塔式起重機安全監控系統設計要點分析

周洪，陳強

（重慶中建機械制造有限公司，重慶 401325）

1 引言

目前，塔機在智能監控、安全預警、智能化管理方面存在不足，使相關機械設備使用中安全隱患較大。在此背景下，利用最新技術手段做好塔機的安全監控十分重要。本文選取安全監控系統設計作為研究出發點，分析塔機安全監控相關問題并論述系統設計要點，以滿足安全管理需求。

2 塔式起重機安全監控系統設計方案

該系統由遠程端和塔機端組成，二者均搭載無線傳輸模塊。遠程端又分為服務器和客戶端兩部分，其中，客戶端可經由端口接收模塊對塔機狀態參數進行實時傳遞，并經由上位機軟件監控塔機。塔機端可以拆分成采集系統和主控系統，采集系統負責采集并存儲運行參數，確保各項參數均能經由CAN 總線到達主控系統，由主控系統根據所獲得參數判斷塔機是否存在安全隱患并發布相應指令，與此同時，將各項參數展示在顯示屏上[1]。由此可見，對該系統而言，上位機及下位機的操作存在明顯區別。

1）上位機功能為：基于服務云端打造通信鏈路，確保塔機回轉角度、高度及其他運行參數均能經由顯示屏得到實時展示，一旦出現參數超限情況，監控中心、塔機端將同步發出預警，隨后由監控中心發布相應指令，從而達到對塔機端運行狀態加以控制的目的。

2）下位機功能為：采集、分析并存儲運行參數；經由CAN模塊控制參數的傳遞；顯示參數分析結果，視情況決定是否發布預警；為傳輸模塊、存儲模塊及主控系統提供穩定、高效的通信路徑。

3 塔式起重機安全監控系統設計要點

3.1 系統架構

3.1.1 感知層

該層可以拆分為監控對象、監控終端和傳感器3 部分，強調以傾角、風速及高度傳感器為依托，實時獲取塔機運行參數，由監控終端負責放大、調整或轉換采集所得參數，為后續分析、處理參數的操作提供便利。工作人員可根據處理結果判斷塔機運行的安全性，同時監控終端可以借助圖形與數字相結合的方式，將塔機狀態展示在顯示屏上，確保工作人員能夠實時了解塔機情況并做出相應決策，使塔機穩定、高效運行。

3.1.2 網絡層

該層主要負責連接感知，感知層經由網絡層將傳感器所采集參數同步至用戶平臺和服務器，并對服務器所發布指令進行接收。現有參數傳遞模式主要分為無線與有線傳遞，由于塔機高度較高以及施工區域往往存在大量障礙物，有線傳遞的成本及效果均難以保證，故決定選用無線傳遞模式，通過5G+LoRa 方式，使參數得到快速且準確的傳遞[2]。

3.1.3 應用層

該層的服務對象為監控人員，可根據服務需求、功能需求，為工作人員提供相應平臺，通過建立運算模型，使塔機獲得精確管理。該層可細分為應用服務層、支撐層。

1）服務層為人機交互接口，主要負責為工作人員提供其所需的報警管理、實時監測和參數分析等服務，保證工作人員能及時了解塔機狀態，解決潛在問題，使監控效率及整體水平達到預期。

2）支撐層可經由防火墻、應用接口及參數庫處理并存儲網絡層所提供參數，防火墻負責保證系統安全運行，應用接口負責為客戶端、服務器提供交互渠道，參數庫負責存儲各項參數。

3.2 軟件設計

系統軟件設計方案有兩種：裸機系統與多任務系統。

1）裸機系統又包括前后臺和輪詢系統兩種。輪詢系統強調先對軟件運行所需件進行初始化，再通過無限循環方式對函數進行調用，使系統發揮應有作用，若任務順序固定，則可使用該系統加以管理，如存在緊急事件，該系統將難以發揮應有作用。

2）多任務系統搭載中斷機制，能降低事件丟失或類似問題的發生率，使程序更具實效性。需注意，若軟件規模相對較大，即便引入多任務系統，仍然無法獲得符合預期的時效性。系統以重要等級為依據，對各項任務進行調度與管理，通過中斷完成事件響應，在任務中處理事件。

考慮到實際運行期間，監控中心需要同時監控多臺塔機，對參數存儲、無線通信等環節要求較高，故決定使用多任務系統，要求設計人員先編寫終端軟件，再以安全監控需求為依據劃分任務，根據不同任務特點分別配置相應硬件，待創建任務環節告一段落，該系統即可正式投入運行。

3.3 硬件設計

3.3.1 控制器

系統選用dsPIC30F 控制器搭載CAN 模塊1 個、中斷源3個、轉換通道6 個、電平變化輸入8 個、引腳28 個，其優點主要體現在：外圍設備選擇多，可以快速中斷處理；能準確、高效地完成計算、吞吐參數等操作；響應速度高達30MIPS 左右[3]。

3.3.2 采集模塊

1）采集電流信號。起重量限制器為軸銷傳感器，其性能參數如下：精度等級為0.05；絕緣電阻≥5 000 MΩ；輸入電阻值、輸出阻抗值為750 Ω；防護等級不低于IP66；拱橋電壓≤24 V；靈敏度可達1 mV/V。研究發現，傳感器所發出信號多為4～20 mA，通常先將模擬信號轉換為電壓信號，再對其進行分壓處理，最后將經過轉換、分壓的信號傳遞至轉換口。

2）采集電壓信號。采集傳感器選用DXZ 行程限位器，該限位器可以拆分成電位器、控制機構和減速器等部分，用于機械信號、電氣信號的采集，通過向傳感器施加電壓的方式，促使限位器勻速旋轉，確保傳感器電壓發生變化，由此達到對塔機回轉角度、幅值和高度進行實時監控的目的。具體性能參數如下：精度等級為0.05；防護等級在IP66 或以上；絕緣電阻值為750 Ω；拱橋電壓≤15 V；靈敏度達1 mV/V；模擬信號輸出值處于0～9 V[4]。

3.3.3 傳輸模塊

為保證塔機運行參數可以實時傳遞至監控中心，技術人員決定分別在監控中心、塔機內部增設傳輸設備（見圖1），使監控終端、塔機終端多對一或一對一傳遞參數的設想成為可能。如果監控中心需要同時監控多臺塔機，應通過多對一的方式傳遞參數，其中，監控中心、各塔機內部均應安裝傳輸設備，監控終端可對塔機參數進行實時接收，同時經由云平臺發布指令，達到控制塔機運行的目的。一對一傳遞則需要分別在監控終端、塔機內部增設塔石設備，由塔石設備負責傳遞參數。系統所搭載傳輸設備型號為TAS-LTS-363，該設備具有硬件接口簡單的優點，僅需依托軟件完成串口通信相關操作，便能及時、準確傳遞參數。

圖1 傳輸設備

3.3.4 通信模塊

采集模塊負責將運行參數同步至控制器，同時對主控系統所發布指令進行接收，需要具備良好的可擴展性、實時性及可靠性，確保即使某采集模塊被破壞，其他節點仍然能維持正常運行。考慮到現有通信模塊中CAN 通信在抗干擾能力、傳遞時效性等方面的表現最為突出，加之該模塊可以通過屏蔽、過濾方式，對報文進行選擇性接收，故決定將該模塊用于安全監控系統，通過增設過濾接收器、屏蔽寄存器的方式，保證采集、傳遞參數等環節互不影響（見表1）。

表1 通信模塊運行狀態

3.3.5 存儲模塊

存儲模塊為串口記錄儀（見圖2），塔機運行參數可經由控制器到達總線，控制器負責將所接收參數同步至串口記錄儀，確保各項參數均能夠得到及時且準確的存儲。串口記錄儀的優點在于接口電路簡單，通常僅需將其端口與控制器端口相連，便可直接投入使用，并通過串口通信的方式，接收并存儲參數、各項指令。存儲參數時，引腳端口處于高電平狀態，此時，主控系統可直接經由串口傳遞參數，由處于傳遞狀態的記錄儀自動接收并存儲參數。存儲指令時，引腳端口處于低電平狀態，設備運行模式由參數傳遞變更為指令操作，先由主控系統發布相應命令字，確保命令字能準確傳遞至記錄儀，再由記錄儀接收、存儲并執行指令。

圖2 串口記錄儀

3.3.6 預警模塊

如果塔機運行參數達到預警值，應亮紅燈并發出預警。如若運行參數持續加大，則應終止設備運行，此時，由主控I/O 口發布指令，指令經由驅動電路到達繼電器，繼電器根據指令切換運行狀態，通過更改電氣線路運行狀態終止設備運行，為塔機安全提供保護。

4 結語

本文分析的設計系統為主從分布系統，僅需將采集系統與CAN 總線相連，便能對塔機運行參數進行實時采集。其優勢包括：縮短系統和傳感器之間的距離，使外界因素對系統造成的影響降至最低；不需調用主控芯片所搭載硬件資源；擴展難度小，性能可靠且具有良好的時效性。此外，該系統還對參數存儲方式進行了創新，在無線傳輸模塊的配合下，使遠程監控塔機的設想成為現實。未來，有關人員應從存儲時間、采集精度和歷史溯源性等角度出發，對該系統進行優化，由此保證最大化地實現其價值。