【正文】 對(duì)塔機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。(2) 適應(yīng)塔機(jī)復(fù)雜作業(yè)環(huán)境的信號(hào)采集系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)。(3) 提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可靠性和抗干擾能力。第2章系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)隨著現(xiàn)代化建設(shè)速度加快，各種高層、超高層建筑不斷涌現(xiàn)，塔機(jī)的工作環(huán)境變得復(fù)雜多樣。這便要求塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)能夠能夠快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地處理現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜多變的數(shù)據(jù)，以確保塔機(jī)各個(gè)環(huán)節(jié)能夠有效、安全地運(yùn)行。在整個(gè)塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中信息處理單元扮演著十分重要的角色，是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)成功與否的決定性因素。信息處理單元不僅要及時(shí)收集各個(gè)傳感器所采集來(lái)的塔機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)信息，還要按需對(duì)其進(jìn)行一系列的分析、處理和記錄，并且還要反饋給系統(tǒng)的輸出接口，從而控制整個(gè)塔機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。在深入了解塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)構(gòu)的工作原理，綜合國(guó)內(nèi)外塔式起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品的現(xiàn)狀，兼顧性價(jià)比，最終確定本次所研究的塔機(jī)平衡監(jiān)控系統(tǒng)要求能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)塔機(jī)傾角、起重重量、小車幅度以及起重力矩等參數(shù)。在目前，國(guó)內(nèi)塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用的信息處理單元有主要由以下幾個(gè)解決方案：(1)以單片機(jī)為中央處理核心。目前國(guó)內(nèi)的單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)成熟，其成本相對(duì)較低，在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣闊。單片機(jī)系統(tǒng)具有體積小、便攜性能好、功耗低、使用者眾多等優(yōu)點(diǎn)。目前的單片器在芯片上集成了更多的功能,例如如先進(jìn)的A/D接口、數(shù)字信息處理功能以及靈巧的電源功能等。隨著最新的亞微米CMOS工藝技術(shù)運(yùn)用于單片機(jī)上，單片機(jī)的運(yùn)算速度有了很大的提高。 (2)以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為中央處理核心。工控機(jī)在主機(jī)接口、網(wǎng)絡(luò)通訊、軟件兼容性以及軟件升級(jí)等方面都遵守開(kāi)放性原則。這有利于系統(tǒng)擴(kuò)充、不同系統(tǒng)之間的連接、軟件的移植和互換。其可靠性比較高，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力比較強(qiáng)，實(shí)時(shí)性也比較好。其后備措施比較齊全，擁有后備供電、存儲(chǔ)器信息保護(hù)、手動(dòng)/自動(dòng)操作、緊急事故切換裝置等。但是工控機(jī)的體積比較大，不易于攜帶，功耗高。而且運(yùn)用于塔機(jī)監(jiān)控也不太可能將龐大的工控機(jī)放在塔機(jī)操控室。(3)以PLC為中央處理核心。PLC是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)。其采用大規(guī)模集成電路技術(shù)，在加上嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，使其具有很高的可靠性、抗干擾能力、配置靈活、編程簡(jiǎn)單一、使用比較方便、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。但是PLC體系比較封閉，沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。這也使得不同生產(chǎn)廠家所生產(chǎn)的PLC硬件體系互不兼容，編程語(yǔ)言及指令系統(tǒng)也各不相同，其通用性差，可擴(kuò)展性差，不利于塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的拓展?？偵纤?由于系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)要求,同時(shí)又考慮到目前開(kāi)發(fā)能力。本文采用了單片機(jī)為中心處理器的方式來(lái)開(kāi)發(fā)塔機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。塔機(jī)平衡監(jiān)控系統(tǒng)集結(jié)了單片機(jī)、傳感器、傳輸反饋模塊，各塊協(xié)同配合，共同完成。對(duì)塔機(jī)工作的起升、小車變幅進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤反饋，從最大限度上保障塔機(jī)的安全工作。設(shè)計(jì)的基本原理為：將傳感器（稱重傳感器、力矩限制器、角度傳感器等)采集的塔機(jī)實(shí)時(shí)信息先進(jìn)行信號(hào)放大，再將放大后的信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送入單片機(jī)進(jìn)行分析、運(yùn)算、處理和存儲(chǔ)。然后通過(guò)LCD顯示屏將相關(guān)的信息顯示出來(lái)。另一方面，單片機(jī)將處理后的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)內(nèi)部中預(yù)先設(shè)定的重量、角度、小車幅度、起重力矩等數(shù)值進(jìn)行比較，當(dāng)達(dá)到或超過(guò)預(yù)設(shè)的數(shù)值時(shí)發(fā)出報(bào)警，并且輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，斷開(kāi)塔機(jī)向危險(xiǎn)方向的控制電路，從而達(dá)到安全保護(hù)的目的。 塔機(jī)在工作中會(huì)受到吊重的影響以及在有風(fēng)的情況下會(huì)發(fā)生輕微的傾斜,如果不了解塔機(jī)的傾斜角,就可能在傾斜角過(guò)大的情況下發(fā)生塔機(jī)倒塌的嚴(yán)重事故。在本次塔機(jī)平衡監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)了傾角傳感器。本系統(tǒng)中選用的是北京天?？瓶萍及l(fā)展有限公司的QXJ2BZA型磁敏傾斜角傳感器，對(duì)傾角的測(cè)量從X軸和Y軸兩個(gè)方向進(jìn)行。QXJ2BZA型磁敏傾斜角傳感器是一種高精度的二維傾角傳感器。它采用高性能半導(dǎo)體磁敏電阻作為其敏感元件（簡(jiǎn)稱為MR元件），當(dāng)外界磁場(chǎng)變化時(shí)，它的阻值會(huì)產(chǎn)生數(shù)倍的變化。為了使MR元件能夠充分感應(yīng)外界磁通量的變化,傳感器采用自動(dòng)擺來(lái)帶動(dòng)永磁體來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)，將MR元件與永磁體之間產(chǎn)生的相對(duì)角度的變化轉(zhuǎn)變成電阻阻值的變化,再通過(guò)信號(hào)變換電路將塔機(jī)的傾斜角轉(zhuǎn)換成4~20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出。其接線方式為:紅色線接電源正極，黑色線接電源負(fù)極，黃色線接X(jué)輸出信號(hào)，藍(lán)色線接Y輸出信號(hào)。具體參數(shù)指標(biāo)如表21所示。磁敏傾斜角傳感器水平安裝在塔機(jī)塔帽頂端。在安裝之前，應(yīng)確定水平位置，即調(diào)整被測(cè)平面,使傳感器X、 Y方向兩路輸出信號(hào)都是12mA (3V)。被測(cè)塔機(jī)傾斜角度的旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)該垂直于傳感器底座上的直線邊。表21QXJ2BZA型磁敏傾斜角傳感器技術(shù)參數(shù)產(chǎn)品型號(hào)QXJBZA參數(shù)名稱測(cè)試條件參數(shù)值單位最小典型最大電源電壓 VCC81224V消耗電流 IS50MA存儲(chǔ)溫度TS55125℃使用溫度 TA4085℃中點(diǎn)輸出X 、Y軸 VOMA滿度輸出X 、Y軸 FSRL250ΩMA負(fù)載阻抗RL0250Ω中點(diǎn)溫漂177。%FS滿度溫漂40℃TA85℃177。1%FS分辨率176。頻率響應(yīng)028Hz復(fù)位精度≤176。FS線性度θ = 177。 5176。3‰FSθ = 177。 8176。5‰FSθ = 177。 30176。%FSθ = 177。 90176。3%FS起重量傳感器是將質(zhì)量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出的裝置，由于起重量傳感器在塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中的重要性，在選型時(shí)應(yīng)該注意到以下幾點(diǎn)：首先其設(shè)計(jì)許用重量應(yīng)該大于塔機(jī)的許用起吊重量；在稱重時(shí)應(yīng)當(dāng)能夠及時(shí)、準(zhǔn)確、快速的輸出信號(hào)給控制器，所以還應(yīng)當(dāng)考慮到它的靈敏度；另外，由于建筑工地工作環(huán)境的惡劣和復(fù)雜性，應(yīng)該選取密封性好可以在粉塵、潮濕的環(huán)境中工作的傳感器。傳統(tǒng)的起重量傳感器其本質(zhì)就是一個(gè)限位開(kāi)關(guān)，只能定性判斷是否超重，而不能反饋起重量到底是多少。本文采用采用了新型的軸銷式傳感器，能夠通過(guò)電信號(hào)實(shí)時(shí)反饋起重量信息。軸銷式傳感器有著精度高、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)合理、緊湊、安裝更換便利的特點(diǎn)，實(shí)質(zhì)上就是一根空心截面圓軸。在其中心孔內(nèi)凹槽中心的位置上貼有雙剪型電阻應(yīng)變計(jì)，兩個(gè)凹槽處的雙剪型電阻可以共同組成惠斯通電橋進(jìn)行測(cè)量也可以分別組成惠斯通電橋再并聯(lián)進(jìn)行測(cè)量。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖21示[5][10]。圖21銷式起重量傳感器外廓圖其輸出信號(hào)為0~20 mV電壓模擬信號(hào)，技術(shù)參數(shù)如下表：表22銷式起重量傳感器技術(shù)參數(shù)精度等級(jí)靈敏度177。輸入阻抗750177。20Ω輸出阻抗702177。2Ω絕緣電阻≥5000MΩ最大供橋電壓15V安全過(guò)載150%.溫度范圍30℃~+70℃防護(hù)等級(jí)IP6IP77輸出信號(hào)0~20mV電壓模擬信號(hào)彈性元件的應(yīng)變區(qū)為凹槽中心的空心截面，其中點(diǎn)處剪應(yīng)力最大。剪應(yīng)力可以通過(guò)測(cè)量安裝在其中的應(yīng)變片的變形來(lái)得到，相關(guān)算法如下： (21) 其中： 為橫截面上的剪力； 為對(duì)Z軸的靜矩； 為橫截面寬度； 為截面對(duì)中性軸Z的慣性矩。 (22) (23) (24) 將公式帶入得到空心截面處的剪力:(25) 其剪應(yīng)變?yōu)椋? (26)中點(diǎn)處與軸線成45O角處的主應(yīng)力、主應(yīng)變?yōu)? (27) (28)由于塔機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜多樣，地面設(shè)備、障礙物高低不定，塔機(jī)操作人員很難判斷小車工作幅度。為了防止起重臂變幅失控，小車工作幅度需要保持在一個(gè)安全的范圍。目前，小車行程限位器多用機(jī)械齒輪傳動(dòng)式的行程開(kāi)關(guān)，由于機(jī)械的頻繁接觸，限位器容易損壞，從而發(fā)生事故。本文通過(guò)傳感器對(duì)小車行程信息進(jìn)行采集，運(yùn)用數(shù)字式開(kāi)關(guān)代替原有的機(jī)械開(kāi)關(guān)，使塔機(jī)工作更為安全。小車的工作幅度可以通過(guò)測(cè)量導(dǎo)向滑輪、旋轉(zhuǎn)齒輪等回轉(zhuǎn)體來(lái)測(cè)量，而測(cè)量回轉(zhuǎn)體一般選用旋轉(zhuǎn)編碼器。旋轉(zhuǎn)編碼器根據(jù)刻度方法與編碼器的輸出形式，可以分為增量式和絕對(duì)式編碼器[11]。增量式光電編碼器主要由光源、碼盤(pán)、監(jiān)測(cè)光柵、光敏元件和轉(zhuǎn)換電路組成。增量式光電旋轉(zhuǎn)編碼器一般輸出三路信號(hào)，包括以正弦波或方波脈沖出現(xiàn)的A、B相信號(hào)以及零位信號(hào)Z。光敏元件所產(chǎn)生的信號(hào)A、B彼此相差900，利用A、B相之間的相位差，可以判斷編碼器的轉(zhuǎn)向。Z相為每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生一個(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。絕對(duì)式光電編碼器直接輸出二進(jìn)制數(shù)字信息。在其圓形碼盤(pán)上，沿半徑方向有若干同心碼道，每條碼道都是由多個(gè)透光、不透光的扇區(qū)相間組成，在碼盤(pán)的一側(cè)是發(fā)光體，另一側(cè)則是光敏元件，當(dāng)光線通過(guò)透光的扇照射到光敏元件上時(shí)，經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換及電子處理電路的調(diào)制后將位置信息以數(shù)字信號(hào)形式輸出。小車工作幅度可通過(guò)測(cè)量相關(guān)工作機(jī)構(gòu)導(dǎo)向滑輪所轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)及導(dǎo)向滑輪的半徑間接測(cè)出。當(dāng)塔機(jī)停機(jī)時(shí)，變幅機(jī)構(gòu)處于制動(dòng)狀態(tài)，只要在斷電前將小車工作幅度這個(gè)物理量存儲(chǔ)起來(lái)，開(kāi)機(jī)后再?gòu)拇鎯?chǔ)器讀出這數(shù)據(jù)即可，因而可以選用沒(méi)有記憶功能的增量式光電編碼器進(jìn)行信息采集。相對(duì)于絕對(duì)式光電編碼器來(lái)說(shuō)價(jià)格便宜，性價(jià)比高。通過(guò)聯(lián)軸器將其與變幅機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)齒輪或者導(dǎo)向滑輪相連。本文選用DBS50型輕載增量式光電編碼器，在同類產(chǎn)品中其性價(jià)比最高。其分辨率可選范圍為100~2500，工作電壓有DC ~ 5V (TTL) 、DC 7~24V (MTL) , DC ~(NPN)，電氣接口有TTL、HTL、NPN開(kāi)路集電極。使用單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理核心時(shí)，通過(guò)光電耦合器與單片機(jī)連接。 為了保證塔機(jī)的安全運(yùn)行，力矩限制器是必要安裝的裝置。我國(guó)在GB 1260290《起重機(jī)械超載保護(hù)裝置安全技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定：電氣型力矩限制器綜合誤差不得超過(guò)177。5%，機(jī)械型力矩限制器綜合誤差不超過(guò)177。8%，其顯示誤差不超過(guò)177。5%。現(xiàn)目前，最多運(yùn)用的是弓形板力矩限制器，尤其是在老式塔機(jī)上面應(yīng)用廣泛。但是其靈敏度較低，不能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地反映塔機(jī)起重力矩的變化。本文設(shè)計(jì)了一種利用檢測(cè)起重重量和小車變幅幅度來(lái)檢測(cè)塔機(jī)力矩變化的電子式力矩限制器[5]。塔機(jī)的力矩由作用力和力臂決定。其中作用力包括塔機(jī)起重重量、吊具、鋼絲繩等的重量。塔機(jī)力矩的計(jì)算公式為: (29)其中:M—塔機(jī)起重力矩。 K—安全系數(shù)；P—塔機(jī)額定起重量（包括起重重量和吊具重量）。L—吊重至塔身回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的距離（力臂）。塔機(jī)額定起重量P由軸銷式傳感器測(cè)得。力臂L由光電編碼器測(cè)得:(210)其中:d—光電編碼器安裝滑輪直徑。a—實(shí)測(cè)光電編碼器的輸出脈沖數(shù)。 n—光電編碼器每轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)。 傳感器所測(cè)得的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后與塔機(jī)額定起重力矩進(jìn)行比較，在通過(guò)力矩限制器對(duì)塔機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和控制。當(dāng)塔機(jī)實(shí)際起重力矩達(dá)到額定起重力矩的90%左右時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，達(dá)到或超過(guò)額定起重力矩時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并且斷開(kāi)塔機(jī)向危險(xiǎn)方向運(yùn)動(dòng)的信號(hào)。第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 考慮到與自己熟悉的CPU相近的芯片，在國(guó)內(nèi)有成熟的開(kāi)發(fā)條件和穩(wěn)定的供貨來(lái)源，同時(shí)考慮微型機(jī)的字長(zhǎng)、運(yùn)算速度、中斷系統(tǒng)、指令系統(tǒng)、片內(nèi)RAM、片內(nèi)ROM的數(shù)量及定時(shí)器的數(shù)量等方面，本文選用AT89C52為中央數(shù)據(jù)處理器[4]。AT89C52為40腳雙列直插封裝的高性能CMOS 8位通用微處理器，在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的8C52相同，它采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的C51內(nèi)核，主要用于會(huì)聚調(diào)整時(shí)的功能控制。其各引腳功能如下：P0口：P0口是一組8位漏極開(kāi)路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門(mén)電路，對(duì)端口P0寫(xiě)“1”時(shí)，可作為高阻抗輸入端用。在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問(wèn)期間激活內(nèi)部上拉電阻。在Flash編程時(shí)，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。P1口： P1口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門(mén)電路。對(duì)端口寫(xiě)“1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流(IIL)。與AT89C51不同之處是，（）和輸入（），F(xiàn)lash編程和程序校驗(yàn)期間，P1接收低8位地址。表31 引腳號(hào)功能特性T2，時(shí)鐘輸出T2EX（定時(shí)/計(jì)數(shù)器2）P2口:P2口是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門(mén)電路。對(duì)端口P2寫(xiě)“1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸