单片机在起重机工况安全监控系统中的应用

2011-08-28 16:28:32来源: 山西电子技术

   汽车起重机具有移动快捷便利的特点,因此应用非常广泛。其操作虽然简单,但是工况却十分复杂,操作员往往不易发现潜在的危险,安全生产形势十分严峻,尤其是车载移动式起重机,常常出现侧翻事故,以至人员伤亡。
 本文开发了一种汽车起重机安全监控系统,针对起重机在各种工况下的操控特性曲线,实时监测和报警,并带有安全操作提示,包括侧方位安全性提示,并在紧急状态下自动切断超载项目,从而集工况监测、控制、报警、记录系统于一体。与进口设备“力矩限制器”相比,本系统具有功能齐全、经济实用的特点。本系统经过近10年的实际应用和改进,能够杜绝安全隐患,确保安全生产,并且可以通过简单改装和修改计算参数在其他类型的起重机上使用,能够简单快捷地完成设备的安装调试工作。
1 设计规格和功能要求
 起重机工况和安全监控系统的主要功能包括:
 (1)异常工况分级警告,自动测量工况并计算安全工作边际,当安全受到潜在威胁时发出不同的声光报警信号,提醒操作员注意操作安全;
 (2)紧急保护控制,在安全工作状态受到严重威胁时,自动启动应急控制,停止向危险方向运转,只能向安全方向运转;
 (3)传感器信号校正和量程标定,根据传感器信号所在区间,采取二次插值补偿修正,提高测量精度,并自动标定零点,自动判断传感器异常,确保系统工作安全;
 (4)存储起重机的操作特性参数,针对起重机在不同工况下的特性曲线,实时将运行参数提供给监控系统使用;
 (5)自动记录异常工况。
2 检测单元及工作原理
 汽车起重机监控系统示意图如图1所示,监测装置包括压力传感器、角度传感器、长度传感器、钢丝过卷传感器、钢丝过放传感器等,要求监控系统分别采集不同的物理信号,并传送到主控计算机进行分析处理。过卷和过放是通过开关量自动触发控制,在此从略。

 压力传感器通过检测支撑油缸上下腔的压力信号p,间接推算起吊物的重量;臂长传感器通过头部固定在臂杆端部的拉线,将臂杆长度变化转换为传感器内部测定元件角度的变化,以测定检测臂杆的实际长度l;仰角传感器安装在臂杆上,通过重锤带动角度测定元件转动,以检测臂杆仰角β。
根据以上测量,计算起吊物的实际重量如下:
 W=λ×f(p)/l(1)
 式(1)中:f(p)是压力测量信号的二次非线性函数;λ是角度信号β的二次非线性函数;l是吊臂长度测量信号。
在一定的设计起吊量情况下,臂长与臂角度是互相制约的,当起重臂仰角一定时,随着起重臂长度的增加,起重半径和起重高度也随之增加,而起重量应当相应减少,以防止翻车事故,这在式(1)中表现为W与l成反比。反之,当臂长l一定时,随着起重臂仰角β的增大,起重量随之增加。参见图2某起重机的操作特性曲线,曲线1代表起重量W与工作臂长度l(图中表达为“工作幅度”)之间的关系,它可以用二次曲线分段近似表达。本系统详细集成了操作特性二次曲线的各项参数,存放在非易失存储器中供软件调用。

 起重机的安全工作状态与W、β和l都有关系,这里要特别注意在不同工况下的操作特性是不同的,例如图2中有不同的曲线,不同的起重机也有较大区别,因此计算复杂度较高,需要根据工况测量信息分段计算。在实际系统中,根据W、β和l的实测结果,对起重机的操作特性作二次函数的插值逼近,各工况下的插值系数通过操作特性表获得。

 为保障工作安全,通常要求监控系统随时计算在特定条件下允许的最大起吊重量Wmax,并提示W不要超过Wmax。经过大量测试,得到Wmax的计算如下:

3 监控单元及工作原理
 起重机安全监控系统硬件组成如图3,通过A/D接口对各路传器信号进行采样,包括角度、吊臂长度、压力传感器等,从而取得起重机的工作参数,再通过式(1)、式(2)计算,得出相应工况下的实际起重物重量W及其与Wmax的比率(也称为载荷率),在液晶显示模块上显示示意图、文字提示信息,包括臂长、臂仰角、载荷等操作者关心的参数,并发出提示音,供操作员参考。当载荷率大于90%时预报警,大于100%时报警,并自动启用强制停止控制,这时起重机不能继续向危险方向动作,如伸臂、起升等,从而实现对起重机的测控保护功能,使起重机的工作符合安全生产要求。

 计算中所需的常数以及中间结果存放在外接的非易失存储单元中,配合系统提供的液晶显示和键盘人机界面,本系统还可以完成特定的参数设置、标定及调试记录等辅助功能。
4 软件设计
 软件系统完成以下功能:
 (1)传感器信号分析计算,主要完成式(1)、式(2)的运算,计算量较大,采用AT89S52单片机[1,2]。起重机在不同工况下的操作特性是不同的,因此要求在计算过程中,自动判断工况(前方、后方、侧方、支腿、副臂等)并选择相应的计算系数和插值公式,将计算结果和提示信息送显示模块。图4为显示效果图,其中包括副臂是否伸长、有无过卷过放、支腿是否工作、主臂是否位于侧后方、系统的载荷率及当前是否安全等信息。
 (2)报警和紧急保护,在过卷、过放、超重、传感器异常等情况下,系统都能实时给出声光告警和应急处理,并通过8255接口输出控制信号启动保护继电器动作。
 (3)液晶显示,采用外购的160×128点阵显示模块,清晰度很高,每屏可以显示8×10个16×16点阵的汉字,本系统采用图文混合显示,如图4所示。系统用到的汉字点阵预先存放在存储器内[3]。

 (4)薄膜键盘,采用4×4键盘矩阵,便于集成在仪器面板上,除了输入0~9数字之外,还能输入+1、-1、CHK等控制字符,以便输入系统调试过程中用到的一些参数,单片机通过8255接口电路扫描键盘动作并做相应处理。
 起重机安全生产的形势非常严峻,采用智能监控仪表,在液晶显示器上显示工况提示信息,同时发出声光提示和报警信息,完全能够帮助操作员进行安全生产,杜绝不当操作造成安全事故。本系统适用于轮式起重机、履带式起重机、塔式起重机的安全监控,具有很高的推广应用价值。
参考文献
[1] 张毅刚.新编MCS-51单片机应用设计[M],哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2001:56-98.
[2] 周春明.AT89S51多功能遥控器的设计与制作[J],电子制作,2007(6):16-18.
[3] 谢维成,杨佳国.单片机原理与应用及C51程序设计[M].北京:清华大学出版社,2005:70-92.

关键字:单片机  应用

编辑:eeleader 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2011/0828/article_8388.html
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