施工升降机安全监测系统.docx

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施工升降机安全监测系统

施工升降机安全监测系统（总46页）

内容摘要

施工升降机是高层建筑施工中不可缺少的垂直运输工具，它主要担负运送施工人员和施工设备以及施工物料的任务。

对于当前施工升降机自动化程度低、安全管理弱的特点，本文设计了一种施工升降机自动化的安全监测系统。

首先介绍施工升降机安全监测的意义，分析了国内外施工升降机安全监测的研究现状及其发展趋势，明确了升降机安全监测系统所要达到的性能指标。

然后，根据施工升降机安全监测系统的功能需求，给出了系统硬件设计的总体思路和系统结构框图，详细分析了重量信号采集模块、加速度采集模块、楼层呼叫接收模块、数据存储模块、远程通信模块等各部分功能电路。

在软件设计上，根据系统的功能需求，详细阐述了系统的重量、加速度信号数据采集、处理和修正的方法，系统运行参数存储和转存，远程通信的实现等。

通过上述设计，实现了施工升降机监测的快速运行，简单方便，便于控制等基本功能。

关键词

施工升降机；安全监测；加速度传感器；楼层呼叫

I

Theconstructionhoist

securitymonitoringsystemdesign

Name:

ZhanghaoInstructor:

Suyanping

Abstract

Theconstructionhoistverticaltransportisindispensabletotheconstructionofhigh-risebuildings,itismainlychargedwiththetaskoftransportingconstructionworkersandconstructionequipmentandconstructionmaterials.Inviewofthecurrentconstructionhoistlowdegreeofautomationandsafetymanagementcharacteristicsofweak,theremoteautomationsafetycontrolsystemforconstructionhoistwasdesigned.

Accordingtothefunctionalrequirementsoftheconstructionhoistsafetymonitoringsystem,wecandeterminethegeneralideaofthesystemhardwaredesignandsystemblockdiagramandhaveadetailedanalysisoftheweightofthesignalacquisitionmodule,theaccelerationdataacquisitionmodule,thefloorcallsystemmodule,thedatastoragemodule,theremotecommunicationmoduleandsoon.Intheaspectofsoftwaredesign,accordingtothesystem'sfunctionalrequirements,itelaboratedthemethodsoftheacquisitionoftheaccelerationsignaldata,theweightofthesystem，andtheprocessingandcorrection.Anditalsoelaborateddetailedthesystemoperatingparametersstorageandforwarding,andtherealizationofremotecommunication.

Throughthedesign,wecompletedtheconstructionelevatormonitoringoperation,simpleandconvenient,easytocontrolandotherbasicfunctions.

Keywords

Theconstructionhoist;Safetymonitoring;Accelerationsensor;Floorcall

施工升降机安全监测系统设计

第一章绪论

施工升降机主要用于城市高层和超高层建筑中各种类型，这主要是因为这个建筑高度使用井架，龙门内完成工作是很困难的。

近年来，随着建筑高度的不断增加，高度的大型建筑电梯的需求也在不断增加。

施工升降机，除了应用在高层建筑施工中也可以应用在桥梁施工，此外，它还可以用在大型化工厂冷却塔，电厂烟囱，广播电视塔和煤矿等建筑，施工升降机已成为建筑行业不可缺少的机械设备【1】。

研究背景与意义

建筑用施工升降机由于造价较低，结构简单，作业环境恶劣，结构构件与装置常暴露在外，并且建筑用施工升降机多为临时性租赁而来和使用中经常变更高度等特性，组装、拆卸频繁，因此建筑用施工升降机比商用电梯更容易造成事故。

另外建筑用施工升降机的出入口闸门的连锁装置，常因使用者为图一时方便，进行破坏，亦是容易造成事故发生的原因之一。

随着建筑市场的迅速发展，高层、超高层建筑的日益增多，对其要求越来越高，使用也越来越广泛。

但由于起重设备专业性强，施工现场使用条件恶劣，施工单位安全管理工作严重滞后，跟不上建筑施工现场的工作节奏和强度等因素，极易发生机毁人亡的安全事故，给国家和人民的生命和财产带来巨大损失。

日前在成都发生的一起施工升降机坠落事故，就值得我们深省。

国内外研究现状

自1973年以来，中国的第一个机架和小齿轮施工电梯诞生以来，经过30多年的不断发展，结构，功能，电梯在使用，安全装置等方面的变化和发展。

目前，施工升降机制造产业较为发达的国家是德国，法国，英国，意大利，西班牙，丹麦，俄罗斯，美国和日本。

该公司在瑞典，西班牙的ALIMARKPEGA公司的代表，他们的产品占据国际起重机市场的大部分份额，支持他们的安全监控设备，基本上反映了施工电梯安全监控设备的开发过程中，状态和趋势。

然而，由于施工升降机结构简单，操作方便，低附加值的功能，人们往往忽略了一个事实，大多集中在塔式起重机及其它工程机械设备，其安全设备，安全监控设备的必要性。

其中有一个代表瑞典ALIMARK公司，董事会建设提升驱动，采用针型传感器来监测负载吊笼，实时检测和显示控制仪表负载条件下，一旦超负荷，它停止运行在传统的内部驱动器类型升降机，也取得了国外的有益尝试，虽然显示和控制精度略逊于前者，但也基本能满足实际工程。

其次是西班牙PEGA吊笼公司。

我们目前的建设吊笼，虽然落后于国际先进标准，国家标准是2005年施工升降机版本，已被纳入了一些欧洲和美国的标准内容，但总体来说与国际还有一定的差距。

根据欧洲标准的经验，充分考虑标准的制定者的想法为基础的情况下可能（甚至是滥用会发生）的安全风险，从而制定有效的针对性的预防措施，使我们的产品设计师，产品标准的制定者，现场管理人员得以使用。

我们必须先学习，坚持以人为本，安全第一的理念和在实际工作中实施。

本文研究内容

通过本设计的研究，确定了施工升降机安全监测系统的研究内容:

1、施工升降机安全监测系统基本功能分析以及总体方案设计。

整个系统大致可以分成五大部分：

重量、加速度信号采集部分、主控处理及接口部分、数码及外接显示部分、楼层呼叫接收部分、短信远程监控部分。

2、硬件方案及电路原理图的设计。

完善前级模拟信号调理电路；设计自检装置电路；加速度检测电路；无线楼层呼叫系统。

3、软件的设计。

作出系统软件各个模块的流程图；完善软件控制。

4、完善楼层呼叫系统软硬件设计。

小结

本章比较了国内外施工升降机现状，说明了我国施工升降机发展的迫切性。

分析了我国施工升降机现状，主要表现在电自动化程度低、安全管理弱等。

并通过改进设计出了新型施工升降机解决方案，使之与国际接轨，尽快解决我国施工升降机落后的现状。

第二章施工升降机的安全监测系统概述

施工升降机的基本简介

施工升降机又叫建筑用施工电梯，也可以成为室外电梯，工地升降机。

是建筑中经常使用的载人载货施工机械，主要用于高层建筑的内外装修、桥梁、烟囱等建筑的施工。

由于其独特的箱体结构让施工人员乘坐起来既舒适又安全。

施工升降机在工地上通常是配合塔吊使用。

一般的施工升降机载重量在1-3吨，运行速度为1-60m/min。

施工升降机的种类很多，按运行方式分有：

无对重和有对重两种；按控制方式分为手动控制式和自动控制式。

根据实际需要还可以添加变频装置和PLC控制模块，另外还可以添加楼层呼叫装置和平层装置。

图施工升降机实图

施工升降机安全装置

1.限速器

为了防止施工升降机吊笼超速或下降，设置一个安全装置被分成两种类型的单向和双向，单向调速器只能沿笼的方向减少的限速效果，双向调速器可以向上和向下沿笼效应在两个方向的速度限制。

总督应要求进行性能测试期间。

2.缓冲弹簧

缓冲弹簧安装在基架连接的弹簧座中，保持架，这样，当发生跌倒的意外，减少葫芦的影响，同时确保走在地面上的轿厢和对重的柔性接触时，减慢的轿厢和对重，当接地的影响。

缓冲弹簧圆锥螺旋弹簧螺旋弹簧和两种。

通常情况下，每个相应的笼机箱有两个或三个或四个锥形弹簧螺旋弹簧。

3.上、下限位器

为防止吊笼上、下时超过需停位置，或因司机误操作以及电气故障等原因继续上行或下降引发事故而设置的装置，安装在吊笼和导轨架上，限位装置由限位碰块和限位开关构成，设在吊笼顶部的最高限位装置，可防止冒顶；坐落在吊笼底部的最低限位装置，可准确停层，属于自动复位型。

4.上、下极限限位器

上、下极限限位器是在上、下限位器不起作用时，当吊笼运行超过限位开关和越程后，能及时切断电源使吊笼停车。

极限限位是非自动复位型。

动作后只能手动复位才能使吊笼重新启动。

极限限位器安装在吊笼和导轨架上。

（越程是指限位开光与极限位开关之间所规定的安全距离）

5.安全钩

安全钩是为防止吊笼达到预先设定位置，上限位器和上极限限位器因各种原因不能及时动作，吊笼继续向上运行，将导致吊笼冲击导轨架顶部面发生倾翻坠落事故而设置的钩块状，也是最后一道安全装置。

它能使吊笼上行到轨架安全防护设施顶部时，安全地沟在导轨架上，防止吊笼出轨，保证吊笼不发生倾覆坠落事故。

6.急停开关

当因各种原因发生的紧急情况下，在操作过程中的保持架，该驱动程序可以在任何时间通过按下紧急停止开关，使吊笼停止运行。

紧急切断必须是非自复位的安全装置，通常安装在笼顶。

7.吊笼门、防护围栏门连锁装置

施工升降机的吊笼门、防护围栏门均装有电器连锁开关，它们能有效地防止因吊笼或防护围栏门未关闭而启动运行造成人员的物料坠落损害，只有当吊笼门和防护围栏完全关闭后才能启动运行。

8.楼层通道门

施工升降机楼层设置和长途的人进出通道，通道口和施工升降机交界处地面检修门之间必须设置。

楼层接入门的高度不大于，门相差的路径面的下边缘，不应超过50mm。

这上下运动状态，只有当吊笼停靠时被人打开吊笼门。

地面应做内部员工不能打开此门，以确保在封闭条件下的开口是没有危险。

9.通讯装置

由由于驾驶员的操作室位于里面的吊笼里，无法知道每个地板和混乱标志着地板的需求，所以你必须安装一个双向闭路电通信设备。

驱动程序应该能够听到各楼层的需求信号。

10.地面进口处防护棚

施工升降机安全完成后，应及时搭设防护棚楼门口，防护棚搭设普通脚手架管材料的选择，防护棚长度不小于5米，有条件的防护棚与地面通道相连。

宽度不应小于笼式升降机尺寸的最外端。

顶级的用料可以是50mm厚的木板或竹篱笆，竹篱笆下的间距不应小于600mm。

11.断绳保护装置

吊笼和配重的钢丝绳发生断绳时，断绳保护开关切断控制电路，制动器抱闸停车。

无线呼叫接收基本原理

所有呼层信号通过标准信号线传送到呼叫信号控制器。

呼叫信号控制器为MCS-51单片机组成的控制系统，控制器将所有呼层信号经过信号处理后通过无线通信方式将呼层信号传送到吊笼主控制系统。

在高层建筑施工中，由于施工楼层多，楼数高，以某层为例，楼高近100米。

如果按传统方法，在每一施工层上设置上/下行呼叫按钮，则信号线就需要66根，这势必导致信号线多，成本高，为尽可能减少信号线的数量，本系统采用了二进制数字编码技术，即26=64，需6根信号线，加2根电源线共需8根线就能解决问题。

这样大大减少了信号线的数量。

同时根据施工楼层的基本层高，将信号线制作成标准线段，呼叫按钮制作成可拆卸的，随着施工楼层的升高，只需增加标准信号线段即可，组装拆卸方便。

自动选层及平层基本原理

由于施工升降机为齿轮、齿条传动，运行位置十分准确，在施工升降机吊笼内传动机构蜗杆轴端部同轴安装一个旋转编码器，随着轴的转动，旋转编转器提供一组与楼层高度成正比的脉冲数，通过对脉冲的计数，可以准确的反映出吊笼的运行位置，系统从而能够进行可靠的平层控制【4】。

系统总体方案

通过施工现场的需求，综合考虑施工环境因素与管理的便捷性，提出了施工升降机安全监测系统的设计架构。

该安全监控系统主要由五大部分构成：

（1）主控部分；

（2）重量、加速度参数采集；（3）楼层无线呼叫接收；（4）数据的输入与输出；（5）远程监测。

小结

施工升降机的管理是一个复杂的综合性课题，除了把好管、用、养、修关之外，还必须做到领导重视，各级机械管理人员、机械操作人员、维修人员及相关配合人员之间责任明确，做到有章可循、有据可查、记录清晰、有人操作、有人监督、奖惩分明，专管与群管相结合，并注重强化机务人员的安全意识，提高业务素质和技术水平，使用、维护、保养严格按规程办事；只有持之以恒，常抓不懈，保持居安思危的忧患意识，真正做到“预防为主”，就一定能够杜绝重大机械设备事故的发生，保障机械设备安全优质高效地为我们的施工生产服务。

第三章施工升降机安全监测系统硬件设计

本系统通过设置在各施工楼层的呼叫器，自动检测每个施工层的呼叫信号,判断呼叫信号的上、下行状态，并根据吊笼的运行位置及载荷情况，自动选层并控制吊笼停靠层站及准确平层。

当允许吊笼在指定楼层停靠时，系统在吊笼接近到达指定楼层时自动发出减速停靠指令，使吊笼准确停靠在指定楼层上，方便施工人员及施工物料的上、下。

单片机选型概述

本设计采用C8051F系列单片机作为该系统的主控制器，C8051F系列单片机是真正能独立工作的片上系统，能有效地管理模拟和数字外设，可以关闭单个或全部外设以节省功耗存储器，还具有在系线重新编程的能力即可用作程序存储器又可用作于非易失性数据存储，因而采用此种单片机。

系统设计总图

系统主要由信号采集模块的重量，加速度信号采集模块，无线楼层呼叫接收器模块，键盘模块，数据存储，和一个接口电路模块，数码管显示模块声光报警模块和其他组件。

主控制芯片硅模混合单片机C8051F单片机。

通过收集升降机吊笼安装在顶部的销式重量传感器的信号，经过滤波，放大，A/D采样，并转换成数字信号。

加速度传感器实时监控负载吊笼，然后修正，以确定是否超载。

两部分由无线模块和接收模块的无线地板楼层呼叫。

使用315MHz的无线接收后，在编解码器模块发送和接收信号的每个楼层的每个楼层高度校准的旋转编码器的脉冲数，在解除操作时，计数器输出的脉冲的脉冲数字和相应的楼层数作比较，以确定当前的楼层号，以实现精确的平层。

通过键盘模块和显示模块的完整的交互式的数字输入和输出的系统。

数据存储和接口电路模块，用于存储该升降机的操作参数，主要是负责，并且可以检测各种参数U盘转储。

图系统硬件结构图

  无线楼层呼叫接收模块

无线接收模块由楼层呼叫和接收呼叫分机主机。

无线地板呼叫分机安装在每层楼的入口处，主机安装在施工升降机吊笼。

在这个系统中，每个楼层扩展设置一个唯一的楼层号，楼层呼梯时，通过码片PT2262的楼层编号，由315MHz的无线传输模块发送出去。

接收主机通过315MHz无线接收模块接收到地板上，编码信号由解码芯片PT2272解码，送单片机处理。

无线信号，以实现地板的调用和响应。

315MHz的无线收发模块实现多对一的无线组网方式，避免施工过程中的高架轨道铺设地板麻烦的方式比有线组的灵活性，易用性优势。

图呼叫接收模块硬件设计

所有呼层信号通过标准信号线送到呼叫信号控制器。

呼叫信号控制器为一MCS-51单片机组成的控制系统，控制器将所有呼层信号经过信号处理后通过无线通信的方式将呼层信号传送到吊笼主控制系统。

信号采集模块

本部分分为两个部分，分别为重量信号采集模块和加速度信号采集模块。

重量信号采集模块

工作原理：

首先是通过压力传感器采集到被测物体的重量并将其转换成电压信号。

输出电压信号通常很小，需要通过前端信号处理电路进行准确的线性放大。

放大后的模拟电压信号经A/D转换电路转换成数字量被送入到主控电路的单片机中。

在实际应用中，为提高数据采集的精度并尽量减少外界电气干扰，还需要在传感器与A/D芯片之间加上信号调整电路【3】。

下图为重量信号原理图：

图重量信号硬件设计

图重量信号原理图

图中首先经过信号放大后，系统发出实际信号和测量信号，然后进行对比，得到对比后的值后放入单片机里。

最终得出重量信号原理图模块【2】。

加速度信号模块

施工升降机在垂直作业过程中，经常伴随着动载荷现象的发生，导致升降机时常出现误报警的现象。

通常采用较多的措施是加长滤波时间常数，但是会导致系统反应时间较慢，不符合实时响应的特点。

另外，还有采用起重机械系统运动数学模型进行自适应动载荷滤波的方法。

由于自适应滤波校零环节需要参考模型及对模型参数的精确确定,需要进行大量的数学运算，因此不宜采用。

所以，本文采用了加速度的方法避免动载荷问题。

单片机通过对比标准重力加速度值和前一次采集加速度值，来修正采集的重量传感器值。

因此能有效减少升降机在起升和制动时由于加速度变化而产生的误报警情况，为建筑施工安全运行提供重要保障。

加速度传感器是一种惯性传感器，一般由敏感元件、交换元件、测量电路三部分组成，可用如下框图表示：

图加速度传感器设计图

电容式加速度传感器可以将振动位移参量的变化转变成为电容量的变化，其基本敏感机理比较简单。

如图所示，上下极板为固定电容极板具有公共电极，中间质量块为可动电容极板。

当有外界振动时可动极板跟随振动，从而改变电容。

上下电容同时改变，但是变化方向相反，称为差动式。

其特点是动态范围较大，最大位移和最小位移之比可大，如果采用差动测量方法数值增大一倍，灵敏度高、响应时间短、稳定性好。

因为结构简单，影响稳定性的因素少、无内部和外部的各种摩擦和接触应力误差，对温度变化的固有敏感性低。

图电容式加速度传感器结构示意图

1-下固定极板；2-客体；3-簧片；4-质量块；5-上固定极板；6-绝缘体

开关电源模块

电源模块是系统能否正常工作的关键，也是本系统设计的核心模块之一。

考虑到电源电压是否符合要求，电源容量是否满足要求，负载特性和能力，有效地消除各种干扰等问题，本文采用开关电源。

通过对系统的各个部分的电源电压的电源要求的分析，需要三种，即，12V，5V，。

单端反激式开关电源的基本原理：

交流输入电压通过电网滤波器，整流和滤波得到直流电压U1，通过电源开关VT或MOSFET斩波，高频变压器T降压，输出频率所需的矩形波电压，最后通过VD，C2输出整流滤波电路组成，获得所需的质量，高品质的输出直流电压UO。

将切换使用的电流检测电阻的电流转换成电压的反馈信号，与电压控制回路的检测电压进行比较，以生成PWM波，然后控制输出电压。

图单端反激开关电路图

从电网接入220V交流电源，经整流，滤波，稳压后得到两个DC输出。

输出12V250mA的，然后通过隔离，稳压5V，电源对整个系统的控制部分，一路12V，300mA的直接供应继电器吸合声光报警，和其他动态负载。

由于工作环境的复杂施工电梯功率，有许多间歇性的启动和停止电机，负载变化，电源扰动。

因此，开关电源的输出，接入TVS管，以防止瞬态电流，用于过滤的π型滤波器电路中的高频成分，和一个二极管串联连接，以防止反向输入引线，导致破坏电力发生。

隔离的+5V稳压输出电压调节器芯片，并在此之后有一个很大的电容100uF的更远的平滑电容器和电容。

最后一个降压电路需要的电压输出，主要用于加速度传感器芯片和MCU电源。

  A/D转换模块

A/D转换器是把放大后的模拟电压信号经A/D转换电路转换成数字量被送入到主控电路单片机中。

ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如下所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。

图ADC0809型A/D转换器

START为A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。

EOC为A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。

OE指数据输出允许信号，输入，高电平有效。

当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。

    数据存储

    在本系统中，将程序存储器和数据存储器合二为一。

由于不同的工程有着不同的层高和随着施工的进行，楼高不断增高，对应的层高和楼高脉冲计数不同，因此系统选用现场读写方便的EEPROM作为系统的RAM和ROM【6】。

在每一项新工程使用前先对对应层高进行一次脉冲计数，以确定每层所对应的脉冲数，作为设定值，并进行存储。

随着施工的进行，楼高也在不断升高，需要将施工最高层数不断修正并存储不丢失。

图数据存储电路原理图

 LED显示模块

    LED显示是由若干个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔划发光，控制不同的二极管导通，就能显示出各种字符。

LED显示器与单片机的接口很简单，只要将一个8位并行输出口与显示器的发光二极管引脚相连即可。

8位并行输出口输出不同的数据即可获得不同的数字或字符。

例如：

显示数字“5”时，a、c、d、f、g5个发光二极管被点亮；显示字符“F”时，a、e、g、f四个发光二极管被点亮。

通常将控制发光二极管的8位字节数据称为7段显示代码，共阴极和共阳极的七段显示代码如图。

系统设计7位LED显示器，分别显示吊笼的重量，呼叫楼层和吊笼实际位置。

如下图所示。

其中第位显示吊笼重量,第位显示呼叫楼层,第位显示吊笼当前所处楼层。

图数码显示电路

键盘及其接口模块

键盘是由若干个按簇组成的开关矩阵，它是最简单的单片机输入设备，操作员通过输入数据或命令。

实现简单的人机通信。

键盘上笔合键的识别有专用硬件实现和软件实现的两种。

键盘的结构：

（1）独立式按键：

单片机控制系统中，往往只需要几个功能键，此时，可采用独立式按键结构。

独立式按键是直接用I/O口结构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用I/O口线，每个按键的工作不会影响其他I/O口线的状