（機械電子工程專業(yè)論文）基于can總線的塔機安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與研究.pdf

碩士學(xué)位論文 摘要 作為施工現(xiàn)場不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備 塔式起重機的使用范圍日益廣泛 但近年來 一系列因超載 超限引發(fā)的塔機傾倒事故造成了嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失 這也引 起了公眾對這項高風(fēng)險作業(yè)的強烈關(guān)注 如何有效抑制事故的發(fā)生以減少危害成了亟 待解決的問題 而如何實現(xiàn)塔機狀態(tài)的實時監(jiān)測以保障其安全運行也變得愈加重要 目前 傳統(tǒng)的機械式安全限制器只能提供被動的保護功能 不能真正實現(xiàn)塔機的狀態(tài) 監(jiān)控 而多數(shù)在用的電子式監(jiān)控系統(tǒng)均采用單主機集中控制方式 通訊效率低 可靠 性差 已不能滿足應(yīng)用需求 為了解決這些問題 本文基于c a n 總線的分布式結(jié)構(gòu) 通過構(gòu)建塔機工作參數(shù) 傳感網(wǎng)絡(luò) 對塔機工作狀態(tài)的實時監(jiān)測和安全控制展開研究 以實現(xiàn)一種結(jié)構(gòu)更簡潔 功能更強 更易維護 更可靠的監(jiān)控系統(tǒng) 本文的主要研究工作如下 1 討論了塔機的結(jié)構(gòu)和工作原理 明確了系統(tǒng)需要進行監(jiān)測的參數(shù)以及需要提 供的保護 提出了系統(tǒng)所需實現(xiàn)的功能要求 2 介紹了c a n 總線的特點和分層結(jié)構(gòu) 敘述了c a n 通信的相關(guān)概念 詳細闡 述了c a n 報文結(jié)構(gòu)和傳輸過程 重點討論了c a n 報文濾波和仲裁機制 歸納總結(jié) 了c a n 總線的通信原理 明確了構(gòu)建c a n 總線系統(tǒng)的關(guān)鍵問題和技術(shù)難點 3 提出了系統(tǒng)的總體設(shè)計方案 該方案將系統(tǒng)功能均勻地分配給各節(jié)點 使系 統(tǒng)更靈活 完成了系統(tǒng)中各節(jié)點的硬件設(shè)計 包括起重量 幅度 高度 角度檢測節(jié) 點的傳感器設(shè)計和后續(xù)檢測電路的設(shè)計 人機接口節(jié)點中顯示 存儲和按鍵等電路的 設(shè)計 控制節(jié)點中繼電器電路的設(shè)計 4 分析了d e v i c e n e t c a n o p e n 等較成熟的c a n 工業(yè)應(yīng)用協(xié)議 根據(jù)塔機監(jiān) 控的實際情況 提出了適用于起重機械安全監(jiān)控的c a n 應(yīng)用層協(xié)議 包括信息標識 符的分配 信息幀格式的確定 數(shù)據(jù)交換方式的選擇以及報文濾波機制的設(shè)定 5 設(shè)計了c a n 節(jié)點軟件模型 參照系統(tǒng)的總體設(shè)計方案以及c a n 應(yīng)用層協(xié) 議 完成了各節(jié)點的軟件設(shè)計 主要包括c a n 基本通訊軟件中報文解析 報文組裝 等程序設(shè)計 各檢測節(jié)點中數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)處理等程序設(shè)計 人機接口節(jié)點中顯示 存儲和按鍵等程序設(shè)計以及控制節(jié)點軟件設(shè)計 帥8 8咖2姍3咖s 2 2 iii u i 摘要 6 開發(fā)完成了監(jiān)控系統(tǒng)的樣機 并得n t 工程現(xiàn)場應(yīng)用 經(jīng)過現(xiàn)場實驗論證 該系統(tǒng)具有較高的精度和可靠性 它不僅可以實時顯示塔機工作狀態(tài) 還具有預(yù)警 超限制動等保護功能 同時還能記錄塔機的工作全過程 為日后塔機壽命評估 日常 維護和事故判定提供有力的數(shù)據(jù)支持 關(guān)鍵詞 塔機超載安全監(jiān)控c a n 總線報警制動 碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t a sav i t a le l e m e n ti nt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s s t o w e rc r a n e sh a v e b e e nu s e dm o r ea n d m o r ew i d e l y y e ti nr e c e n ty e a r san u m b e ro ft o w e rc r a n ec o l l a p s ea c c i d e n t s r e s u l t e df r o m o v e r l o a d i n ga n do v e r r u n n i n g c a u s e ds e r o u sl o s so fl i f ea n dp r o p e r t ya n dh a v ec a l l e df o r i n t e n s ea t t e n t i o nt ot h i si n h e r e n t l yh i 曲 r i s ka c t i v i t y h o wt or e d u c et h e s eh a z a r d sh a s b e c o m ea ni m m e d i a t ep r o b l e mt h a tr e q u i r e su r g e n ta c t i o n s c r a n es t a t u sm o n i t o r i n gf o r s a f ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o n si sm u c hm o r ei m p o r t a n tt h a na n y t i m ee v e rb e f o r e h o w e v e r c o n v e n t i o n a lm e c h a n i c a ll i m i t e r sp r o v i d eo n l yap a s s i v ep r o t e c t i o nw h i l ea c h i e v i n gn o t h i n g a b o u tc r a n es t a t u sw a t c h i n g a n dt h em a j o r i t yo fe l e c t r o n i cc r a n em o n i t o r si nu s ea r ep o o r a tt r a n s m i s s i o n e f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t y d u et ot h e i rc e n t r a l i z e da r c h i t e c t u r ea n d m a s t e r s l a v ec o n f i g u r a t i o n t op r a c t i c a l l yo v e r c o m et h e s ep r o b l e m s b a s e do nc a n b u sd i s t r i b u t e ds t r u c t u r e b y c o n s t i t u t i n gas e n s o rn e t w o r kf o rd e t e c t i n gc r a n ep a r a m e t e r s t h i s t h e s i ss t u d i e dt h e r e a l t i m es u p e r v i s i o na n ds a f e t yc o n t r o lo fc r a n ew o r k i n gs t a t u s a i m i n gt oi m p l e m e n ta c r a n e m o n i t o r i n gs y s t e m w i t ha s i m p l e ra r c h i t e c t u r e r i c h e rp e r f o r m a n c e e a s i e r m a i n t e n a n c ea n db e t t e rr e l i a b i l i t y t h em a i nc o n t e n t sa n dc o n t r i b u t i o n so ft h i ss t u d ya r ea s f o l l o w s 1 t h es t a t e o f t h e a r to fc r a n em o n i t o r i n gp r o d u c t sw a si n t r o d u c e d t h es t r u c t u r e a n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft o w e rc r a n e sw e r ed i s c u s s e d t h ep a r a m e t e r st h a tn e e dt ob e d e t e c t e da n dt h ep r o t e c t i o n st h a tn e e dt ob ep r o v i d e dw e r ef i x e d t h es y s t e mr e q u i r e m e n t s t h a tn e e dt ob ef u l f i l l e dw e r ep r e s e n t e d 2 t h ef e a t u r e sa n dl a y e r e ds t r u c t u r eo fc a n b u sw e r ei n t r o d u c e da n dt h er e l e v a n t n o t i o n sw e r ed e p i c t e d t h ef r a m ef o r m a ta n dt r a n s m i s s i o np r o c e s sw e r ea d d r e s s e di nd e t a i l t h e m e s s a g e f i l t e r i n g a n db i t w i s ea r b i t r a t i o nm e c h a n i s mw a s d i s c u s s e d t h e c o m m u n i c a t i o nt h e o r yw a ss u m m a r i z e d t h ek e yt e c h n o l o g ya n dd i f f i c u l t yo fb u i l d i n ga c a n b a s e ds y s t e mw a sm a d ec l e a r 3 t h eg e n e r a ls y s t e ms o l u t i o n sw e r ep r e s e n t e d w h i c hi m p r o v e ds y s t e mf l e x i b i l i t y b ye v e n i n go u tt h ed i s t r i b u t i o no ft a s k sa m o n gt h en e t w o r k o nt h ec o n s i d e r a t i o n o fb e t t e r r e l i a b i l i t y h a r d w a r ed e s i g n so fe a c hn o d ei nt h es y s t e mw e r ep e r f o r m e d i n c l u d i n gl o a d r a d i u s h e i g h t a n g l es e n s o r sa n dt h e i rc o r r e s p o n d i n gd e t e c t i o nc i r c u i t s d i s p l a y s t o r a g e a n dk e yc i r c u i t so fh m in o d ea n dr e l a yc i r c u i t so fc o n t r o ln o d e i i i a b s t r a c t 4 c a ni n d u s t r i a lh i g h e r l a y e rp r o t o c o l ss u c ha sd e v i c e n e ta n dc a n o p e nw e r e a n a l y z e d o nt h eb a s i so fc r a n em o n i t o r i n gs i t u a t i o n s an e wc a na p p l i c a t i o np r o t o c o lf o r c r a n em o n i t o r i n gw a sw o r k e do u t i n c l u d i n gt h ei d e n t i f i e ra l l o c a t i o n f r a m ef o r m a t i o n d a t a c o m m u n i c a t i o nm e t h o da n dm e s s a g e f i l t e rm e c h a n i s m 5 a c c o r d i n gt ot h es y s t e mh a r d w a r e an e ws o f t w a r em o d u l ef o rc a n n o d e sw a sp u t f o r w a r d r e f e r r i n gt ot h ep r o p o s e dg e n e r a ls o l u t i o n sa n da p p l i c a t i o np r o t o c o l s o w a r e d e s i g n so fe a c hn o d ei nt h es y s t e mw e r ec o m p l e t e d i n c l u d i n gm e s s a g ea n a l y z i n ga n d p a c k a g i n gp r o c e d u r e so fc a nc o m m u n i c a t i o ns o f t w a r e d a t aa c q u i r i n ga n dp r o c e s s i n g p r o c e d u r e so fe a c hd e t e c t i o nn o d e d i s p l a y s t o r a g ea n dk e y h a n d l i n gp r o c e d u r e so fh m i s o f t w a r ea n dr e l a yc o n t r o ls o f t w a r e 6 t h ep r o t o t y p eo ft h ep r o p o s e dm o n i t o r i n gs y s t e mw a sc o m p l e t e da n dt e s t e di n c o n s t r u c t i o ns i t e s an u m b e ro ff i e l de x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e dt oe v a l u a t et h es y s t e m p e r f o r m a n c e t h er e s u l t sw e r es a t i s f a c t o r ya n de x p e r i m e n t a l l yp r o v e d i t sh i g ha c c u r a c ya n d r e l i a b i l i t y t h ed e s i g n e ds y s t e mn o to n l yg i v e sav i s u a lr e p r e s e n t a t i o no fc r a n es t a t u s b u t p r o v i d e sam o r er e l i a b l ep r o t e c t i o nb ye a r l y a l a r m i n ga n db r a k i n g b e s i d e s i ti sa b l et o s t o r et h ec o m p l e t ew o r kr e c o r d so fc r a n e s a n dt h u so f f e r sac r e d i b l e d a t as u p p o r tf o r r e m a i n i n gl i f ee v a l u a t i o n f u r t h e rm a i n t e n a n c ea n da c c i d e n ta n a l y s i s k e y w o r d s t o w e rc r a n e o v e r l o a d i n g s a f e t ym o n i t o r i n g c a n b u s a l a r m i n g b r a k i n g i v 碩士學(xué)位論文 目錄 摘要 i a b s t r a c t i i i 目錄 v 第1 章緒論 1 1 1 課題研究背景 1 1 2 塔機監(jiān)控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 4 1 2 1 國外研究現(xiàn)狀 5 1 2 2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 6 1 2 3 國內(nèi)外監(jiān)控產(chǎn)品的對比與分析 7 1 3 本文的主要研究內(nèi)容 7 第2 章c a n 總線的特點與技術(shù)規(guī)范 9 2 1c a n 總線的特點與分層結(jié)構(gòu) 9 2 2c a n 的基本概念 1 1 2 3c a n 報文傳送幀結(jié)構(gòu)和傳輸過程 1 2 2 4c a n 報文濾波與總線仲裁 一1 8 2 5c a n 總線通信原理 1 8 2 6 本章小結(jié) 2 0 第3 章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 2 1 3 1 系統(tǒng)總體方案 2 1 3 2c a n 通訊模塊硬件設(shè)計 2 2 3 2 1c a n 接口芯片介紹 2 2 3 2 2c a n 通訊電路設(shè)計 2 9 3 3 起重量檢測節(jié)點設(shè)計 3 0 3 3 1a d 轉(zhuǎn)換芯片c s 5 5 2 3 3 0 3 3 2 起重量傳感器設(shè)計 31 3 3 3 起重量檢測電路設(shè)計 3 2 目錄 3 4 幅度 高度和角度節(jié)點設(shè)計 3 2 3 4 1 磁旋編碼器a s 5 1 3 0 3 3 3 4 2 幅度 高度 角度檢測電路設(shè)計 3 4 3 5 人機接口節(jié)點設(shè)計 3 4 3 5 1 顯示電路 3 5 3 5 2 按鍵電路 3 7 3 5 3 存儲電路 3 8 3 5 4 時鐘電路 3 9 3 5 5 聲光報警電路 4 0 3 5 6 電源電路 4 2 3 6 繼電器控制節(jié)點設(shè)計 4 3 3 7 本章小結(jié) 4 4 第4 章c a n 總線應(yīng)用層協(xié)議制定 4 5 4 1c a n 總線應(yīng)用層協(xié)議介紹 4 5 4 2 信息標識符的分配 4 5 4 2 1 信息標識符分配原則 4 5 4 2 2 信息標識符結(jié)構(gòu) 4 6 4 2 3 信息優(yōu)先權(quán)分配 4 7 4 3 應(yīng)用層信息幀格式 4 8 4 4 數(shù)據(jù)交換方式 4 9 4 4 1 生產(chǎn) 消費方式 4 9 4 4 2 遠程請求方式 4 9 4 4 3 點對點通信 5 0 4 5 報文濾波機制的設(shè)置 5 0 4 6 本章小結(jié) 5 2 第5 章系統(tǒng)軟件設(shè)計 5 3 5 1 系統(tǒng)節(jié)點軟件模型 5 3 5 1 1c a n 基本通信軟件 5 3 5 1 2c a n 應(yīng)用層協(xié)議軟件 5 6 v t 碩士學(xué)位論文 5 1 3 數(shù)據(jù)字典 5 7 5 1 4 具體應(yīng)用軟件 5 7 5 2 起重量檢測節(jié)點軟件設(shè)計 5 8 5 3 幅度 角度和角度檢測節(jié)點軟件設(shè)計 5 9 5 4 人機接口節(jié)點程序設(shè)計 6 1 5 4 1 液晶顯示程序 6 1 5 4 2 按鍵程序 6 5 5 4 3 實時時鐘程序 6 7 5 4 4 存儲器程序 6 9 5 5 繼電器控制節(jié)點軟件設(shè)計 7 1 5 6 本章小結(jié) 7 2 第6 章現(xiàn)場實驗及系統(tǒng)性能分析 7 3 6 1 系統(tǒng)現(xiàn)場安裝及調(diào)試 7 3 6 2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)精準度實驗及分析 7 7 6 3c a n 總線實時性能分析 7 8 6 3 1 波特率對網(wǎng)絡(luò)負載的影響 7 9 6 3 2c a n 數(shù)據(jù)包響應(yīng)時間 8 0 6 4 本章小結(jié) 8 2 第7 章結(jié)論與展望 8 3 7 1 結(jié)論 8 3 7 2 展望 8 4 參考文獻 8 6 成果 一8 9 致謝 9 0 碩士學(xué)位論文 第1 章緒論 1 1 課題研究背景 塔式起重機簡稱塔機 亦稱塔吊 最早起源于西歐 lj 是一種非連續(xù)性搬運機械 其結(jié)構(gòu)如圖1 1 所示 2 1 在實際操作過程中 其通過小車的行走 吊鉤的起升和塔身 的回轉(zhuǎn)等動作將構(gòu)件或材料準確地吊運到施工現(xiàn)場的任意部位 在吊運方式和吊運速 度方面它都比其他起重機械更勝一籌 不僅可減輕勞動強度 節(jié)省人力 同時還可降 低建設(shè)成本 3 1 因此 隨著我國建筑業(yè)的蓬勃發(fā)展 其得到了越來越廣泛的應(yīng)用 現(xiàn) 己成為施工現(xiàn)場不可或缺的關(guān)鍵建筑設(shè)備 4 j 圖1 1 塔機基本結(jié)構(gòu) f i g 1 1b a s i cs t r u c t u r eo fat o w e rc r a n e 相比于歐洲發(fā)達國家 我國的塔機行業(yè)起步相對較晚 但發(fā)展非常迅速 經(jīng)歷了 從無到有 從小到大 從仿制到自行開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的塔機產(chǎn)品的過程 逐步 形成了較為完備的技術(shù)體系和比較完整的系列型譜 5 6 我國塔機行業(yè)各種相關(guān)的技 術(shù)規(guī)范和標準也在不斷發(fā)展和豐富 塔機行業(yè)也成為了我國發(fā)展最快的建筑機械設(shè)備 行業(yè)之一 7 1 據(jù)文獻 8 h 1 0 1 數(shù)據(jù)顯示 我國2 0 0 1 年行業(yè)統(tǒng)計銷量9 7 3 8 臺 2 0 0 2 年成 第1 章緒論 為了世界上首個塔機年產(chǎn)量突破1 0 0 0 0 臺的國家 2 0 0 4 年由于宏觀經(jīng)濟與塔機行業(yè) 的資源結(jié)構(gòu)整合的雙重影響 塔機的產(chǎn)量有所回調(diào) 2 0 0 5 年 特別是2 0 0 6 2 0 0 7 年 在我國經(jīng)濟強勁拉動之下 各地新一輪基礎(chǔ)設(shè)施紛紛上馬 我國塔機的產(chǎn)銷量迅速恢 復(fù)高速運行 僅2 0 0 6 年銷量已超過2 0 0 0 0 臺 2 0 0 7 年更是增長至近3 0 0 0 0 臺 雖然 下半年爆發(fā)了金融危機 但2 0 0 8 年銷售量受其影響不大 仍突破了3 0 0 0 0 臺 2 0 0 9 年受沖擊較大 大多數(shù)廠家均選擇降低產(chǎn)量 因此其銷量也大幅下滑 但2 0 1 0 年隨 著經(jīng)濟的回溫 各地的產(chǎn)量和銷量也逐漸重現(xiàn)增長勢頭 然而 塔機在提高工作效率 節(jié)省人力的同時 也存在著巨大的安全隱患 目前 我國工傷事故己成為國民意外死亡的 頭號殺手 嚴重地影響了人們正常的工作 生活秩序和社會的穩(wěn)定 建筑業(yè)生產(chǎn)傷亡事故率排在礦山生產(chǎn)之后 成為威脅工人生 命健康的危險行業(yè) 1 1 1 2 由于塔機自身結(jié)構(gòu)特性 作業(yè)環(huán)境的多樣性及應(yīng)用范圍廣 泛 其安全性問題顯得尤為突出 為此 國內(nèi) 外生產(chǎn)管理及科研機構(gòu)部門都高度重 視塔機的安全生產(chǎn) 設(shè)置了各級監(jiān)察管理機構(gòu)對塔機進行管理與監(jiān)督 我國相關(guān)職能 部門制定了較為完善的規(guī)范與標準 頒布了 塔式起重機安全規(guī)范 等一系列重要文 件 對塔機設(shè)計 生產(chǎn) 使用 維護等各個環(huán)節(jié)均進行了強制性規(guī)定 1 4 雖然各 標準和規(guī)范對塔機安全保護裝置作了詳細規(guī)定 并強制要求塔機上必須配備各類安全 保護設(shè)備 但塔機事故依然屢屢發(fā)生 塔機作為一種蘊含危險因素較多 事故發(fā)生機 率較大的機械設(shè)備 一旦發(fā)生危險 很可能造成機毀人亡的慘劇 給國家和人民生命 財產(chǎn)造成巨大的損失 據(jù)不完全統(tǒng)計 1 5 叫19 1 從1 9 9 8 年至2 0 0 1 年 國內(nèi)一次性死亡 3 人以上的塔機安全事故2 5 起 造成7 6 人死亡 1 8 人重傷 另據(jù)國家安全生產(chǎn)監(jiān)督 管理總局調(diào)度統(tǒng)計司發(fā)布的安全簡報統(tǒng)計 結(jié)果如下 2 0 0 5 年建筑業(yè)安全生產(chǎn)事故 2 2 5 1 起 死亡2 5 8 7 人 同比減少3 3 1 起 2 0 2 人 分別下降1 2 8 7 2 其中特 大事故情況發(fā)生3 起 死亡7 4 人 同比增加2 起 5 3 人 分別上升2 0 0 2 5 2 4 特別重大事故發(fā)生1 起 死亡4 4 人 同比增加1 起 4 4 人 2 0 0 6 年建筑業(yè)重大事故 起數(shù)和死亡人數(shù)同比分別上升2 0 0 和1 2 4 2 0 0 7 年 建筑施工事故數(shù)和死亡人數(shù) 同比分別上升2 2 和6 9 建筑業(yè)重特大事故同比增加6 起 死亡人數(shù)增加1 4 3 人 建筑施工發(fā)生較大以上坍塌事故6 6 起 死亡3 7 5 人 分別占建筑施工較大以上事故 的6 4 1 和7 3 4 起重傷害發(fā)生較大以上事故2 3 起 死亡9 0 人 分別占建筑施工 較大以上事故的2 2 3 和1 7 6 其中塔機倒塌較大以上事故發(fā)生1 6 起事故 死亡 碩士學(xué)位論文 6 5 人 分別占起重傷害較大以上事故的6 9 6 和7 2 2 2 0 0 8 年 塔機倒塌較大以上 事故發(fā)生2 1 起 死亡7 2 人 雖然2 0 0 8 年相關(guān)部分試行出臺了最新的塔機安全規(guī)程 但2 0 0 9 年塔機倒塌較大以上事故仍增長了3 起 死亡人數(shù)達到7 5 人 圖1 2 塔機事故原因統(tǒng)計圖 f i g 1 2s t a t i s t i c a lc h a r to ft h ec r r n ea c c i d e n tc a b s e s 致使塔機出現(xiàn)安全事故的原因大致可歸納為如下幾點 2 0 h 2 6 1 超載 超限等違章操作 由于塔機生產(chǎn)廠家或應(yīng)用方過分控制工程成本等原 因 現(xiàn)役塔機中的很大一部分均未安裝相關(guān)的安全監(jiān)控系統(tǒng) 即使是一部分已裝有監(jiān) 控系統(tǒng)的在用塔機 一些操作人員在實際操作中卻過分追求工作效率 擅自調(diào)整甚至 屏蔽其監(jiān)控功能 使塔機超載或超限運行 此外 在現(xiàn)場施工作業(yè)時 操作人員經(jīng)常 僅憑目測經(jīng)驗對欲起吊的物料進行估算 但實際上估算值與實際值卻存在著較大偏 差 這些都給塔機的安全使用埋下了重大隱患 此種情況是導(dǎo)致安全事故的第一大原 因 占5 5 2 塔機自身的疲勞損傷 目前 由于對塔機現(xiàn)場應(yīng)用的安全監(jiān)管力度不夠 一 部分在用塔機長期滿載運行 缺乏有效維護 其內(nèi)部可能己出現(xiàn)輕微的疲勞損壞 一 旦塔機再次遇到最大載重限額或最大力矩極限的工況 甚至是在安全工作量程范圍內(nèi) 的工況 其自身的局部破壞極有可能引發(fā)連鎖反應(yīng) 從而導(dǎo)致吊臂折斷 塔身折斷 塔機傾覆等重大事故的發(fā)生 此種情況占安全事故總數(shù)的1 2 僅次于超載 超限 第1 章緒論 3 塔機自身設(shè)計質(zhì)量以及安裝 維護問題 我國對塔機的生產(chǎn)設(shè)計和現(xiàn)場安裝 均出臺了較為嚴格的標準和規(guī)范 塔機在出廠前或現(xiàn)場使用前 均需要通過相關(guān)質(zhì)檢 部門的安全檢驗 因此 此種情況導(dǎo)致的安全事故所占比重較小 4 惡劣環(huán)境下強行作業(yè) 主要指操作人員違反塔機安全操作規(guī)程 在強風(fēng) 濃 霧 大雨等環(huán)境下依然繼續(xù)工作 5 其他 由于塔機工作環(huán)境往往十分復(fù)雜 存在著許多安全隱患 如在周圍布 滿建筑物 高壓輸電線或同工程機械的環(huán)境中 塔機必須避免與這些障礙物相撞 這 些復(fù)雜的工況也使得塔機的施工作業(yè)變得非常困難 通過上面的事故原因分析可知 只要塔機工作在額定的操作范圍內(nèi) 不發(fā)生超載 超限 減輕其內(nèi)部的疲勞損壞 絕大多數(shù)的安全事故是完全可以避免的 而如何有效 抑制因超載 超限對塔機造成的破壞以及如何有效減少塔機安全事故發(fā)生率都成了公 眾關(guān)注的話題和焦點 為此 最新出臺的g b 5 11 4 2 0 0 6 塔式起重機安全規(guī)程 明確 規(guī)定要在塔機上配備力矩 起重量 幅度 回轉(zhuǎn)和高度安全限制器 到目前為止 大 多數(shù)的塔機在出廠時均已安裝上了力矩限制器 位置限制器和速度限制器等裝置 其 工作原理是當被監(jiān)控參數(shù)超過某極限值時斷電報警 這類機械式的保護裝置結(jié)構(gòu)簡 單 成本較低 雖然在一定程度上其能夠保證塔機的安全操作 但仍存在以下缺點和 不足 1 不能實時地監(jiān)控塔機的工作參數(shù) 無法將其運行狀態(tài)直觀地顯示給操作人員 以便其及時做出調(diào)整 2 不能完整記錄塔機工作過程 無法為日后生產(chǎn) 維護和事故判定提供可靠的 數(shù)據(jù)支持 3 長期使用后可靠性大大降低 因此 如何提供一種可靠性更高 可對塔機各工作參數(shù)實時同步監(jiān)控的安全監(jiān)控 系統(tǒng)成了迫切需要解決的問題 這也是本文的研究重點 1 2塔機監(jiān)控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 目前 國內(nèi)外對于塔機安全監(jiān)控系統(tǒng)的研究內(nèi)容主要包含兩劇2 7 3 3 1 豐富傳感器的種類 提高傳感器數(shù)據(jù)采集精度和可靠性 早期產(chǎn)品一般僅具 有力矩和起重量限制功能 即僅包括力矩限制器和起重量限制器 但發(fā)展到今天 很 多國內(nèi)外安全監(jiān)控產(chǎn)品已具有更大容量的信息集成度 監(jiān)控參數(shù)范圍從過去的起重力 碩士學(xué)位論文 矩 起重量擴展到塔機運行的位置 速度 加速度 甚至還包括風(fēng)速 溫度等信息 多方面全方位的信息集成安全監(jiān)控 2 數(shù)據(jù)處理及人機交互 目前的產(chǎn)品都非常注重改善系統(tǒng)的人機界面 提高其功 能性 網(wǎng)絡(luò)適用性 工作環(huán)境的普適性 系統(tǒng)的智能性 預(yù)判 反向保護 與塔機監(jiān) 視系統(tǒng)的擴展性 1 2 1 國外研究現(xiàn)狀 國外在塔機監(jiān)控方面的研究起步較早 而且很早已經(jīng)將監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于塔機 國 際上塔機制造行業(yè)主要有l(wèi) i e b h e r r p o t a i n w o l f f k o n i g p e k a z e t t 等 幾十家制造商 其產(chǎn)品占據(jù)國際起重機市場的大部分份額 也代表著塔機生產(chǎn)的最先 進技術(shù) 它們大都根據(jù)自己的起重機產(chǎn)品研制有配套的安全監(jiān)控裝置 這些制造商的 產(chǎn)品 基本上反映了國外安全監(jiān)控裝置的發(fā)展歷程 現(xiàn)狀和趨勢 3 4 德國的l i e b h e r r 公司在塔機安全監(jiān)控和微機自動控制方面做了大量的研究 其 研制的l i k a s 系列塔機電子監(jiān)控系統(tǒng)代表了國際最先進水平 該系統(tǒng)功能齊全 包 括監(jiān)視系統(tǒng) 力矩限制系統(tǒng) 塔機作業(yè)空間限定系統(tǒng) 防碰撞系統(tǒng)及數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng) 大規(guī)模點陣彩色l c d 液晶顯示 采用 圖文并茂 方式顯示的內(nèi)容豐富多彩 有起 重量 幅度和塔機工作力矩曲線圖 能反映參數(shù)間的相互制約和互動變化的關(guān)系 模 塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計 監(jiān)視系統(tǒng)模塊作為基本模塊可以獨立地工作 用戶根據(jù)需要可以逐個 添加其他各模塊 甚至允許添加用戶自己設(shè)計開發(fā)的控制系統(tǒng) 以滿足現(xiàn)場作業(yè)的需 要 英國的起重機上安裝了近場感應(yīng)系統(tǒng) 可避免起重機之間的互相碰撞 采用無線 遙控時載荷稱量也能在遠程終端上顯示 起重機上還裝有微機自診斷監(jiān)測系統(tǒng) 該系 統(tǒng)能提供大部分常規(guī)維護檢查內(nèi)容 如鋼絲繩狀況 減速器油溫油位 車輪軸承溫度 起重機載荷 應(yīng)力和振動情況 制動器摩擦襯片的壽命及溫度狀況等 美國w y l i es y s t e m s 系列產(chǎn)品采用小屏l c d 液晶顯示器 在同一屏幕上顯示起重 量 幅度 回轉(zhuǎn)角度等多個參數(shù) 數(shù)字和柱狀圖形相結(jié)合的方式顯示各參數(shù)全過程的 趨勢變化 對參數(shù)的變化一目了然 按鍵具有參數(shù)設(shè)置功能 通過修改設(shè)定數(shù)值可以 適應(yīng)不同類型塔機的需要 通用性和適用性較強 不同色彩的指示燈形象地反映出塔 機的運行狀態(tài) 第1 章緒論 美國的c r a n e 公司主要業(yè)務(wù)是為大型起重機設(shè)備工程提供監(jiān)測系統(tǒng)方案 該公 司提出無線監(jiān)視系統(tǒng)解決方案 w i r e l e s sm o n i t o r i n gs o l u t i o n w m s 采用z i g b e e 技 術(shù)作為系統(tǒng)傳感器數(shù)據(jù)采集通訊手段 提供可選的e t h e m e t 移動機站 衛(wèi)星等多種 寬帶接入技術(shù)方案 終端部分亦可采用數(shù)據(jù)中心 p c 主機或警報提示系統(tǒng)設(shè)備 該 系統(tǒng)具有完備的 端到端 的智能監(jiān)視 連續(xù)實時的數(shù)據(jù)信息 靈活 高效等特點 法國p o t a i n 公司在其m d 系列塔機中 裝設(shè)了微機輔助保養(yǎng)系統(tǒng)以及微機輔 助駕駛系統(tǒng) 能夠記錄5 3 種參數(shù) 對2 0 種故障與易損件磨耗程度和使用壽命直接相 關(guān)的信息進行儲存處理 還可對有關(guān)電源供電條件 制動器和其他部件的技術(shù)狀況相 關(guān)的2 3 項信息進行處理 如檢測參數(shù)超出極限值 系統(tǒng)會向駕駛員發(fā)出燈光警示信 號 并在熒屏上顯示應(yīng)及時檢修的項目或部位 1 2 2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 國內(nèi)對塔機監(jiān)控系統(tǒng)的研究雖然起步較晚 但也出了不少相關(guān)的產(chǎn)品 比較有 名的有 3 5 叫4 2 中國航天工業(yè)總公司三十一所北京三發(fā)高科技實業(yè)總公司的l x 系列力矩限制 器 其具有超載 過卷等保護功能 同時具有聲光報警及限制起重機向危險方向動作 等功能 數(shù)字顯示 操作較簡單 大連工程機械研究所的a m l u 1 型力矩限制器 采用單片機為主機 各從機由 相應(yīng)的檢測傳感器和用作數(shù)據(jù)處理的單片機構(gòu)成 從機采集并處理各自傳感器的信 號 主機實時查詢各從機的信息以實現(xiàn)對塔機起重量 起重力矩 小車幅度 吊鉤高 度等的監(jiān)測及記錄 北京起重運輸機械研究所研制開發(fā)的q d x 型起重機多功能安全保護裝置 該裝 置具有起重量超載及欠載保護 力矩超載保護 防止起重機互相碰撞 露天風(fēng)速檢測 及保護 下降超速保護 起升高度指示及限位等多種功能 報警方式有語音提示及聲 光報警 并同時切斷相應(yīng)的電氣控制回路 長沙浦沅電子安全信息技術(shù)開發(fā)有限公司的a c s 系列起重力矩限制器 其采用 漢顯技術(shù) 其所有的操作均可用漢字菜單顯示 使用操作性強 采用大型液晶圖形點 陣顯示 能直觀清晰地顯示出起重機工作圖形及工況參數(shù) 具有獨特的自診斷功能 直接用漢字提示出故障現(xiàn)象和處理辦法等 具有 黑匣子 功能 可自動記錄起重機 在作業(yè)過程中危險工況 為事故分析處理提供可靠依據(jù) 碩士學(xué)位論文 1 2 3 國內(nèi)外監(jiān)控產(chǎn)品的對比與分析 從以上對國內(nèi)外塔機監(jiān)控產(chǎn)品的介紹可知 國外的系統(tǒng)其監(jiān)控參數(shù)比較全面 數(shù)字化和智能化程度都很高 代表著國外塔機的發(fā)展趨勢 占據(jù)著塔機監(jiān)控技術(shù)的前 沿 但面內(nèi)國內(nèi)的塔機市場時 其卻因高昂的價格而難以推廣 尤其是對于數(shù)量龐大 的中小型塔機 僅一個單純的監(jiān)控系統(tǒng)就要占據(jù)整個塔機2 0 3 0 的支出 這使得 眾多塔機生產(chǎn)商和使用方難以接受 在生產(chǎn)成本方面 國內(nèi)的監(jiān)控系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢 但其系統(tǒng)的可靠性和功能 的全面性跟國外產(chǎn)品相比還有較大的差距 目前 國內(nèi)市場上出現(xiàn)的和正在研制的塔 機監(jiān)控系統(tǒng)可分為兩類 有線型和無線型4 3 h 4 6 1 由于工作在施工現(xiàn)場 通信環(huán)境變 化較大 無線型監(jiān)控系統(tǒng)有時存在著進網(wǎng)連接困難 容易掉線 通信不穩(wěn)定等問題 且目前其成本較高 不利于推廣 有線型系統(tǒng)多采用單主機結(jié)構(gòu)的集中控制 比較典 型的是r s 4 8 5 總線的主從式系統(tǒng) 但這類系統(tǒng)存在均以下缺點 4 7 h 5 2 1 主從結(jié)構(gòu)無法構(gòu)成多主或冗余結(jié)構(gòu)的系統(tǒng) 要保證控制功能的實現(xiàn) 主機必 須具備較強的數(shù)據(jù)處理能力 即使采用處理功能較強的芯片 但一旦主機出現(xiàn)異常 系統(tǒng)的可靠性也無法得到保證 此外其維護成本也較高 2 以通道方式采集塔機工作參數(shù) 不利于新的監(jiān)測參數(shù)和新功能節(jié)點的加入 系統(tǒng)可擴展性差 3 分布在塔機各處的從機均與主機相連 布線較為繁瑣 1 3 本文的主要研究內(nèi)容 為了解決上述的問題和不足 本文基于c a n 總線的分布式結(jié)構(gòu) 設(shè)計了一種可 靠性更高 成本更低 推廣性更強的塔機安全監(jiān)控系統(tǒng) 其主要實現(xiàn)以下功能 1 實時更新顯示塔機的各項工作參數(shù) 使操作人員直觀了解塔機的工作狀態(tài) 以便其做出正確判斷 避免誤操作 2 自動判斷司機的操作指令 主動拒絕執(zhí)行超出塔機安全工作范圍的指令 同 時可發(fā)出聲光報警并將相應(yīng)的工作參數(shù)記入違章檔案 3 全程記錄塔機的所有工作過程 管理者可方便地轉(zhuǎn)存此數(shù)據(jù) 為日后塔機壽 命評估 維護和事故判定提供強有力的數(shù)據(jù)支持 第1 章緒論 要設(shè)計一套可靠性高 功能較全面的塔機安全監(jiān)控系統(tǒng) 不僅要先了解塔機的 結(jié)構(gòu)和工作原理 還要分析其所處的工作環(huán)境 同時還要從系統(tǒng)實現(xiàn)的角度考慮如何 更合理地分配系統(tǒng)中各節(jié)點的功能 為此本文主要進行了如下研究工作 1 根據(jù)塔機的結(jié)構(gòu)和工作原理 明確系統(tǒng)需要對哪些參數(shù)進行監(jiān)控以及需要提 供哪些保護功能 制定監(jiān)控系統(tǒng)需實現(xiàn)的功能要求 2 分析c a n 技術(shù)特點和c a n 規(guī)范的分層結(jié)構(gòu) 討論c a n 報文幀的結(jié)構(gòu)和傳 輸過程 探討報文濾波和總線仲裁機制對c a n 總線的影響 明確c a n 系統(tǒng)的組建 方式和實現(xiàn)的技術(shù)難點 3 分析系統(tǒng)所要監(jiān)測參數(shù)的特點 研究如何對各參數(shù)進行監(jiān)測 從經(jīng)濟性和可 靠性的角度出發(fā) 設(shè)計相應(yīng)的傳感檢測電路和后續(xù)硬件 包括原理圖的設(shè)計和p c b 電路板的設(shè)計 4 分析目前較成熟的c a n 工業(yè)應(yīng)用協(xié)議 并結(jié)合塔機監(jiān)控的特點 設(shè)計適用 塔機安全監(jiān)控的c a n 高層應(yīng)用協(xié)議 包括信息標識符的分配 信息幀格式的確定 數(shù)據(jù)交換方式的制定和報文濾波機制的設(shè)定 5 根據(jù)c a n 總線的通訊特點 以及系統(tǒng)所需實現(xiàn)的功能 設(shè)計各節(jié)點軟件 包括c a n 通訊軟件 檢測節(jié)點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理軟件 人機接口中l(wèi) c d 顯示和數(shù) 據(jù)存儲軟件 控制節(jié)點繼電器保護軟件等等 6 制作監(jiān)控系統(tǒng)的硬件原型 選取較具代表性的實驗場合進行安裝和調(diào)試 設(shè) 計并展開數(shù)據(jù)精準度 系統(tǒng)可靠性以及系統(tǒng)c a n 通訊性能的實驗 完成對系統(tǒng)性能 的測試和評估 碩士學(xué)位論文 第2 章c a n 總線的特點與技術(shù)規(guī)范 c a n 總線的特點與分層結(jié)構(gòu) 控制器局域網(wǎng)c a n 為串行通信協(xié)議 它屬于現(xiàn)場總線的范疇 能有效地支持具 有很高安全等級的分布實時控制 5 3 1 c a n 的應(yīng)用范圍很廣 從高速的網(wǎng)絡(luò)到低位的 多路配線都可以使用c a n 它首先被應(yīng)用在汽車電子行業(yè)里 使用c a n 連接發(fā)動機 控制單元 傳感器 防滑系統(tǒng)等 而后又逐步發(fā)展到用于其它工業(yè)領(lǐng)域的控制 在鐵 路 機械 航天 電力等行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用 在1 9 9 3 年l1 月1 5 0 正式頒布了道路 交通運載工具一數(shù)字交換一高速通信控制器局域網(wǎng)c a n 國際標準 1 5 0 11 8 9 8 為控 制器局域網(wǎng)標準化 規(guī)范化的推廣鋪平了道路 c a n 屬于總線式串行通信網(wǎng)絡(luò) 由于其采用了許多新技術(shù)及其獨特的設(shè)計 與 一般的通信總線相比 c a n 總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性 實時性和靈活性 因而一些世界著名的汽車廠商如b e n z b m w r o l l s r o y c e 等都采用c a n 總線 來實現(xiàn)汽車內(nèi)部控制系統(tǒng)與各檢測和執(zhí)行機構(gòu)間的數(shù)據(jù)通信 其主要特點可概括如 下 1 c a n 為多主機方式工作 也就是說網(wǎng)絡(luò)上的任一節(jié)點均可在任意時刻主動地 向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點發(fā)送信息 而不分主從 通信方式比較靈活 而不用站點地址等節(jié) 點信息 2 c a n 網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點信息分成不同的優(yōu)先級 可滿足不同的實時要求 高優(yōu)先 級的數(shù)據(jù)最多可在1 3 4 9 s 內(nèi)得到傳輸 3 c a n 總線采用非破壞性總線仲裁技術(shù) 當多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息時 優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動地退出發(fā)送 而最高優(yōu)先級的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù) 據(jù) 從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁的時間 尤其是在網(wǎng)絡(luò)負載重載很重的情況下也不 會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓情況 4 c a n 總線只需通過報文濾波即可實現(xiàn)點對點 一點對多點及全局廣播等幾種 方式傳送接收數(shù)據(jù) 5 c a n 的直接通信距離最遠可達10 k m 速率5 k b p s 以下 通信速率最高可 達1m b p s 此時通信距離最長為4 0 m 6 c a n 采用短幀結(jié)構(gòu) 傳輸時間短 受干擾概率低 每幀都有c r c 校驗及其 它檢錯措施 數(shù)據(jù)出錯率極低 第2 章c a n 總線的特點與技術(shù)規(guī)范 7 c a n 上的節(jié)點主要取決于總線驅(qū)動電路 目前可達1 1 0 個 報文標識符可達 2 0 3 2 種 c a n 2 0 a 而擴展標準 c a n 2 0 b 的報文標識符幾乎不受限制 8 c a n 的每幀信息都有c r c 檢驗及其他檢錯措施 保證了數(shù)據(jù)出錯率極低 9 c a n 通訊的硬件接口簡單 通信線少 通信介質(zhì)可為雙絞線 同軸電纜或光 纖 選擇靈活 c a n 遵從o s i 模型 按照o s i 基準模型 c a n 結(jié)構(gòu)劃分為兩層 數(shù)據(jù)鏈路層和 物理層 其中數(shù)據(jù)鏈路層包括邏輯鏈路層l l c 和媒體訪問控制層m a c c a n 技術(shù) 規(guī)范2 0 a 版本中 數(shù)據(jù)鏈路層的l l c 和m a c 子層服務(wù)及功能被描述為 對象層 如圖2 1 所示 數(shù)據(jù)鏈路層 鏈路控制子層 l l c 驗收濾波 越載通知 恢復(fù)管理 介質(zhì)訪問子層 m a c 數(shù)據(jù)封裝 拆裝 幀編碼 填充 消除填充 介質(zhì)訪問管理 錯誤檢測 錯誤標定 應(yīng)答 串行化 解串行化 物理層 物理信令 e l s 位編碼 解碼 位定時 同步 驅(qū)動器 接收器特征 圖2 1c a n 節(jié)點的分層結(jié)構(gòu) f i g 2 1l a y e r e ds t r u c t u r eo fac a nn o d e l l c 子層的主要功能是 為數(shù)據(jù)傳送和遠程數(shù)據(jù)請求提供服務(wù) 確認由l l c 子 層接收的報文已被接收 并為恢復(fù)管理和通知超載提供信息 m a c 子層的功能主要 是傳送規(guī)則 亦即控制幀的結(jié)構(gòu) 執(zhí)行仲裁 錯誤檢測 出錯標定和故障界定 物理 層的功能是有關(guān)全部電氣特性在不同節(jié)點間的實際傳送 c a n 技術(shù)規(guī)范2 0 b 定義了 碩士學(xué)位論文 數(shù)據(jù)鏈路中的m a c 子層和l l c 子層的一部分 并描述與c a n 有關(guān)的外層 物理層 定義了信號怎樣進行發(fā)送 因而 涉及位定時 位編碼元和同步的描述 在這部分技 術(shù)規(guī)范中 未定義物理層中的驅(qū)動器 接收器特性 以便允許根據(jù)具體應(yīng)用 對發(fā)送 媒體和信號電平進行優(yōu)化 使信號傳輸更加方便 m a c 子層是c a n 協(xié)議的核心 它描述由l l c 子層接收到的l l c 子層發(fā)送的認 可報文 m a c 子層可響應(yīng)報文幀 仲裁 應(yīng)答 標定 m a c 子層有稱為故障界定的 一個管理實時監(jiān)控 它具有識別或短暫擾動的自檢機制 l l c 子層的主要功能是報文 濾波 超載通知理和恢復(fù)管理 按照i e e e8 0 2 2 和8 0 2 3 標準 物理層劃分為 1 物理信令 p l sp h y s i c a ls i g n a l i n g 2 物理媒體附屬裝置 p m ap h y s i c a lm e d i u ma t t a c h m e n t 3 媒體相關(guān)接口 m d im e d i u md e p e n d e n ti n t e r f a c e 數(shù)據(jù)鏈路層又劃分為 1 邏輯鏈路控制 l l cl o g i cl i n kc o n t r 0 1 2 媒體訪問控s o m a cm e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 2 2c a n 的基本概念 1 報文 m e s s a g e s 總線上的信息以不同的固定格式發(fā)送報文 但長度有限 當總線空閑時 任何連接的單元都可以開始發(fā)送一個新報文 2 信息路由 i n f o r m a t i o nr o u t i n g 在c a n 總線系統(tǒng)中 c a n 節(jié)點不使用任 何關(guān)于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的信息 3 系統(tǒng)靈活性 節(jié)點可以在不要求所有節(jié)點及其應(yīng)用層改變?nèi)魏诬浖蛴布?情況下 在c a n 網(wǎng)絡(luò)中直接添加節(jié)點 4 報文路由 報文的尋址內(nèi)容是由標識符來指定的 標識符不指出報文的目的 地 但其有特定含義 使得網(wǎng)絡(luò)上所有的節(jié)點