一种塔式起重机安全监控系统的研究

2018-03-15张南庆张强陈孝玉刘小雍

科技视界 2018年35期

张南庆　张强　陈孝玉　刘小雍

【摘要】在现代高层建筑建设当中，塔式起重机，后续简称塔机，扮演着越来越重要的角色。但是，在实际操作当中，塔机操作者不能获得塔机本身足够的状态信息去对塔机进行控制[1]，例如，何时起重，以及起重的重量等。为了提高塔机工作的安全性和效率，本文提出了一种塔机安全监控方案，用于多角度获取塔机状态信息。此方案能够让塔机操作者通过传感器技术，数据处理技术以及无线传输技术，实时的获取到更多细节性和复杂性的状态信息[2-3]。本方案主要是为了降低塔机事故发生率，并起到在危险环境下保护工程管理者，建筑设备以及塔机操作者安全的作用。

【关键词】塔机；传感器；状态监控；LCD报警

中图分类号：TH89 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）35-0127-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.35.053

Research on Condition Monitoring System of Tower Crane

ZHANG Nan-qing ZHANG Qiang CHEN Xiao-yu LIU Xiao-yong

（Zunyi Normal University， Zunyi Guizhou 563006， China）

【Abstract】Tower crane is playing a more and more important role in the construction of high-rise buildings. However， crane operators do not acquire adequate conditioning information from tower crane itself， such as lifting moment and the weight being lifted， to control the tower crane. In order to work safer and more efficient， this paper presents a condition monitoring system （CMS） that provides a solution to receive sufficient information. The CMS can monitor the detailed and comprehensive information which is related to the safety of tower crane in real time with sense， signal processing and wireless technologies. This CMS aims at degrading the tower crane accidents and protecting the project manager， construction equipment and operators from dangerous situation.

【Key words】Tower crane； Sensor； CMS； Alarm

0 引言

近年來，在高速发展的中国经济助推之下，建筑业，特别是高层建筑作为中国经济的支柱性产业之一，得到了极大的增长。从而使得塔机的使用变得越来越广泛且作用变得越来越重要，伴随而来的是，塔机事故发生率变高，据不完全统计，2013年3-4月之间全国各地就有17起塔机相关的事故发生[4]。通过分析发现，有3个原因导致塔机事故的发生，如表1所示。

表1中统计了导致塔机事故发生最主要的3个因素，但是本文只将塔机操作人员的非法操作作为研究范畴。所以本文提出一种塔机状态安全监控方案，帮助塔机操作人员实时掌握与塔机运行安全相关的状态信息。

1 安全监控系统

安全监控系统包含4个模块，分别为数据采集模块；核心控制模块；通信模块；报警模块[11]，其系统架构图如图1所示：

1.1 传感子系统

传感子系统包含5个传感器，用于获取塔机在正常载荷运行状态下的几个关键状态参数，例如，物体重量，物体高度，物体水平方向的幅度，塔机的回转角度，塔机顶部风速。传感器输出信号包含电压，电流和频率信号，经过预处理的信号流通过MAX1148进行模数转换，最后将信号输入核心控制模块的主控芯片LPC2294（ARM7架构）。

1.2 控制子系统

控制子系统由数据处理电路，LCD显示模块，核心处理模块，同步时钟模块组成。数据处理电路主要是对传感器采集的信号进行滤波，放大等处理，然后将处理后的信号接入到核心处理模块的输入端（此处采用基于ARM7架构的LPC2294），核心控制模块将获取到的关键信息进行转换，输出到LCD模块进行显示；当塔机事故发生时，在同步时钟模块作用下，将事故发生时的塔机各状态参数精确记录到存储器，便于后续对事故数据进行分析，得出事故发生原因，对提高塔机安全性提供数据支撑。

1.3 通信子系统

通信子系统以中国移动GPRS无线传输技术为基础[10]，将塔机关键数据传送至后台主机，便于后台实时了解塔机运行状况；同时，后台也可通过通信子系统向塔机监控终端发送控制命令。

1.4 报警子系统

报警子系统主要由生、光报警器组成四级报警。终端会对塔机的回转角度，物体重量，物体可上升高度，重物水平运行幅度以及现场风速进行阈值设置，当各参数介于阈值的0.93～0.96时，报警系统输出I级蜂鸣器提示报警，当各参数介于阈值的0.96～1.00，II声音报警器打开，当各参数介于阈值的1.00～1.20时，III声光报警器被打开，当各参数大于阈值的1.20时，IV级报警打开，塔机电源被强制切断。

最后，报警数据将被记录和存储到CAT24C256的EEPROM芯片之中，然后将存储数据进行分析，得出塔机事故发生的可能原因。

2 传感器选型与布局

2.1 传感器选型

为了准确测量塔机现场环境下的各关键参数，本文选取了图2的几款传感器构成塔机监控终端的传感系统，其技术参数如表所示。

2.2 传感器布局

图3展示了传感子系统中各个传感器在塔机上的安装位置，风速传感器安装于现场塔机的顶部，回转角度传感器安装于塔机的回转机构处，高度传感器安装于塔机平衡臂之上，幅度傳感器安装于变幅小车之上，重力传感器安装于起重钩结构之上。

3 实验

通过模拟现场环境，对监控终端的各项功能进行测试，并将数据显示于LCD屏幕之上，如图4所示。

图4中重点以重物重量为例，对系统进行了测试，从图4中可以看出，目前重力传感器获取的实际重量为6.08吨，而此台塔机所能承受的额定重量为3.50吨，大于额定重量的%120，所以在报警输出一栏，报警级别为IV级，报警级别全亮。另外LCD界面还显示了幅度、风力等级、塔机回转角度等信息。软件设计时，针对报警流程，所有的监控参数之间存在一个互斥的关系，只要监控参数中有一个以上参数值超过相应的报警级别，则报警流程被激活。

4 结论

通过实验可以得出如下结论，此状态监控系统能够准确、实时获取塔机相关参数，并在参数值超出阈值时，能够执行报警动作，可以起到帮助塔机操作者感知塔机运行状态和约束塔机操作者操作行为的作用，以达到降低人为操作导致塔机事故发生率的目的。

【参考文献】

[1]王耀生.建筑塔式起重机事故原因分析与预防措施[J].西大学学报，2007，29（10）：75-76.

[2]刘佩衡.国内外塔式起重机发展概况[J].北京：工程机械与维修，1997（8）：12-13.

[3]黄洪钟，姚新胜.塔式起重机安全性研究与展望.建筑安全，2001，（3）：1-6.

[4]塔机365网，国内最新塔机事故分析.http：//www.tadiao365.com/kzsh.asp？%20MenuID=&keywords;=&id;=2&Search;%20Type%20ID=&page;=1.

[5]C.John，Smith，Quality is key to safety.Crane Today，1998（03）：11-18.

[6]S.Nwana.Softwanre agnets：an overview.The knowledge Engineerring Review，1996，11（3）：205～244.

[7]LIEBHEER.TheLitronic crane control system，1997.

[8]Yamada，Suzuki.Y.Anti-swing control of the container crane by fuzzy control. IECON Proceedings，1993，（l）：230～235.

[9]Kyurg Whan Qh.Abronham.Kandel. A General purpose Fuzzy Inference Mechanism Based On Complication. Fuzzy Sets and System.1991.39.