杜靖宇

（河钢唐钢，河北 唐山 063000）

引言

现代钢铁工业的生产需要现代的科技手段来保驾护航。针对原有的生产作业方式对嵌入式结构桥式起重设备现代化安全监测系统的未来设想与进一步改进进行讨论。桥式起重机安全控制系统的总体结构直接关系到作业过程中的远程监控，而系统主体硬件结构则影响着桥式起重机的运行，嵌入式系统的关键硬件设计以及起重机安全控制系统的软件设计又关联着安全控制系统设计、迷你中央处理装置以及与设备连接面板和推广角度等实际中常见的问题[1]。这些都将最终实现用安全监测系统在实际操作中有效地保证桥式起重设备安全操控的目的。

1 桥式起重机安全控制系统总体结构

远程监控中心的组成单位是由通信网络和无线网络节点进行通信装置两方面组成，见图1。

它可以每时每刻地观察并绘出塔机一些信息的变化图。在远程监控管理中心使用VB开发工具设计了上位机程序以接收塔机监控终端发送的塔机工作数据。待程序接收到这些数据后便将这些数据保存到SQLServer数据库并上传至Web网页。监控管理中心工作人员根据需要可在任意一台联网的计算机终端，打开该网页读取相应塔机的工作数据。塔机终端包括电源、传感器信号的采样、LCD显示、U盘的数据存储、GPRS模块通信、声光报警等子模块，实时采集塔机的工作数据，它们的组成单位是多个系统完成，这些系统相互协调，互相影响，最终以整体的形式展示出来[2]。

1）数据采集子系统的基本组成单位是由众多的传感器及部分系统组成的，这些传感器都有着独特的特点。其主要用途是感测所测物体的状态，并将状态结果传递到控制子系统。

2）控制子系统的构造主要是通过传感器中的模块，对这些模块进行系统编程，作用于系统上，信号调理模块主要是针对数据采集子系统所接收的信号进行一定的转化，可以获得能够使微处理器接收的某种物质。而微处理器模块的作用是对上一层的信号进行加工，将结果存储至监控终端的U盘并通过GPRS无线通信传输至塔机远程监控管理中心[3]。其中包括安全保证声明、系统化且可防御的结构化论据。由于系统安全保证的安全架构分析阶段和传统风险分析、系统架构设计及验证和核实活动之间存在重叠，因而可防御安全保证论据引导的系统化证据收集是系统安全保证过程所特有的。根据采集到的工作数据，判断是否超过预警值，同时做出相应的措施。液晶显示模块的作用显而易见，有了液晶显示模块，工作人员才可以更加方便快捷地观察塔机，并对塔机更好操作。当塔机出现意外情况的时候，这种特殊模块会准确地记录事故前一段的数据，使人们可以吸取经验，从而使塔机更加安全。

3）通信电子系统是由多个模块及现代技术组合而成。同时数据又称无线通信模块，它的工作状态是DTU（透明传输）模式，坚持“快速”的原则，其作用是连接远程控制中心和塔机终端，是整个系统所可或缺的桥梁。而这一模块的作用是吸纳、保存一些非正常的特殊信息[4]。

4）报警和回路控制子系统的作用是对整个系统的督察和处理。其主要原理是根据采集到的工作数据，判断是否超过预警值，当超过预警值时，通过声、光、短信等方式报警，同时向相应的继电器发送信号，控制塔机吊车的减速、限制运动方向或停机。例如，当某起吊重量达到额定值的90%时，限制器发出预警信号：黄色指示灯亮，蜂鸣器发出断续声。当起吊重量达到额定值的105%时，限制器发出报警信号：红色指示灯亮起，蜂鸣器发出连续声。为避免冲击载荷引起的瞬间虚假超载，程序对数据进行滤波，如果连续超载时间超过3 s，则判定是真正的超载，并立即切断起升回路电源。该点具有滞回特性，当起吊物的重量减少到额定起重量以下时，继电器3 s才会恢复。当起吊重量达到额定值的110%时，继电器动作，立即切断起升回路电源同时红色指示灯亮，蜂鸣器发出连续声[5]。该点也具有滞回特性，当起吊物的重量减少到额定起重量以下时，继电器3 s后才会恢复。

起重机总体输出中心是通过采用一块芯片来进行对所有信号搜索、控制灯的提示等一系列的操作，它关联着U/R电子处理板，并且通过U/R电子处理板对操作者所进行的控制来逐一分析，然后按照之前设定好的程序完成各项任务。第一，对必须进行检验的桥式起重机显示的各种数据进行研究，得到结果之后在决定采用与之相符合的传感器，并且计算每一个传感器在得到数据之后的处理方法；第二，依照想要得到的功能对输出中心的硬件进行规划，对于数据启动电路进行规划，对收集来的数据逐一分析、对信号传输接头的样板进行规划、以及危险报警系统和输出样板等等，并且对之前计划的电路拥有的能力进行首次检验；第三，把系统的每一个样板编程，然后写出实验步骤，最后完成实验并且记录实验数据。

2 硬件结构

系统主体硬件构造如图2所示。

该工作系统是以Microchip公司的dsPIC40F6012芯片为中心进行研究的。第一，桥式起重机吊钩所牵引的物体重量、在中转过程中与起始位置之间的角度桥式起重机的工作数据，虚拟数据、电子数据或者DN485电子信号传导进芯片内进行分析。该工作系统辅以核心之外的DN485进行连接，数字编码器电子信号电路。第二，在数据分析期间，加入了PCD电子模板、蜂鸣器及LCD电子模板，采用每一时刻的信号进行分析并且处理。第三，该工作系统还采用了继电器操控电路流向，突破式地开发出桥式起重机部分结构的停运模式。

3 嵌入式系统的关键硬件设计

3.1 传感器接口电路

在桥式起重机工作期间，将会对前文讲述的每个情况数据进行测量。综合测量方法，针对所选感应器的供电方法及流出数据，这一设计在体系中选择了与之对应的接口电路。

3.1.1 各类传感器的输出信号

所选感应器的流出数据包括虚拟数据、电子数据、RS43385通讯数据等，见表1。

表1 传感器参数表

3.1.2 各类传感器接口电路设计

吊钩吊起重量、中转弧度软件电路策划待测的工况数据里，吊钩吊起重量，所用的感应器为TDW-1S拉压感应器；中转弧度、吊臂倾角用到的感应器为WWD36-V1弧度感应器。根据表格里面这两个感应器的流出数据，策划显示的电路，将搜集到的6~20 mA的电流数据变换为3~5 V的电压数据（即模拟数据），流入单片机的A/D变换模板。在那里面，500Ω精确电阻的作用是将4~20 mA的电流数据变换为2~10 V的电压数据，流经两个10 kΩ的电阻，把变换之后的电压数据该为1~5 V的电压数据。其中，用电容做软件滤波。除此之外，还要双二极管配件，分别与+5 V和0 V相连，他们的作用是预防A/D流入电路中发生太高和太低的正负电流，导致核心芯片的A/D变换通道报废。

A相、B相的差分数据由axcis1-a-和axdis1-a+，axsis1-b-和axdis1-b+，经SN74125变换，经变换后的双相单端数据为AXIS1_A、AXIS1_B。其中TI企业的SN74125芯片，是一种包含三态流出的多片四处理器，每对信号端都包含使能端，共模流入电压大小基本为12 V左右，灵敏度大约为200 mV，抗干扰性优越，利用+5 V电源供电，适合在嘈杂环境中进行多点传输。经过改变之后的双相单端数据AXIS1_A、AXIS1_B流入计数器LS7186，这一数据经LS7186滤波、变频、鉴定、计数后，得到8位信号源，流入主控芯片。

RS485串连通用方式是利用平衡差分传输功能，该功能含有抵制共模作用且传输距离很远，并且通信质量牢靠；并要求使用唯一+5 V或+3 V电源；除此之外对传导介质物理层面并没有任何其他规定，只要把正常的双绞线连接在一起就可以构成网络；当然，除了广播通信方法之外，还有其它多种通信方法，发出引擎的接受器点最多可有32个，传导速率有很多不同规格，得到了人们的喜爱和广泛的利用，特别是工控机上装有RS485接口，也因此通过RS485接口与工控机之间的通信是十分便利的。

3.2 安全报警电路

在桥式起重机工作期间，被测的工况数据一但被发现超过警戒数值，使用的系统就会发出警报，告知工作人员，它在工作期间，有一个或者几个数字超过警戒数值，如图3所示。

这一部分策划分为蜂鸣器警报和指示灯警报两个部分。在途中每个指示灯代表一项工况数据，当有一个或者多个指示灯发亮时，蜂鸣器就会发出警报，提醒工作人员。

4 起重机安全控制系统的软件设计

硬性分级包含了硬件设置和RGE的配置，看门狗时间表象的设置，RG口的设计。设立的任务主要包括：表达控制（Task1）；分机设置（Task3），RGE显示任务（Task2），最高级在这项任务中最低。系统结构如图4所示。

在硬件恢复出厂设置时，操作系统默认执行功能更新，通过时间表象的设置，独立机为用户设计了一个服务表盘ERGG（），设立为200μs的运转周期。几个任务所需要的是调控系统内部的平均分配任务，栈空间大约是82字节，功能是保存数据。

4.1 测定控制任务

这项服务的级别是最高级，所以运行时间需要保证足够切适宜因为这项任务是用来给此项服务做完整的保护和检测工作，定时150μs。测定控制任务的主要内容是：EG采集、MH485链接、ICM表达。如果测定的数据与当时设定的原始数据相差较多，系统就会自动阻断运行，并且记录超标的数据。

4.2 起重力矩测评

矩形起重力是双侧架起类高等起重机的重要测评数据。起重力矩能够很好地测评起重机的性质和功能，比其他类型的测量机器更能肯定两翼架类型起重机的工作能力。在通常情况下，规定的起重机承载重量是随两翼臂架的起伏幅度来设定的，而最重要的数值，即起重力臂由规定的承载值和其对应的工作状况综合决定的，而人们根据这一工作原理，确定了一个数学表达式来科学地阐述起重机矩与工作幅度的关系，这一数学公式通常被人们称为起重特性方程。

式中：Q为工作距离，m；q为吊臂尾端支点与回转中心的距离，m；A为规定起重重力，kN；a为最大承载力，kN；M额为常数（常熟矩），kN·m。

根据表达式，起重机工作能力的测评过程如图5所示。

其中：m承载重物质量；Qx重物重力；最大承载重力Qmax（即额定起重重力的90%）；Lx车辆工作度；车辆最大工作度Lmax（车辆额定工作幅度的90%）；实时起重力矩Mx。

5 结论

本次设计分析了国内桥式起重机的发展模式和现有的生产状况，以及相关的检测功能和技术等级，通过对我国桥式起重机安全保护系统的研究，得到了开发安全系统和检测报警功能的设计灵感，并设计出以SAPIC30F6012独立机型为基础的桥式起重机计算机化安全保护的系统装置，并在后期实验条件下，对这一设计进行实验测评和验证。