施工升降电梯安全监控系统的研究与开发

肖 清 邓建宇 李 丰

（1.江西理工大学应用科学学院 赣州 341000）

（2.赣州市建设工程安全监督管理站 赣州 341000）

施工升降电梯安全监控系统的研究与开发

肖 清1邓建宇2李 丰1

（1.江西理工大学应用科学学院 赣州 341000）

（2.赣州市建设工程安全监督管理站 赣州 341000）

施工升降电梯多应用于建筑行业，超载一直是施工升降电梯一个重要隐患，本设计是基于SOC技术及现代通讯——GPRS而研发的一款集超载限制、记录、报警、显示、楼层呼叫、冲顶保护、高度检测、电梯速度检测及限制、防倾翻、电机保护、远程监控等功能为一体的施工升降电梯安全监控系统。本文介绍了施工升降电梯安全监控系统的设计，设备经实际检验，系统工作可靠，有效的提高了施工升降电梯的安全管控、提高了其管控的效果及电梯运行的效能。

起重量限制器 施工升降电梯 GPRS 物联网

近几年来，我国国民经济的迅速发展，伴随而来来的城市建设亦迅速发展，高层建筑物建设数量与日俱增，建筑施工现场施工升降电梯的使用量与日俱增，其带来垂直高效的运输效率，但由于监管不能到位，也给建设安全生产带来了非常大的负面影响。这已成了普遍现象，例如管理人员少、安全监管任务繁重、无法建立有效监管制度，施工升降电梯已经成为了建筑施工现场的重大危险源，成为安全事故发生的主要隐患之一。虽然各地安全监管部门出台了各种措施以提高监管力度，由于主体责任履职很难到位，涉及施工升降电梯的生产事故仍然时有发生。据有关权威资料统计，目前国内建筑施工现场涉及施工升降电梯的生产事故，约占全部伤亡事故的20%。伤亡事故的发生不仅给人民的生命财产带来了重大损失，也对社会发展产生了不良影响。安全生产是一项重大、艰巨、长期、复杂的工作，因此，认真贯彻落实各项规章制度、建立科学的管理体系，全面建设施工的信息化建设，充分将现代高科技技术应用在施工升降电梯的监管中，进行实时、开放、可溯源的监管就显得十分必要。

本文介绍了基于GPRS联网的物联网络终端的施工升降电梯起重量限制器设计，阐述了SoC片上系统的无线数据采集和传输终端的硬件实现方案，其可广泛应用于各种需要进行数据采集、远程监控的场合。

1 系统功能

为了加强对施工升降电梯使用过程中进行有效的监管，切实控制其在运行过程中存在的不安全危险因素，消除安全隐患，做到事前预防、运行期间的管理、事后的分析，由江西理工大学、赣州德业电子科技有限公司共同研制生产施工升降电梯安全监控系统。该系统的出现，可以极大提高监管力度，使管理人员远程监控、查询到违规操作信息，能及时发现建筑施工现场存在的施工升降电梯逃避监管使用违章操作等现象，有效的解决行政管理人员技术不足、施工现场监管人员不足等问题，非常的方便，省时省力。

施工升降电梯安全监控系统由施工升降电梯起重量限制器和远程监控系统（后台系统）两部分组成。安全监控系统主要有防碰撞报警、限位报警、制动控制、运行状态实时监控、运行过程记录、历史运行状态查询、碰撞事故黑匣子记忆等功能。

施工升降电梯安全系统具备以下功能：

1）显示：采用800×600彩色触摸屏，能够实时显示施工升降电梯运行数据与安全状态，操作人员对设备的工作状态能做到一目了然（见图1）。

2）记录：内置SD卡存储器（2G），可存储工作参数和24个月以上运行数据和报警信息。可作为升降机维护和事故判定的依据，至少可保存24个月的运行数据，以供监管人员进行查询。

3）报警：支持图文报警。

4）控制：支持预警、报警限位、故障锁机、违规锁机。

5）楼层呼叫：采用无线呼叫器，SI4432通讯技术，实时发送楼层呼叫信息至监控系统。监控系统接收无线呼叫器信号，发出呼叫语音提示，显示楼层呼叫信息。

6）连锁保护：采用光电开关与射频识别技术，实时监控施工升降电梯门锁闭合状态。施工升降电梯轿厢前门、后门、顶门与楼门完全关闭后，允许施工升降电梯运行，打开任意门锁时，停止施工升降电梯工作。

7）电机保护：采用功率传感器，实时监控施工升降电梯的三相异步电机工作参数。施工升降电梯任意电机的工作参数出现异常时，发出电机故障报警提示，停止施工升降电梯运行，保证作业安全。

8）超速保护：采用接近开关与高速脉冲计数器，实时监控施工升降电梯的运行高度与速度。施工升降电梯任意电机的运行速度出现异常时，发出超速报警提示，制动器立即动作，停止电梯运行，防止坠落。

9）控制保护：采用电流检测模块，实时监控系统电气线路，防止控制线路短路、断路、人为拆除。

10）电源保护：采用相序保护器监控施工现场三相电源，对电压缺项或相序不平衡提供保护。

11）高度限位：实时监控施工升降电梯运行高度，进行限位保护，防止冲顶，为操作人员提供参考。

12）防倾翻：实时监控施工升降电梯倾斜角度，超出安全范围时发出停止作业报警，排除隐患，防止倾翻。

13）防坠安全器保护：实时监控施工升降电梯渐进式防坠安全器，异常状态时报警并停止施工升降电梯运行。

14）工作统计：用于统计和分析累计施工升降电梯的起重量与工作时间，用于设备维护、故障诊断、寿命评估与工作管理。

图1 终端设备显示界面原始底图

施工升降电梯安全系统由报警控制器、载重传感器、无线通信控制器等组成。报警控制器用于电梯超载、倾斜超度等危险的实时报警，报警形式：声音警示，显示屏图文并行警示；报警范围：超载危险报警、超高度限位报警、电源缺相报警等。高度传感器：感知高度，精度：0.01m；倾角传感器：检测塔身倾斜角度，精度0.01°；无线通信：吊笼与各楼层的呼叫器间通讯，通讯有效距离：500m；频点范围：2.4GHz。系统功能结构图如图2所示。

图2 施工升降电梯安全监控系统

2 主机硬件设计

系统硬件核心控制器主要为C8051F340，人机交互采用迪文24位彩色触摸屏示器（像素点800×600）、语音模块组成，系统的电路主要包括C8051F340模块电路（见图3）、电源模块、I/O扩展电路、SI4432无线通讯模块。其中C8051F340模块电路部分主要包含了串口通讯电路、接口电路、滤波放大电路等。系统硬件结构如图4所示。

图3 F340、SIM900引脚连接原理图

图4 系统硬件结构图

前端监控装置（施工升降电梯黑匣子）和后端远程监控平台（服务器平台）无缝融合，做到了实时、开放、可溯源的监控。通过前端设备对施工升降电梯进行现场安全监控及报警，同时通过无线通讯，将施工升降电梯运行多元数据和报警信息不间断的发送到服务器平台，并能在报警时自动触发手机短信通知，从而实现实时动态的远程监控、远程报警和远程告知，使得施工升降电梯安全监控成为开放、有效、实时地动态监控。

集成全方位安全监控功能：工况实时信号采集；报警控制输出；数据本地存储和远程下载；报表查询输出；施工电梯租赁地域和时间管理；及时短信通知；违规本地加锁；远程加锁、解锁；实时远程监控；GPS远程定位；倾角检测与报警；多级别监控授权。

3 起重参数标定

施工升降电梯需要设定和标定的参数见表1：

表1 参数设定列表

通过系统终端人机界面设置表1中的参数。

4 无线楼层呼叫

楼层呼叫是施工升降电梯非常需要的一个功能，它可以使得电梯运转达到最合理、最节能、效率最高的状态，每一个楼层都安装一个终端，也即成为一个呼叫节点。基于SI4432通讯模块形成了施工升降电梯的楼层呼叫器，通过楼层呼叫，使得电梯运行有规划。每台设备都有一个SI4432通讯模块，具有独一无二的地址。主机能够根据各节点呼叫信息给出最节能、效率最高的运行指示。

5 电机保护

施工升降电梯电机保护，关键参数的检测：

电机电压值的采样——通过降压并将电压转变为标准信号进行AD转换，并将数字化的信息送入MCU进行处理。

施工升降电梯的电机一般都为380V三相电，通过变压器分压并隔离，本设计取设定的分压额定电压为2V，并使用100Hz低通滤波器，再经过运算放大器的高精度全桥整流进而转换为直流电压。为保证采样信号高精度传送，采用了高线性度模拟光电耦合器对模拟电路和数字电路进行隔离传输。

6 人员计数

不仅要对施工升降电梯的载重进行限制，还需要对载人数量进行限制，尤其是在2012年武汉发生死亡19人的施工升降电梯事故后，对人员限载的要求就显得尤为突出。

本系统设了两路红外人数检测传感器分别安装在吊笼两侧的出入口，高度在一定位置，两路轴销载重传感器安装在吊笼的挂接处，替换原来的轴销。载重轴销传感器经过信号调理模块进行滤波、隔离和放大后，将模拟信号输入到微处理器模块的A/D引脚。其模拟信号放大电路如图5所示：

图5 信号放大电路

在人数是否超载判断前，先由微处理器模块通过重量传感器和红外对射检测模块获取人员进出信息，即获得当有人通过红外检测模块时，判断是否有人通过，然后根据此时载重量的加或减变化判断是人员进入还是离开吊篮，再根据算法计算出吊篮实时的人数，实现了对施工升降电梯载人数量的安全监控，当载员超过设定值时，声音模块将发出报警，从而有效避免人员超载的发生，人数变化算法如下：

情况一：当重量变化在＜40kg时，计数变化0人；

情况二：当重量变化在40～80kg时，计数变化1人；

情况三：当重量变化在80.1～160kg时，计数变化2人；

情况四：当重量变化在≥160kg时，计数变化3人。

7 结论

施工升降电梯智能安全监控系统安装在辽宁省营口市、广东省广州市、江西省赣州市等地的建设工地上，经过近8个多月的测试，运行可靠，实践证明，本设计成熟、可靠，对施工升降电梯能够实现有效的安全监控，大大减轻了监管部门的工作量。

通过本系统对施工电梯进行安全监控并将相关数据（运行工况安全数据和预警报警信息）实时发送到监控平台，并在报警时自动触发手机短信向相关人员报警，从而实现实时动态的远程监控、远程报警和远程告知，使得施工升降电梯安全监控成为开放、有效、实时、可溯源地监控。

［1］ 潘琢金.C8051Fxxx高速SoC单片机原理及应用［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2002.

［2］ 潘琢金.C8051F340/1/2/3/4/5/6/7全速USB FLASH微控制器数据手册［EB/OL］.［2006-01］.http：// www.xhl.com.cn.

［3］ GB 12602—90 起重机械超载保护装置安全技术规范［S］.

［4］ 孙玉柱.谈起重机起重量限制器［J］.大众标准化，2005（11）：24-25.

［5］ 王嘉.简述起重量限制器的应用［J］.品牌与标准化，2011 （2）：54-55.

Research on Construction Elevator Safety Monitoring System

Xiao Qing1Deng Jianyu2Li Feng1
（1. College of Applied Science， Jiangxi University of Science and Technology Ganzhou 341000）
（2. Ganzhou Construction Safety Supervision and Management Station Ganzhou 341000）

Construction elevator is more and more wildly used in the construction industry， overload is one of the important problems of construction elevator， the design of safety monitoring system is based on SOC technology and modern communication "GPRS"， including overload limiter， recording， alarm， display， calling， top protection，height detection， elevator speed detection and restriction， motor protection， remote monitoring and other functions of the construction elevator. This paper introduces the design of the construction elevator safety monitoring system. It is showed by the actual test that the system is reliable， effective to improve the safety management and effciency of construction elevator.

Lifting weight limiter Construction elevator GPRS Internet of things

X941

B

1673-257X（2016）10-0030-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.10.007

肖清（1975～），男，硕士，讲师，从事微机控制、物联网技术应用工作。

2016-04-23）