基于激光测控技术的塔吊防碰撞研究

2013-09-04朱宏堂

机械工程与自动化 2013年5期

朱宏堂

（中铁一局集团城市轨道交通工程有限公司，陕西西安 710054）

0 引言

随着经济的不断发展，城市化已成为我国经济发展的必然趋势，旧城区面临拆迁，城乡结合部面临改造，甚至一些农村地区也面临着建立新城，种种这些都使得我国的建筑业发展迎来高峰。无论是拆迁还是新建楼层中，塔吊永远是其必不可少的重要工程机械。然而，在现实的施工过程中，塔吊倾倒、吊臂弯曲和碰撞等危险情况不断威胁着工程的进度以及作业人员的安全，因此在塔吊的使用过程中，安全性是其首要考虑的问题。塔吊使用过程中，由于塔基承载力不够、吊臂强度不够等造成的危险都可以在设计之初加以解决，然而对于施工面积有限且多个塔吊同时作业的施工工地，塔吊碰撞则是不可预测的，因此需对其进行实时监控。

1 塔吊群存在问题

施工中的塔吊按照其工作方式可分为动臂式和水平臂架式（平臂式），国内房屋建筑市场大多数采用平臂式。在实际应用过程中，平臂式塔吊经常会存在以下问题：

（1）施工工地位于狭小区域，四周有高层建筑或其他障碍物，施工时塔臂可能会与其发生碰撞。

（2）两个塔吊之间的位置小于两塔臂长度之和，当其在同一水平高度工作时，塔臂之间易发生碰撞。

（3）处于不同水平高度时，高位置的塔吊在作业时其所吊起的重物有可能与低位置塔吊臂发生碰撞。

（4）塔吊所吊起的重物过于靠近塔身，从而与塔吊本身发生碰撞。

2 碰撞问题的解决

要解决塔吊使用过程中可能出现的问题，其核心是确保吊臂与吊臂、吊臂与重物、吊臂与障碍物之间的安全距离，解决了距离问题，碰撞干涉问题也就会迎刃而解。

目前已有很多针对塔吊群防碰撞的研究，这些研究也取得了很好的研究成果，然而，由于塔吊主要用于房屋建筑工地，因此决定了塔吊的使用特点为短期性、高频率性。房屋的建造根据其施工周期的不同，多则一年，少则数月，工程结束后便对塔吊进行拆除，这就对防碰撞研究提出了新的要求，即可移植性。当一处工程结束后，在新的工地，由于施工环境的变化，使得原来的防碰撞装置还应能发挥作用，因此，本文提出了采用激光测控技术解决塔吊的碰撞问题。

激光测量是指由激光发射器发射出一束激光，该激光沿着发射方向向前传播，当遇到障碍物时发生反射，并沿着与传播方向相反的方向传播，当接收器接收到该激光束后，通过计时器计算该段运行的时间即可快速准确地得到光源与障碍物之间的实际距离。由于光速是非常快的，检测不会发生延时，因此可确保测量结果准确无误。本文所采用的方式为：在吊臂的多个检测部位安装激光测距仪，通过发射激光对吊臂之间的距离、吊臂与重物、吊臂与障碍物之间的距离进行测量，得到关于距离的脉冲信号。同水平位置上塔臂间距检测如图1所示。激光测距仪连接PLC控制器，通过对距离信号进行处理后，得到距离的数字信号，当距离小于安全距离时，控制器即进行相应的控制任务。控制系统的原理图如图2所示，PLC控制器与塔机控制器连接，该控制器主要对塔吊转角和吊货位置进行检测，当塔臂间距在2．5m范围内时，由PLC控制器计算并得到相应的控制信号，激活报警装置，发出警告信号；当间距在1．5m范围内时，经计算后作出相应动作，控制塔机系统自动切断其运动，强制停车并报警。

图1 同水平位置上的塔臂间距检测

图2 控制系统原理图

3 系统硬件

目前市场上的PLC品种众多，型号不一，在选择时应考虑输入输出点数、存储器的容量、扫描速度和通信功能优劣等。该控制系统的输入点数主要有吊臂与吊臂距离、吊臂与重物距离、小车位置、旋转位置；输出信号主要有回转臂位置、小车位置（向内、向外）和报警灯控制等。由于塔臂较长，传感器与PLC控制器之间距离较远，为实现较远距离通信，选用RS－485串行自由口异步通信，该通信方式的传输距离能满足要求，且抗干扰能力强，数据传输可靠。塔机控制器实现对塔机在紧急情况下的急停及减速操作，当塔吊在运行过程中出现碰撞危险趋势时，由PLC发出数字信号，塔机控制器接收后通过信号放大，对塔机驱动电机进行具体有效的控制，实现塔机的安全无故障运行。

4 系统软件

采用STEP 7－ Micro／WIN V 4．0SP 8编程软件对程序进行设计。程序框架如图3所示。

5 系统设置的实时性

由于系统设计的目的是当塔吊在运行过程中出现碰撞趋势或即将产生碰撞时对操作人员发出警告信息，或者直接对塔机采取急停等相应措施以保证施工过程的安全性，因此，应首要保证其实时性，这就要求存在很短的延时。文中选择激光测距仪对距离信号进行采集，所用时间非常短，对于数据的处理采用定时器控件，该控件能够对距离信号以毫秒数进行定时采集，它独立于用户，编程后可在一定的时间间隔执行操作。系统每秒可生成18个时钟信号，其精度不会低于0．056s，而塔机的运行速度相对较慢，因此系统的实时性完全能够保证。