基于物聯網的塔機遠程安全監(jiān)控系統設計解析

趙洪

(成都新泰高科技術有限公司,四川 成都 611731)

塔式起重機在建筑領域中應用相對廣泛的一種設備,具有安全性、可靠性。根據塔式起重機的應用經驗,該設備運行參數直接決定了安全性,所以,針對塔機運行過程需要加強運行監(jiān)控。為了滿足塔機運行監(jiān)控的基本要求,信息化時代下開始設計在線監(jiān)控系統,實時采集塔機運行參數,通常利用傳感器現場布線這一形式,但該方法也面臨一些問題,比如布線作業(yè)難度高,而且監(jiān)測節(jié)點缺乏靈活性和實時性,一旦塔機存在違規(guī)作業(yè)現象,無法及時預警。對于上述問題,在現有監(jiān)控系統基礎上研發(fā)塔機遠程安全監(jiān)控系統。系統研發(fā)與設計階段,使用測量終端采集塔機運行參數,并對已經采集到的參數進行處理,利用數字濾波保證測量準確性。濾波處理后的參數利用WSN 網絡(wireless sensor network,無線傳感器網絡)起到傳輸數據的作用,經過協調器節(jié)點,再由網關遠程傳輸到監(jiān)控中心,以此完成塔機運行狀態(tài)在線監(jiān)控,不僅能夠保證塔機的安全運行,還可以提高在線監(jiān)控時效性。

1 物聯網與塔機運行監(jiān)控原理

物聯網技術在塔機遠程安全監(jiān)控系統的設計中,應用主要起到的是動態(tài)監(jiān)管這一職能。塔機運行期間,要想更加全面地了解其運行狀態(tài),除了深入現場進行安全檢查之外,還可以利用該遠程監(jiān)控系統對其運行狀態(tài)進行監(jiān)控與跟蹤,系統結構如圖1。

所有物聯網技術中,設計系統采用RFID(Radio Frequency Identification,射頻識別技術)、GIS(Geographic Information System,地理信息系統)和傳感器等[1]。例如針對運行狀態(tài)的監(jiān)控,利用物聯網技術的傳感器、GIS 技術,可以實現起重力矩、起重量、安全保護裝置等的監(jiān)控,對于系統高度集成化的設計,塔機安全監(jiān)控系統具有集成化特點,尤其是遠程控制系統、運行保護控制、智能安全監(jiān)控之間的集成化,實現統一監(jiān)控,利用集中分布式結構,選擇性能較高的計算機系統當作CPU,監(jiān)控運行狀態(tài),傳感器運行原理如圖1[2]。此外,監(jiān)控所有智能監(jiān)控模塊單元運行狀態(tài),而且所有智能監(jiān)控模塊還可以相互監(jiān)控,利用總線技術采集參數信息傳輸到中央控制單元。再如故障診斷與預警等功能的設計,利用傳感器技術獲取塔機狀態(tài)信息,通過神經網絡、統計學等相關技術手段處理之前采集到的狀態(tài)信息,以此來判斷塔機運行中存在的故障,并及時予以清除。

圖1 傳感器運行原理圖

2 塔機遠程安全監(jiān)控系統的設計

為了深入探討塔機遠程安全監(jiān)控系統的設計,利用物聯網設計系統,下面以CXT/90-ⅡA 型塔機多功能安全監(jiān)控管理系統為例,分析該系統的設計。此系統的優(yōu)勢在于所有系統的一體化,如CXT/90-ⅡC 型塔機力矩安全保護裝置、塔機群防互撞及區(qū)域保護系統等,塔機、電腦上可以實時顯示塔機、塔機群的運行狀況,并且詳細記錄運行數據,具有防互撞與區(qū)域保護的功能,支持不同類型水平臂式、動臂式塔機的、固定式與行走式塔機混合應用[3]。簡而言之,CXT/90-ⅡA 系統兼具CXT/90-ⅡC、CXT/90-ⅡB 兩套系統功能,滿足防止塔機碰撞、控制輸出端口與“黑匣子”等諸多功能。

2.1 系統結構

CXT/90-ⅡA 型塔機多功能安全監(jiān)控管理系統是由主機顯示屏、主機控制器、軸銷傳感器、行程限制器、回轉傳感器、通訊系統、風速傳感器、控制線纜與鏈接電纜等組成,具體各個部分的介紹如下：

a.主機顯示屏。主機顯示屏采用8 寸全觸摸屏,殼體材質為鋁合金。不僅信息讀取更加方便,而且安裝使用也相對便捷。塔機運行期間,設備操作與監(jiān)管人員可以更加全面地掌握塔機工作狀態(tài)[4]。

b.主機控制器。主機控制器為24 路控制,接電設計要與塔機控制回路供電相線接電有所區(qū)別,并且重點規(guī)避電源方面的干擾。接地方面務必按照接地要求接地點,展開可靠接地,接地電阻在4Ω 以下,確保系統可以正常運行。

c.軸銷傳感器。軸銷傳感器也被稱作測力軸,按照塔機型號配置軸銷傳感器。

d. 行程限制器。行程限制器常見的型號為DXZ-W帶電位器型,如果是平臂塔機,需要有高度限位、幅度限位器,而動臂塔機則要配置高度限位、傾角傳感器,限位器比值以客戶所提要求進行配置。

2.2 系統架構

第一,感知層。參數感知層具有塔機風速、幅度、起重參數測量的功能[6]。發(fā)現檢測值不在預設閾值范圍內自動預警。

第二,傳輸層。傳輸層具有遠程無線傳輸的功能,主要傳輸對象是采集到的塔機狀態(tài)參數。

第三,應用層。運行狀態(tài)數據可利用組態(tài)軟件監(jiān)控塔機運行過程。(圖2)

圖2 塔機運行安全監(jiān)控系統架構的設計

安裝回轉傳感器時,其本身具備區(qū)域保護功能,可對塔機大臂、吊鉤、障礙物發(fā)生碰撞展開及時保護[5]。回轉傳感器支承側面使回轉傳感器小齒輪、回轉支承大齒圈更好的嚙合。

圖3 回轉傳感器(QAKJ-SLEWING)安裝設計圖

圖4 重量傳感器(QAKJ-WEIGHT)

2.3 軟件設計

2.3.1 終端節(jié)點軟件

塔機遠程安全監(jiān)控系統中的終端節(jié)點包括數據采集、數據發(fā)送這兩個模塊。數據采集模塊通電直接初始化,經過AD 轉換調取濾波算法,針對已經完成轉換的結果實施數字濾波處理,此時處理得到的結果會在LCD 上顯示,利用串口傳輸到數據發(fā)送節(jié)點當中[7]。數據發(fā)送模塊軟件的設計,在系統通電后初始化,連接網絡后切換睡眠模式,獲取定時中斷信號,便可讀取串口數據,隨之將其傳輸到協調器節(jié)點,此后便會再次切換到睡眠模式,直至下一次會傳輸中斷信號[8]。

2.3.2 數據濾波

塔機在建筑工程施工現場使用,但因施工現場環(huán)境相對復雜,而且發(fā)出的目標信號也會摻雜一些噪聲,所以便會干擾測量結果精準性。為了克服這一問題,設計塔機遠程安全監(jiān)控系統時,專門采用滑動平均濾波算法與幅濾波算法,將兩種算法組合應用,一方面可以有效抑制隨機干擾,另一方面也能夠將偶然導致的大脈沖干擾及時濾除[9]。計算時在存儲區(qū)范圍內設計數據長度(N)隊列,如果隊尾有新數據進入,那么隊頭便會有最老數據去除[10]。隊列計算期間,應始終維持數量為N 的新數據,進入隊列中的新數據需要做好限幅處理,濾掉偶然性的大脈沖干擾。

2.3.3 協調器節(jié)點軟件

調器節(jié)點的作用是接收、轉發(fā)終端節(jié)點數據。節(jié)點通電之后協調器節(jié)點獲取數據,在LCD 上顯示,隨機對數據進行分析,如果發(fā)現危險信息便會及時預警。數據分析時發(fā)現不在預設閾值范圍會自動預警,塔機數據在網關無線的作用下向監(jiān)控中心傳輸[11]。

2.4 硬件設計

2.4.1 終端節(jié)點設計

終端節(jié)點硬件設計中的STM2 處理器,主要針對信號處理電路所輸出信號實施AD 轉換,并變換模擬量[12]。經過轉換之后獲得的數據,需要及時進行數字濾波處理。完成濾波之后,數據依次傳輸到CC2530 處理器、協調器節(jié)點,期間發(fā)現不規(guī)范的處理行為STM32 處理器則會自動聯系報警模塊,及時發(fā)出驅動預警,通知現場監(jiān)理人員馬上著手處理[13]。

2.4.2 協調器節(jié)點

協調器節(jié)點硬件設計中的CC2530 處理器在接收到塔機運行參數后傳遞給STM32 處理器,處理器顯示數據,經過數據分析之后預警,最后采用網關模塊向監(jiān)控中心遠程傳輸塔機運行參數。

2.4.3 信號處理模塊

傳感器輸出信號,連接CC2530 處理器進行AD 轉換,便可獲得塔機運行狀態(tài)下的參數。此次塔機遠程安全監(jiān)控系統設計,主要采用差分放大線路和電壓跟隨器等裝置,對傳感器輸出的電壓信號進行高效處理。運算放大器遵循虛短與虛斷兩項原則,計算得出輸出電壓。計算公式如下：

公式中的U1、U0主要通過RC 低通濾波電路、電壓跟隨器可以準確連接,還可以對高頻噪聲進行有效抑制,隨之提高輸入阻抗。

2.5 系統實現與測試

塔機遠程安全監(jiān)控系統設計完成之后,需要馬上組織聯調聯試。硬件方面達到數據采集效果,軟件方面則需要達到塔機作業(yè)全過程的實時監(jiān)控。將終端節(jié)點有效焊接,并觀察監(jiān)控系統的登錄頁面與監(jiān)控組態(tài)顯示頁面,檢查塔機遠程安全監(jiān)控系統設計成效是否滿足塔機運行狀態(tài)監(jiān)控需求[14]。

3 結論

綜上所述,設計塔機遠程安全監(jiān)控系統期間運用物聯網技術,例如傳感器技術、GIS 技術等,不僅可以提高塔機運行過程的安全性,還有利于保障塔機運行穩(wěn)定性。通過遠程安全監(jiān)控系統,實時發(fā)現塔機違規(guī)操作行為以及危險隱患,及時通知管理人員著手處理,保證塔機能夠始終在安全的環(huán)境下運行。如此一來也可以為建筑工程施工提供支持,充分發(fā)揮物聯網技術優(yōu)勢,提高塔機運行安全性、穩(wěn)定性,加快實現塔機設備安全監(jiān)控的信息化、數字化轉型,也為今后塔機設備安全監(jiān)控提供技術參考。