【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 當(dāng)前塔機(jī)的工作狀態(tài)。 (3) 系統(tǒng)高度集成化 采用集中分布式的基本結(jié)構(gòu)，以高性能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)做中央控制單元，將運(yùn)行控制系統(tǒng)、自診斷監(jiān)控系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行集成。以高性能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)第 1 章 緒論 6 做中央控制單元，實(shí)行運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、故 障信息的顯示與存儲(chǔ)并報(bào)警、監(jiān)視各個(gè)智能監(jiān)控單元的工作狀態(tài)，智能監(jiān)控單元之間相互監(jiān)控，并將獲得的參數(shù)信息通過(guò)總線技術(shù)傳送到中央控制單元。中央智能控制單元可以由單片機(jī)、 PLC、 DSP 等處理器組成，提高了系統(tǒng)的整體性能也降低了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成本。 課題主要研究?jī)?nèi)容 (1) 監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。塔機(jī)監(jiān)控參數(shù)的多樣性決定了監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)集信息采集、處理、存儲(chǔ)和管理為一體的系統(tǒng)。選擇合適精度的傳感器，精確采集所需要監(jiān)測(cè)的信息，保證監(jiān)控系統(tǒng)能夠達(dá)到所預(yù)期的檢測(cè)目的。 (2) 監(jiān)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)。在監(jiān)控系統(tǒng)方案 的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)合理的各模塊硬件電路。 (3) 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。監(jiān)控軟件部分是控制器的重要組成部分，擔(dān)負(fù)著控制器的全部邏輯運(yùn)算、 I/O 控制、人機(jī)交互任務(wù)。軟件運(yùn)行效率、時(shí)實(shí)性、交互性直接決定了整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。本文根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的需要和硬件電路設(shè)計(jì)了相關(guān)軟件。 論文解決的問(wèn)題 (1) 實(shí)時(shí)計(jì)算并顯示塔機(jī)的狀態(tài)參數(shù) ,以實(shí)現(xiàn)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。 理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 第 2 章系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 監(jiān)控方案設(shè)計(jì) 監(jiān)控系統(tǒng)信息處理單 元分析 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 硬件體第 2 章系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 8 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。 總上所述 ,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)。 監(jiān)控結(jié)構(gòu)系統(tǒng)化設(shè)計(jì) 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)監(jiān)控系統(tǒng)傳感器設(shè)計(jì) 傾角傳感器的設(shè)計(jì) 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 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。 理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 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 VCC 8 12 24 V 消耗電流 IS 50 MA 存儲(chǔ)溫度 TS 55 125 ℃ 使用溫度 TA 40 85 ℃ 中點(diǎn)輸出 X 、 Y軸 VO MA 滿度輸出 X 、 Y軸 FS RL250Ω MA 負(fù)載阻抗 RL 0 250 Ω 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) 0 28 Hz 復(fù)位精度 ≤176。 FS 線性度 θ = 177。 5176。 3‰ FS θ = 177。 8176。 5‰ FS θ = 177。 30176。 % FS θ = 177。 90176。 3% FS 稱重傳感器設(shè)計(jì) 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)第 2 章系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 10 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) IP6 IP77 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) *2YSZZFSI? ???理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 其中：YSF 為橫截面上的剪力； *ZS 為對(duì) Z 軸的靜矩； ? 為橫截面寬度； ZI 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) 小車變幅測(cè)量 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/2YSFP?2 2 3 3* 223 8 3 8 1 2Z D D d d D dS ???? ?? ? ? ? ?4464Z DdI ????22448= 3 P D D d dDd? ? ??? ?G???22448= 3 P D D d dDd?? ? ??? ? ? ? ?22448 ( 1 )23 P D D d dE D d??? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?第 2 章系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 12 碼器 [11]。增量式光電編碼器主要由光源、碼盤、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。