塔式起重機安全監控系統的設計*

張慶豐 陸 凱 吳 鋒 史 海 丁高耀

寧波市特種設備檢驗研究院 寧波 315048

0 引言

目前，塔式起重機（以下簡稱塔機）安全事故時有發生，并呈現逐年遞增的趨勢。為有效降低違章操作帶來的風險隱患，減少塔機事故，塔機安全監控系統應運而生。塔機安全監控系統的應用給施工企業安全管理部門提供了一種全新的科技管理手段，降低塔機在施工現場發生安全事故的頻率。塔機監管部門通過監控系統對工地塔機運行情況進行掌控，實現了由過去盲目的、粗放的監管向準確、精細監管的轉變。

近年來，國內在塔機監控智能化領域的研究不斷深入，在此期間不斷有研究成果和產品出現。國內某公司開發的塔機安全監控管理系統 GBST-100[1]可使塔機安全監控前端監控裝置和后端遠程監控平臺無縫融合，可在實現塔機現場安全監控的同時通過遠程高速無線數據傳輸，將塔機運行工況安全數據和報警信息實時發送到遠程GIS可視化監控平臺，并模擬塔機的全方位運行狀態，實現實時動態的遠程監控、遠程報警和遠程告知。某大學研究開發了一種基于信息技術的塔機遠程安全監控系統[2]，該遠程安全監控系統是綜合了網絡技術、通信傳感技術、信息通訊技術等高科技的智能平臺，實現對塔機運行狀況的實時安全監控，只要GSM網絡覆蓋到的地方都在可監控的范圍內，實現了在辦公室登錄互聯網即可查看塔機的工作參數。

本文建立的塔機安全監控系統以dsPIC30F系列數字信號控制器為控制核心，采用以CAN總線為通訊方式的主從2級控制方式，可對塔機的起升高度、回轉角度、回轉幅度、起重量限制器等關鍵信號進行采集處理。若信號數據值超過額定值，系統能發出預警或切斷線路禁止塔機繼續向危險方向運行。該系統不但能通過LCD液晶顯示技術對塔機的狀態信息進行實時顯示，有效提高人機交互功能，而且經USB主從機數據存儲系統，可將數據存儲至U盤中，為分析塔機的工作狀態提供依據，并加入4G DTU無線傳輸模塊，實現塔機工作狀態數據通過塔石云服務云平臺上傳至遠程監控中心，為監察部門提供塔機工作狀態數據創造條件。

1 總體系統設計

整個監控系統分為塔機端和遠程端，塔機端和遠程端采用4G DTU無線傳輸模塊，而塔機端的主從控制系統采用CAN通訊，如圖1所示。

圖1 監控系統總體架構圖

遠程監控中心包括客戶端和服務器。客戶端通過端口接收4G DTU模塊發送塔機的工作狀態數據，并通過上位機軟件對塔機狀態實施監控。塔機端包括主控系統和數據采集從控系統，數據采集從控系統讀取、處理、存儲關鍵信號值，再通過CAN總線把關鍵信號數據發送給主控系統。主控系統判斷從控系統發送來的數據是否達到預警值，是否需要發出報警或者切斷信號指令，并實現LCD液晶顯示，工作狀態信息存儲和4G DTU無線傳輸模塊等功能。該系統軟件包括遠程監控端軟件實現的上位機功能和塔機端下位機軟件實現的下位機功能。

1.1 遠程監控端軟件實現的上位機功能

在遠程監控中心端通過塔石云服務云端建立4G DTU 塔機工作狀態數據通訊鏈路，在監控中心PC端以圖表形式實時顯示塔機起升高度、幅度、回轉角度和起重量限制器。若參數超限，塔機端和遠程監控中心端同時報警，并可在遠程監控中心端發出控制命令，通過無線通訊實現對塔機端的控制。

1.2 塔機端下位機軟件實現的下位機功能

1）關鍵信號的采集、處理、存儲，并讀取存儲的報警數據；

2）CAN模塊設置，實現主從控系統的數據通訊和命令控制；

3）主控系統端鍵盤輸入、液晶顯示以及報警控制；

4）dsPIC30F主控系統串口UART設置，實現主控系統與USB存儲模塊和4G DTU 無線傳輸模塊的通訊。

2 監控系統模塊設計

2.1 主從控制系統控制器的選擇

dsPIC30F數字信號控制器[3]既擁有16位單片機功能強大的外圍設備和快速中斷處理能力，又兼具數字信號處理器的計算能力和數據吞吐能力，融合了可管理高速計算活動的數字信號處理器功能，執行指令速度可達30 MIPS。

dsPIC30F4012帶有28個引腳、6個10位A/D轉換通道、1個CAN2.0總線模塊、8個CN電平變化輸入、3個外部中斷源，其功耗低，能在工業級溫度和擴展級溫度范圍內工作，適應很寬的工作電壓。dsPIC30F4012外圍的配置及性能完全能滿足監控系統對關鍵信號數據的采集、處理和通訊，故選用dsPIC30F4012為從控系統控制器。dsPIC30F4012的最小系統電路如圖2所示。

圖2 dsPIC30F4012最小系統電路圖

LCD顯示和報警控制模塊需占用主控制器較多的I/O口，約需20～30個引腳。4G DTU無線傳輸模塊、數據存儲模塊共需占用2個UART口，而dsPIC30F6010自帶80個引腳，其中54個為可編程數字I/O口，2個帶有FIFO緩沖區的UART模塊，2個符合2.0B協議標準的CAN模塊，故選用dsPIC30F6010為主控系統控制器。dsPIC30F6010的最小系統電路與dsPIC30F4012類似，不再累述。

2.2 數據采集從控系統

1）電壓型信號采集從控系統

起升高度值、回轉角度值、幅值的采集傳感器采用的均為DXZ型多功能行程限位器。DXZ型多功能行程限位器主要由高精度大傳動比的減速器和與其輸出軸同步的機械記憶凸輪控制機構、角度傳感器（電位器）組成，如圖3所示。

圖3 DXZ型多功能行程限位器

該傳感器對關鍵信號的采集主要由電氣信號與機械信號共同作用，對角度傳感器施加規定的工作電壓，隨著塔機的起升、回轉、變幅機構卷筒軸帶動行程限位開關輸入軸的旋轉，使角度傳感器信號輸出端產生電壓產生變化。因此，通過記憶凸輪動作微動開關的零點校正及監測角度傳感器輸出端電壓信號，即可實時監控塔機的起升高度、回轉角度及幅值。

以DXZ型多功能限位器為例，其精度等級為0.05，絕緣電阻為750Ω，防護等級為IP66，靈敏度為1.0 mV/V，最大供橋電壓為15 V，輸出信號為0～9 V電壓模擬信號。

由此可見，電位器的輸出信號為0～9 V的電壓模擬信號，而dsPIC30F4012的A/D轉換通道的電壓信號輸入范圍是0～5 V，A/D轉換的基準電壓也為5 V，故需對電位器的輸出電壓范圍調整至0～5 V。圖4為從控系統控制器采集電位器輸出電壓的電路，輸出信號通過由精密放大器OP27組成的電壓跟隨器的阻抗匹配，又經電阻R2、可調電阻R3、R5的分壓作用，使輸出信號的電壓范圍在A/D通道的輸入范圍內。輸出端2個穩壓二極管的作用是使輸出電壓信號鉗位在0～5 V，保護dsPIC30F4012的A/D端口。

圖4 電壓信號采集原理

2）電流型信號采集從控系統

起重量限制器可選用ZX軸銷式傳感器，如圖5所示，其精度等級為0.05，輸入阻抗為750Ω，絕緣電阻≥5 000 MΩ，防護等級為IP66，靈敏度為1.0 mV/V，輸出阻抗為750Ω，最大供橋電壓為24 V，輸出信號為4～20 mA電流信號。

圖5 ZX軸銷式傳感器

由此可見，起重量傳感器的輸出信號為4～20 mA的電流模擬信號，首先要轉化成電壓信號，如圖6所示。電流信號經精密放大器輸入端的2個精密采樣電阻R61、R62轉化成電壓信號，其余電路原理與電壓信號采樣原理類似，經阻抗變換和電阻分壓后，通入A/D轉換口。

圖6 電流信號采集原理

2.3 CAN通訊模塊

塔機監控系統的底層傳感器信號采集系統需要實時向主控控制器發送工作狀態數據，且能接收主控系統的命令。要求實時性好、可靠性高、信號采集點可擴展，一個傳感器采集模塊的增加、減少和破壞，不會影響其余節點的數據通訊。CAN通訊不僅傳輸速度快、抗干擾性強、適合于構建分布式控制系統[4]，且能根據CAN模塊中設置過濾屏蔽功能來決定是否接收該報文，故CAN通訊適用于塔機的安全監控系統中。

為使監控系統中各個數據采集從控系統獨立與主控系統傳遞數據，而各從控系統保持互不干擾，相互不接收數據，可通過設置報文幀的ID值、CAN模塊屏蔽寄存器和接收過濾器的設置來實現。從控系統與主控系統間的CAN通訊硬件布局如圖7所示，可根據實際需要增加塔機工作狀態數據節點。

圖7 CAN節點硬件布置

2.4 USB數據存儲接口電路

塔機安全監控系統的數據存儲模塊選用深圳某公司的串口記錄儀，如圖8所示。塔機的工作狀態數據經從控系統控制器dsPIC30F4012的CAN控制器發送到CAN總線，主控系統控制器接收到數據后，經主控制器的串口UART模塊發送給串口數據記錄儀，從而將塔機的工作狀態數據存儲在記錄模塊的U盤上。

圖8 串口數據記錄模塊

該記錄儀與主控控制器的接口電路十分簡單，只需要互連兩者的UART模塊端口。主控系統存儲塔機工作狀態數據主要通過主控芯片對記錄儀實行串口通訊來實現，對記錄儀的操作主要包括數據的存儲和存儲文件的操作指令。

1）數據的存儲 引腳ST端口為高電平，記錄儀處于數據傳輸模式。數據存儲只需主控系統通過串口向記錄儀直接發送數據，無需任何指令，自動將串口數據保存到U盤。

2）存儲文件操作指令 此時引腳ST端口為低電平，記錄儀處于指令操作模式。常用的文件操作指令有讀磁盤數據、刪除文件、復位、新建目錄文件夾等，新建子目錄文件夾、TXT與16進制顯示選擇。若要執行以上文件操作指令，需要主控系統向串口記錄儀發送命令字，當記錄儀接收到命令字，發出對應的相應，則表示執行相應的指令成功。串口記錄儀的運行流程如圖9所示。

圖9 串口記錄儀運行流程圖

2.5 4G DTU無線傳輸模塊

為了實現塔機工作狀態數據實時發送到遠程監控中心，需要在塔機端和遠程監控中心端配備無線通訊設施，可采用4G DTU TAS-LTE-363無線傳輸設備，如圖10所示，圖11為塔石設備的應用原理。

圖10 TAS-LTE-363無線設備

圖11 塔石設備應用原理圖

通過該遠程無線傳輸設備，塔機端和監控端的數據傳輸方式有點對點和多對一。點對點傳輸方式是在塔機端和監控端分別配置一塔石設備，通過在塔機端和監控端對塔石設備實施串口數據通訊，即可實現1臺塔機的工作狀態數據遠程傳輸給監控中心。如果監控中心要對多臺塔機實時監控，則需采用多對一的傳輸方式。每個塔機端需要配置1臺TAS-LTE-363，在監控端配置1臺TAS-LTE-363，監控端塔石設備采用輪詢的方式接收塔機端塔石設備的數據，即可在監控端顯示塔機的工作狀態。同理，在監控端發送命令數據，通過塔石設備和塔石云服務云平臺可對塔機端實施控制。

TAS-LTE-363的硬件接口很簡單，在遠程監控端用標準RS232接口連接PC機和塔石設備。在塔機端，主控制器上的UART接口連接TTL轉232模塊，再連接TAS-LTE-363上的RS232接口。該設備只需在軟件上通過簡單的串口通訊操作，即可實現塔機端到遠程監控端的雙向數據透明傳輸。

2.6 預警控制模塊功能

1）若塔機的工作狀態參數達到報警值，則蜂鳴、燈光顯示起報警作用；

2）工作狀態值繼續增大，影響到塔機安全使用時，必須停止機構向危險方向繼續運行。這就需要主控系統控制器的I/O口輸出動作信號，經過驅動電路，使串入到機構運行電氣線路中的繼電器動作，從而切斷相應機構繼續向危險方向運動，確保塔機安全運行。

3 監控系統精度性能分析

3.1 采集單元精度分析

監控系統對起升高度、回轉角度、幅值等關鍵信號的采集采用DXZ多功能限位器中的電位器來測量，從電氣方面看，關鍵信號值的采集精度主要取決于電位器的非線性度和A/D轉換器的轉換精度，電位器的獨立非線性度為0.1%, 10位AD轉換非線性度為0.5%，遠小于GB/T 28264—2017《起重機械 安全監控管理系統》對起升高度、幅度、回轉角度綜合相對誤差不大于5%的規定[5]。

起重量限制器ZX軸銷式傳感器的輸出信號是電流信號，經采樣電阻轉化為電壓模擬信號，誤差分析情況與電位器類似。ZX軸銷式傳感器的精度等級為0.05，為傳感器一級精度，起重量綜合誤差主要取決于AD轉換的轉換精度和外界干擾。同理，起重量綜合誤差也滿足GB/T 28264—2017《起重機械 安全監控管理系統》的規定。

3.2 采樣周期

dsPIC30F系列數字信號控制器指令執行速度可達30 MIPS，主從控制系統的控制器CPU執行速度快，A/D轉換器最大轉換速度為500 ksps，作為主從控制系統數據通訊的CAN模塊最大速度可達1 Mb/s。因此，在系統軟件中合理設置數據采集周期，遠遠可滿足GB/T 28264—2017《起重機械 安全監控管理系統》中系統實際程序的掃描周期不大于100 ms的規定。

3.3 存儲時間

串口記錄儀器存儲的數據自帶有時間戳，滿足存儲數據需要有年/月/日/時/分/秒的格式要求。假設串口通訊波特率為9 600 b/s，該記錄儀連續不間斷地存儲，自帶的32 GB存儲空間被存儲完需要1 a時間，遠大于標準規定需要有30個連續工作日存儲量的要求。

4 結論

1）本文搭建了一種以dsPIC30F系列數字信號控制器為控制核心的基于CAN總線的主從控制式的塔機安全監控系統，這種主從分布式控制系統方便了關鍵信號采集點的增加，只需將數據采集從控系統接入到CAN總線即可。減少了信號增加點與主控芯片間的引線，有效降低了傳感器與信號采集處理系統的距離，減小了外界對控制系統的干擾，且無需占用主控芯片的硬件資源，具有實時性好、可靠性高、易于擴展的優點。

2）確立了串口數據記錄儀為監控系統的USB數據存儲模塊，并在硬件上介紹了與主控系統間的電氣接口，在軟件上介紹了文件操作指令。這種USB數據存儲方式滿足了監控系統在實時性、存儲時間上的要求；確立了4G DTU 模塊TAS-LTE-363為塔機端與遠程監控中心端的無線傳輸模塊，為實現監管部門對塔機的遠程監控做好鋪墊。

3）根據GB/T 28264—2017《起重機械 安全監控管理系統》的相關要求，設計的塔機安全監控系統滿足在信號采集精度、實時性、歷史追溯性、存儲時間方面的要求。