塔机智能监控系统的研制.docx

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塔机智能监控系统的研制

塔机智能监控系统的研制

　　摘要：

针对中小吨位塔机运行的安全需要，研发一种基于ARM处理器，集成安全监控、数据管理、用户管理、故障分析为一体的智能安全监控系统，塔机智能监控系统要求适合现行塔机结构特点，实时采集塔机的工作参数，对塔机在工作过程中出现的不安全操作采取有效监控，并采取措施进行安全操作，通过GPRS网络进行远程监控。

系统采用嵌入式系统开发方式，对嵌入式软件进行优化，提高软件运行速度与数据处理性能，经过现场的实际应用，能有效提高用户操作，保证塔机安全运行。

　　关键词：

塔式起重机、智能监控系统、嵌入式系统、软件优化

　　引言

　　随着我国政府对塔式起重机安全生产的重视程度越来越大，对塔机配置安全监控系统逐步提出了强制要求。

当前，塔式起重机搭载监控系统，已经成为塔机设备市场的准入标准。

2012年国家已经出台了大型塔机智能监控系统的国家标准《起重机械安全监控管理系统》，并对全国范围内大型塔机配置监控系统提出了强制安装要求和相关技术要求。

小型塔机虽然现在还没有国家标准要求强制安装，但是在国内不少城市和地区，地方建设厅和工程质量安全监督部门也已对地区内使用塔机提出了强制安装监控系统的要求，试点的城市包括：

杭州、重庆、南昌、武汉等。

从局部试点到全国推广的发展模式来看，塔机搭载监控系统的要求将逐步在全国推广。

　　基于上述要求，开发出一套适合现行塔机结构特点的塔机智能监控系统，实时采集塔机的工作参数，对塔机在工作过程中出现的不安全操作采取有效监控，并采取措施进行安全操作。

经过前期的市场调研与需求分析，本次开发的塔机智能监控系统需要具备以下功能：

　　1、塔机工作参数实时监测显示：

可通过显示屏查看包括当前吊重重量、力矩、幅度、起升高度、风速、塔臂倾角、回转角度等工作状态信息；

　　2、塔机力矩限制功能：

实时比较塔机当前实际吊重/力矩与额定吊重/力矩，当超出安全范围时，自动报警和发送超载信息；

　　3、塔机故障诊断分析功能：

自动检测系统内各组件的工作状态，发生异常时自动向操作人员发出报警信号。

　　4、塔机非法操作黑匣子数据记录功能：

使用高可靠性的黑匣子记录模式自动记录非法操作及故障信息，并提供便捷的查阅界面和下载接口。

　　5、控制保护功能：

在发生故障或者出现危险操作情况下参与塔机控制，按照安全操作规则限制塔机朝进一步危险运行。

　　6、远程监控功能：

通过GPRS网络与远程控制中心进行数据交互。

　　1、系统整体概述

　　塔机智能监控系统是一套集成安全监控、数据管理、用户管理、故障分析为一体的塔机辅助操控装置，融合了传感器采集技术、嵌入式系统设计、远程数据传输、信息系统开发等相关技术[1]。

监控系统通过传感器采集塔机的实时工作状态，并将其交由嵌入式处理器进行数据分析，发出相应的控制信号给塔机主控PLC并提供声光报警信号，根据需要把相应的工作信息通过GPRS传输至远程控制中心。

塔机智能安全监控系统包括三个部分：

显示屏、传感器、GPS终端。

图1为系统构成图。

　　显示屏安装在塔机的在驾驶室中，对传感器采集的数据进行分析处理，实时监控塔机的工作状态，显示塔机当前的起升高度、幅度、回转角度、风速和吊重重等重要参数，实时比较塔机当前实际吊重/力矩与额定吊重/力矩，当超出安全范围时，自动报警和发送超载信息，并且自动记录非法操作与故障性质至黑匣子中，同事把相应的参数传输至塔机PLC控制器中[2]。

传感器主要完成高度、幅度、角度、载重、风速等信号的采集，通过信号采集调理模块的的滤波处理，最终信息显示在显示屏上。

GPS终端主要进行塔机安装地点定位，利用GPRS网络与远程监控中心进行数据交互[3]。

　　塔机智能安全监控系统的设计主要包括显示屏硬件设计、显示屏软件设计、远程数据传输等三部分，本文重点介绍显示屏软件设计。

　　2、显示屏硬件设计

　　塔机监控系统主要以监控塔机安全为目的，用高性能芯片作为主要部件，系统对功能、可靠性和成本都有严格的要求。

显示屏是塔机监控系统的中央控制单元，负责完成系统内各项任务的调度，需要进行大量的数据处理，故选用NXP半导体生产的LPC2478ARM处理器和系统内核，处理器采用32位ARM7TDMI-S内核[4]，集成了RS232、CAN通道、增强型的10位ADC、PWM单元等，在处理器已有资源上设计了RTC电路、外扩SDRAM存储器、外扩NANDFLASH存储器、NORFLASH存储器、外扩EEPROM存储器构成。

图2为塔机监控系统显示屏硬件框架图。

　　电源模块主要用于为系统提供所需的各种不同的电源，电源模块主要包括电源滤波器、DC-DC转换电路和LDO转换电路。

电源滤波器用于对外部输入电源进行滤波，它能有效地减低外部电源对系统内部的干扰，同时也能降低系统对外部电源的干扰；DC-DC转换电路能够能够将宽幅输入的直流电源转换成恒定的系统所需的直流电源，DC-DC转换电路包括12VDC-DC和5VDC-DC等，12VDC-DC能够将外部输入的宽幅输入直流（18V～36V）转换成12V直流，5VDC-DC能够再将24V直流转成系统所需的5V直流电源；LDO转换电路也是用于系统内部电源电压转换，与DC-DC不同的是，LDO转换电路输出电源纹波更低，能够为系统内部各芯片提供良好的电源环境。

　　LCD显示模块用于接收处理器输出的图像信息并在显示屏上显示，其组成主要是信号驱动电路和LCD显示屏，驱动电路主要用于隔离处理器与显示屏和增强处理器的驱动能力；LCD显示屏因塔机因其特殊使用环境，操控室经常需要大范围转动且处于高空中，阳光直射严重，基于显示屏视觉效果的考虑，塔机智能监控系统选用的LCD屏是5.7寸黑白屏，显示屏表面进行防炫处理，能够在强光下保持良好的视觉效果。

　　AD采集模块用于对模拟输入信号进行模拟/数字转换。

塔机监控系统通过外扩AD转换芯片的方式，扩展了处理器的AD采集功能。

塔机监控系统提供6路、12位精度的AD接口。

在AD采集模块中设计了前级放大电路和滤波电路，如果输入模拟信号幅度或频率发生改变可以通过修改前级放大电路和滤波电路的方式调整AD采集模块的适应性。

采集模块对应的传感器包括：

幅度传感器、高度传感器、重量传感器、风速传感器、回转角度传感器和倾角传感器。

　　通讯模块是塔机智能监控系统与外系统进行数据交换和控制指令传输的控制模块。

通讯模块包括：

标准RS232/485串行口、USB接口、CAN总线接口。

塔机智能监控系统设置了二路标准RS232串行接口，一路RS232与PLC进行通讯，通讯协议采用Modbus通讯协议，另外一路RS232与GPS通讯，采用内部自定义通讯协议；USB接口的使用使系统的记录数据提取功能更为强大，操作人员可以使用USB接口方便的读取监控系统内存储的记录数据；CAN总线接口支持CAN-OPEN2.0协议，可以根据用户需要增配CAN通讯功能。

CAN接口的应用能够很好地满足工业控制环境下数据传输的可靠性和简易性要求。

　　3、显示屏软件设计

　　3.1软件设计概述

　　塔机智能监控系统的应用软件实现监控塔机运行的具体功能，系统要求采集塔机工作参数，具有可靠性和实时性的特点；软件需要多任务操作，需要系统性能高，数据处理快，软件可以将必要的监控信息、塔机状态通过GPS终端想远程监控中心传输，使用户可以远程监控整个塔机系统。

　　塔机智能监控系统是典型的实时控制嵌入式系统，是采用嵌入式系统设计方法，整个软件系统大体分为五个层次，uC/OS-II操作系统和硬件驱动为整个系统运行的基础，文件系统主要功能是为系统管理底层设置文件，应用程序采用MiniGUI进行人机界面的设计。

图3为软件系统的层次结构图，图4为软件系统启动流程图。

　　3.2驱动程序开发

　　塔机监控系统采用嵌入式开发，软件架构中包含文件系统与硬件驱动，硬件驱动实现对嵌入式系统外设的控制，文件系统向应用软件提供规范接口，方便应用软件调用[5]。

本次系统设计包含了RTC电路、CAN通信、RAM读写、LCD显示等，应用软件均需要通过各自的驱动程序进行操作。

　　本文以CAN模块为例，介绍驱动程序开发的方法与流程，为了便于CAN驱动程序的代码的移植与维护，采用分层的方法进行CAN驱动程序的编写。

uC/OS-II操作系统与CAN驱动程序之间进行双向数据交换，应用层、协议层、接口层的数据分成进行数据调用。

图5为CAN驱动程序分层结构图。

　　CAN硬件层主要实现LPC2478ARM处理器与CAN控制器之间的硬件初始化，建立与LPC2478ARM处理器之间的通讯，由于LPC2478ARM处理器集成内部CAN控制器，内部通过APB总线连接，实现了对CAN控制器的寄存器的读写，因此不需要进行驱动程序的设计。

　　3.3软件界面设计

　　塔机智能监控系统的人机界面作为人机交互的窗口，设计时充分考虑人性化与易操作性，设计用户界面的目的是直观显示采集来的塔机监控数据，分析并存储数据，根据采集数据及存储的历史数据更有效地分析判断塔机工作的安全性能。

人机界面采用MiniGUI进行设计，塔机监控系统人机界面的作用如下：

实时显示塔机起重量、工作幅度、回转角度和起升高度的数据，并且用软件限制这些变量的数据范围，超出限制范围时给出报警信息；实现对设备初始化设置、数据存储和数据历史查询，可以选定时间区域，在选定时间区域内显示数据的变化曲线。

图6为系统软件的页面布局图。

　　3.3软件设计优化

　　在软件系统开发过程中，为了适应塔机工作环境的特定性，监控系统软件进行了很多优化处理，软件优化后的特点包括：

　　1、系统运行速度。

塔机智能监控系统与以往其他力限器设备在设计上的最大不同之处为应用黑白屏显示系统。

为了提升系统的运行速度和黑白屏的显示效果，在图形界面系统的选取上选用了自MiniGUI图形界面系统。

该系统在针对黑白屏应用而进行优化后，最大限度地降低了系统使用资源，从而提高系统的运行速度。

　　2、系统稳定性。

塔机智能监控系统嵌入了uC/OS-II操作系统，在确保操作系统的稳定运行的前提下实现对各项任务的调度、同步与信号量地传递。

在将MiniGUI移植到uC/OS-II的过程中，深入了解了uC/OS-II的机理，优化MiniGUI与uC/OS-II的接口，以保证MiniGUI在uC/OS-II下运行稳定[6]。

　　4、远程数据传输

　　塔机智能监控系统通过GPS终端与远程监控中心进行数据通讯，GPS终端为塔机原有安装部件，不在本次设计范围之内，显示屏只需通过连接网络，在CAN网络系统中分配相对应的节点即可。

显示屏把塔机的工作参数发送至GPS终端，GPS终端把塔机的位置信息与参数进行按照通讯协议进行封装，通过中国移动的GPRS网络发送至公司的监控中心，由监控中心对塔机的数据进行分析与处理。

同时GPS终端可接收远远程监控中心下发的指令，对塔机显示屏进行参数设置[7]。

图7为远程数据传输图。

　　5、结论

　　经过现场的实际应用，本文基于嵌入式系统的塔机智能安全监控系统安全准确地将塔机数据传递到数据中心，实现了对塔机工作过程的远程监控，方便了监督管理人员对塔机的监督管理，同时上报的数据为塔机的寿命评估、日常维护和事故的判定提供强有力的数据支持，最大限度地减小了对生产造成的不利影响，提高了劳动生产率，具有很高的推广应用价值，与传统监控系统相比，具有以下优势：

　　1、系统性能优势：

采用嵌入式系统开发，工程机械专用电源设计、硬件系统可靠性高，软件系统根据塔机的结构参数进行设计优化，通过国家标准的型式试验与国标推荐的电磁兼容试验。

性能与可靠性达到规范要求的等级。

　　2、升级维护优势：

监控系统与GPS终端为自主研发，升级维护的开发周期短，提升客户服务的质量。

　　3、人机交互优势：

中小吨位采用黑白屏设计，更有利于阳光下用户的操作，屏幕做防炫处理，可视角范围宽，人机界面设计合理，人性化，便于用户操作。

　　4、成本优势：

内部配套，价格由于外部厂商，性价比更高。

　　参考文献

　　[1]李守林，罗文龙，王涛.塔式起重机作业安全监控信息化管理系统的研究[J].建筑机械，2009（4）：

63-65.

　　[2]张文华.基于DSP的塔式起重机安全监控系统研究.硕士学位论文，2010，6：

25-30.

　　[3]李楠.塔式起重机数字化安全保护系统的设计与开发.硕士学位论文，2010.7：

23-27.

　　[4]潘竹生，吴宝江.ARM嵌入式系统开发完全入门与主流实践[M].北京：

电子工业出版社，2008：

3-8.

　　[5]张晓东，李秀娟，张杰.基于ARM的嵌入式远程监控系统设计[J].现代电子技术，2008，6：

22-23.

　　[6]田磊.基于s3C2440嵌入式系统的远程抄表监控系统设计[J].电子质量，2009，3：

41-42.

　　[7]夏振华，王晓爽.一种基于GPRS的嵌入式图像监控系统的设计[J].长江大学学报，2010，7

（1）：

86-87.