單片機在起重機工況安全監控系統中的應用

程加斌

（武漢生物工程學院 機電工程系，湖北 武漢 430415）

單片機在起重機工況安全監控系統中的應用

程加斌

（武漢生物工程學院 機電工程系，湖北 武漢 430415）

針對起重機的安全工作要求，開發了一種安全監控系統，通過對起重機操控特性曲線的實時計算，自動判斷起重機的工況和安全威脅，通過圖文顯示和聲光報警提示操作員，并在緊急狀態下自動采取應急控制，實踐證明該系統工作可靠，具有推廣應用價值。

汽車起重機；工況安全；單片機；監控系統

汽車起重機具有移動快捷便利的特點，因此應用非常廣泛。其操作雖然簡單，但是工況卻十分復雜，操作員往往不易發現潛在的危險，安全生產形勢十分嚴峻，尤其是車載移動式起重機，常常出現側翻事故，以至人員傷亡。

本文開發了一種汽車起重機安全監控系統，針對起重機在各種工況下的操控特性曲線，實時監測和報警，并帶有安全操作提示，包括側方位安全性提示，并在緊急狀態下自動切斷超載項目，從而集工況監測、控制、報警、記錄系統于一體。與進口設備“力矩限制器”相比，本系統具有功能齊全、經濟實用的特點。本系統經過近10年的實際應用和改進，能夠杜絕安全隱患，確保安全生產，并且可以通過簡單改裝和修改計算參數在其他類型的起重機上使用，能夠簡單快捷地完成設備的安裝調試工作。

1 設計規格和功能要求

起重機工況和安全監控系統的主要功能包括：

（1）異常工況分級警告，自動測量工況并計算安全工作邊際，當安全受到潛在威脅時發出不同的聲光報警信號，提醒操作員注意操作安全；

（2）緊急保護控制，在安全工作狀態受到嚴重威脅時，自動啟動應急控制，停止向危險方向運轉，只能向安全方向運轉；

（3）傳感器信號校正和量程標定，根據傳感器信號所在區間，采取二次插值補償修正，提高測量精度，并自動標定零點，自動判斷傳感器異常，確保系統工作安全；

（4）存儲起重機的操作特性參數，針對起重機在不同工況下的特性曲線，實時將運行參數提供給監控系統使用；

（5）自動記錄異常工況。

2 檢測單元及工作原理

汽車起重機監控系統示意圖如圖1所示，監測裝置包括壓力傳感器、角度傳感器、長度傳感器、鋼絲過卷傳感器、鋼絲過放傳感器等，要求監控系統分別采集不同的物理信號，并傳送到主控計算機進行分析處理。過卷和過放是通過開關量自動觸發控制，在此從略。

壓力傳感器通過檢測支撐油缸上下腔的壓力信號p，間接推算起吊物的重量；臂長傳感器通過頭部固定在臂桿端部的拉線，將臂桿長度變化轉換為傳感器內部測定元件角度的變化，以測定檢測臂桿的實際長度l；仰角傳感器安裝在臂桿上，通過重錘帶動角度測定元件轉動，以檢測臂桿仰角β。

根據以上測量，計算起吊物的實際重量如下：

式（1）中：f（p）是壓力測量信號的二次非線性函數；λ是角度信號β的二次非線性函數；l是吊臂長度測量信號。

在一定的設計起吊量情況下，臂長與臂角度是互相制約的，當起重臂仰角一定時，隨著起重臂長度的增加，起重半徑和起重高度也隨之增加，而起重量應當相應減少，以防止翻車事故，這在式（1）中表現為 W與 l成反比。反之，當臂長l一定時，隨著起重臂仰角β的增大，起重量隨之增加。參見圖2某起重機的操作特性曲線，曲線1代表起重量W與工作臂長度l（圖中表達為“工作幅度”）之間的關系，它可以用二次曲線分段近似表達。本系統詳細集成了操作特性二次曲線的各項參數，存放在非易失存儲器中供軟件調用。

起重機的安全工作狀態與W、β和l都有關系，這里要特別注意在不同工況下的操作特性是不同的，例如圖2中有不同的曲線，不同的起重機也有較大區別，因此計算復雜度較高，需要根據工況測量信息分段計算。在實際系統中，根據W、β和 l的實測結果，對起重機的操作特性作二次函數的插值逼近，各工況下的插值系數通過操作特性表獲得。

為保障工作安全，通常要求監控系統隨時計算在特定條件下允許的最大起吊重量Wmax，并提示W不要超過Wmax。經過大量測試，得到Wmax的計算如下：

3 監控單元及工作原理

起重機安全監控系統硬件組成如圖3，通過A/D接口對各路傳器信號進行采樣，包括角度、吊臂長度、壓力傳感器等，從而取得起重機的工作參數，再通過式（1）、式（2）計算，得出相應工況下的實際起重物重量W及其與 Wmax的比率（也稱為載荷率），在液晶顯示模塊上顯示示意圖、文字提示信息，包括臂長、臂仰角、載荷等操作者關心的參數，并發出提示音，供操作員參考。當載荷率大于90%時預報警，大于100%時報警，并自動啟用強制停止控制，這時起重機不能繼續向危險方向動作，如伸臂、起升等，從而實現對起重機的測控保護功能，使起重機的工作符合安全生產要求。

計算中所需的常數以及中間結果存放在外接的非易失存儲單元中，配合系統提供的液晶顯示和鍵盤人機界面，本系統還可以完成特定的參數設置、標定及調試記錄等輔助功能。

4 軟件設計

軟件系統完成以下功能：

（1）傳感器信號分析計算，主要完成式（1）、式（2）的運算，計算量較大，采用 AT89S52單片機[1，2]。起重機在不同工況下的操作特性是不同的，因此要求在計算過程中，自動判斷工況（前方、后方、側方、支腿、副臂等）并選擇相應的計算系數和插值公式，將計算結果和提示信息送顯示模塊。圖4為顯示效果圖，其中包括副臂是否伸長、有無過卷過放、支腿是否工作、主臂是否位于側后方、系統的載荷率及當前是否安全等信息。

圖4 起重機監控系統狀態顯示

（2）報警和緊急保護，在過卷、過放、超重、傳感器異常等情況下，系統都能實時給出聲光告警和應急處理，并通過8255接口輸出控制信號啟動保護繼電器動作。

（3）液晶顯示，采用外購的 160×128點陣顯示模塊，清晰度很高，每屏可以顯示 8×10個 16×16點陣的漢字，本系統采用圖文混合顯示，如圖4所示。系統用到的漢字點陣預先存放在存儲器內[3]。

（4）薄膜鍵盤，采用4×4鍵盤矩陣，便于集成在儀器面板上，除了輸入 0～9數字之外，還能輸入+1、-1、CHK等控制字符，以便輸入系統調試過程中用到的一些參數，單片機通過8255接口電路掃描鍵盤動作并做相應處理。

起重機安全生產的形勢非常嚴峻，采用智能監控儀表，在液晶顯示器上顯示工況提示信息，同時發出聲光提示和報警信息，完全能夠幫助操作員進行安全生產，杜絕不當操作造成安全事故。本系統適用于輪式起重機、履帶式起重機、塔式起重機的安全監控，具有很高的推廣應用價值。

[1]張毅剛.新編 MCS-51單片機應用設計[M]，哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2001：56-98.

[2]周春明.AT89S51多功能遙控器的設計與制作[J]，電子制作，2007（6）：16-18.

[3]謝維成，楊佳國.單片機原理與應用及C51程序設計[M].北京：清華大學出版社，2005：70-92.

Application of single-chip computer in derrick car monitoring

Cheng Jiabin

（Department of Mechanical and Electronical Engineering，Wuhan Bioengineering Institute，Wuhan 430415，China）

This paper developed a monitoring instrument which warning the derrick car operator to keep in safe operation.The instrument automatically measures the derrick car operation parameters and take full control in case of emergence.It also send warning signals to the operator when the car is in a risk situation.The system was proved to be highly reliability in practical operation.

derrick car；safty；single-chip computer；monitoring

TP277；TP213.6

B

1674-7720（2011）03-0070-03

2010-09-04）

程加斌，男，1961年生，博士，高級工程師，主要研究方向：機電自動化、智能儀表、測控技術。