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最全的桥式起重安全监控系统设计基于STM32的研究

来源:恺德尔起重机安全监控管理系统专家 发表日期: 2017-06-03 22:06:00

阶者着国内重工、运输、石材、建筑等行业的发 I从巴展,桥式起重机的应用越来越广泛,国内起重 j机的使用数量也明显增加。然而桥式起重机发生的事 j故也越来越多,归咎原因大多主要是起重机操作人员 的疏忽造成的,比如超载使用,大车冲出轨道时有发 生,给国家和企业带来巨大的经济损失。追究其深层 ‘次的原因是对起重机的安全状态缺乏有效的监控,起 1重机自身的安全状态不能很好的与操作者形成有效互 :动,也就是起重机不能在即将发生危险的情况下发出 i警告,或者存在风险时不能有效地提示操作者。目前 国内正在服役起重机的安全装置多数是各自分离的, !且不能起到综合判断风险作用。这些装置多采用的是 j机械式装置,比如大车行程限位器,起升高度(下降 “深度)限位器。随着服役时间的推移或者例行保养维 护的不到位,这些机械装置容易发生失效,并且这些 安全装置失效后不会自动地断开总电源开关,这大大 地增加了起重机发生事故的概率…。国内已有很多专 家和学者对起重机安全监控系统做了大量的研究,但 是能够实时预警、实时显示起重机安全状态的监控系 统应用没有见诸报道口】。笔者设计了一种以STM32为 微处理器核心的桥式起重机安全监控系统,该系统能 够对起重机的安全状态实时显示,在即将发生危险时 刻实时预警。采用工业级的触摸屏作为人机交互界 面,人机界面友好,可以对各处的预警阀值进行手动 微调设置。



一、桥式起重机状态参数测量模块设计


1.1起重量监测模块 起重量传感器是桥式起重机安全监控中重要的 监控参数,因为一旦超载导致起重机主梁断裂或者严测距仪采用的计时芯片,理论上测距精度可达0.013 重下挠,都将带来严重的安全事故或经济损失。起重 量传感器是将载荷信号转变为电信号的装置,灵敏度 和最大许用载荷是起重量传感器的重要指标。起重量 传感器应当准确、及时地将信号输出给控制器,考虑 到起重机服役环境恶劣,比如潮湿、粉尘,暴晒等恶 劣环境,应该选择密封性能和抗干扰性能良好的传感 器。笔者选用轴销式传感器,它具有精度高、稳定性 好、安装方便等特点,将其安装在起吊滑轮轴上,可 以直接检测出实际的起吊载荷,轴销式传感器的实物 如图l所示



1.2主梁下挠度监测模块和大车行程限位监测 GB/T14405--2011《通用桥式起重机》中明确 规定:主梁跨中上拱度F=£(0.9—1.4)/1000,且最 大拱度应控制在跨度中部的三/10范围内。目前常用 的检测方法有传统拉钢丝法、现行吊钩悬尺法和磁 铁悬尺法。这3种常用的方法在实际的监督和定期检 验工作过程中较为繁琐,且受到现场环境的影响, 测量的数值不够准确,因此检验工作效率不高。笔者 介绍一种典型的高精度短程脉冲激光测距技术,采 用STM32微处理器代替专用集成电路作为激光测距 仪的控制核心,实现通用桥式起重机主梁下绕度的 测量。激光测距原理框图如图2所示,其基本原理 为:脉冲激光二极管发出一束激光脉冲,激光脉冲 照射到被测目标后部分发射回到发射点,激光探测 器接收激光,从发射到接收时间差为t,那么被测距 离D=C·t/2,(c为光速)。时间转化芯片采用高精度 计时芯片TDC-GP22,该芯片也是目前主流手持激光 测距仪采用的计时芯片,理论上测距精度可达0.013 m,完全符合实际桥式起重机检验工作的需要。由于 起重机长期的重负荷使用,使得起重机主梁积累疲劳; 应力导致变形,其最主要的形式为主梁下挠,将脉冲i 激光测距装置安装于主梁正中位置,确保最大下挠度 的准确测量。笔者设计的安全监控系统在每次系统上 电完成初始化之后进行一次主梁下挠度测量,如果测 量值超过允许最大下挠度,则触发声光报警装置,并 且切断起重机总电源。每次起吊过程中每10S测量一 次下挠度,避免因起吊载荷超载导致主梁下榻。



大车行程限位同样利用脉冲激光测距装置实现, 可以实时地测量起重机大车前后离障碍物距离,并根 据不同场合的需求设置安全距离。当测距装置测量的 距离小于设定的安全距离时,则触发声光报警装置, 且系统自动切断大车开往该方向的动力源,但是反方 向能够继续运行。



二、起重机安全监控系统设计


2.1系统硬件平台搭建

安全监控系统主要有电源电路、起重量检测电i 路、脉冲激光测距电路、声光预警电路以及人机交互i 触摸屏等模块。主控电路由STM32F103RCT6及其外l 围电路组成,是整个安全监控系统的控制核心,主要i 完成数据的传输和处理。起重量检测电路和脉冲激光l 测距电路采集的模拟信号,经过STM32自带的ADCi 进行A/D转换后得到实时的起重量和距离数据,再l 经过STM32处理器进行相关的处理并作出判断,最; 后需要在触摸屏上显示的数据经过STM32的UARTl 传到触摸屏上显示瞄1。同时触摸屏作为安全监控系统l 唯一的参数输入E1,可以通过触摸屏对安全预警量进l I 行设置。


IM32F103RcT6是一款基于Cortex—M3内核、i 高性能、高性价比、低功耗的微控制器,在软件和i 封装方面与其他STM32系列处理器完美兼容。该芯《 片包含3个ADC,这些ADC可以单独使用,也可以i 使用双重模式。STM32的ADC是12位逐次逼近型i 的模拟数字转换器,它有18个通道,可测量16个外i 部和2个内部信号源,足以满足本文6个信号源的需i 求。如图3所示的STM32F103RCT6采用LQFP64封l 装,GPIO中的PCO一5引脚接入数据采集电压模拟信i 号,PA9—10引脚为串13输入输出与触摸屏连接。采l 用STM32自带的SPI接13与sD卡进行通信,每次采i 集的数据自动保存到sD卡内,便于数据的追源。1



2.2系统人机交互界面设计

人机交互采用北京迪文科技有限公司生产的 17.78cm串口工业触摸屏,它采用异步、全双工串 其中TXDINl、RXD_INl分别连接在STM32的 TXD(PA9-USARTI_TX)脚和RXD(PAl0一USARTl一 RX)脚,RSTXDl、RSRXDl分别连接到迪文触摸屏 的DIN、DOUT,GND则与STM32的电源地直接连 接。人机交互系统首先需要设计好友好的交互界面, 然后将界面导入触摸屏并对各个区域做好标示,能够 触摸不同区域实现界面切换或者数据输入效果,人机 交互界面设计如图5所示



三、结论

(1)在试验桥式起重机上安装设计的安全监控系 统能够正常运行。

(2)设计的起重量监测和各个测距模块在超出设 置的预警量后,能够很好地触发声光预警装置。

(3)人机交互界面友好,能够很好地实现输入输 出功能。

(4)该桥式起重机的安全监控系统,目前只安装 在试验机上运行,运行稳定,暂时没有受到外界干扰 源的影响。在实际服役环境下,是否会受到外界各种 干扰的影响还需要实际服役时间的验证。