發生任何失效，DO通道輸出值都將導向故障-安全狀態，從而保證系統安全。

圖4 安全與門輸出控制電路

4 軟件系統的可靠性

由于起重機使用現場復雜，無論監控系統的信息處理單元采用單片機（含ARM）、PLC或工控機，通常都存在各種大量的干擾源，容易產生軟件時序錯誤或寄存器中內容突變等問題，導致程序跑飛或進入死循環。因此在保證硬件可靠性的基礎上也需要提高軟件的可靠性。

軟件可靠性設計首先得提升軟件自身的本質可靠，設置合理的時序，減少程序自身錯誤和缺陷。其次是采用軟件抗干擾措施，例如采用冗余指令、軟件陷阱和程序監視定時器等。

程序監視定時器又稱看門狗（WDT，Watch Dog Timer），實質上是一個需要定時清零（喂狗）的計時器，否則會觸發復位信號?？撮T狗功能的實現可分為硬件和軟件兩種方式，或是兩種方式結合。如圖5所示，硬件看門狗是采用專用外部芯片，在主控制器（MCU/DSP等）外部，選擇獨立的硬件看門狗芯片（如MAX813L、MAX708等），對主控制器內部程序運行情況進行監控。一旦主控制器內部程序軟件出現異常，主控制器將無法繼續給看門狗芯片發送喂狗指令，當超過設定的時間限值，看門狗芯片將輸出復位信號并對主控制器進行復位，確保系統進入安全狀態。軟件看門狗是利用主控器件（MCU/DSP/PLC等）內部定時器進行計數，一般使用定時器中斷（PLC有專門的指令，如S7系列采用的WRD指令），軟件看門狗的優點是無需外加芯片，動作時僅是程序重新運行，而硬件看門狗需要對主控芯片進行上電重新復位。但軟件看門狗畢竟是程序，如果外部干擾過大會受到影響，導致功能失效，最好還是采用軟硬結合的方式。

圖5 基于外部獨立看門狗芯片的硬件看門狗監控電路示意

5 結語

隨著起重機械電控系統向智能化方向發展，其與安全監控管理系統的結合越來越緊密，對電控系統的可靠性要求也越來越高。監控系統的可靠性關系到起重機械是否能夠安全運行，而目前國內起重機械電控系統設計規范還不夠完善，特別是針對安全監控系統的可靠性設計尚無明確的要求，需要結合行業特點進一步的研究。