基于單片機控制的塔式起重機起重性能監測顯示儀

1 引言

塔式起重機通常又稱(chēng)為塔吊，是目前在建筑工地上使用得非常普遍的大型垂直吊裝起重運輸機械設備。在日常的使用中，如果塔吊司機不知道牽引小車(chē)在某一位置時(shí)最大能吊起多重的貨物，也不知道正在吊的貨物有多重，所以塔吊存在發(fā)生塔身翻側、折斷和塔吊吊臂折斷等事故的危險。由于塔吊體型龐大，一旦發(fā)生事故就必然是大事故或者是特大事故，不但造成人員的傷亡，往往還伴隨著(zhù)巨大的經(jīng)濟損失；而導致事故的原因大部分都是因為塔吊在起吊貨物時(shí)超重。因此，如何知道塔吊當前所起吊貨物的重量和牽引小車(chē)在當前位置是否超重至關(guān)重要，本文介紹的塔式起重機起重性能顯示儀就是為解決這個(gè)問(wèn)題而研制。

2 起重性能

如圖1所示為塔式起重機起重性能曲線(xiàn)。塔吊根據吊臂長(cháng)度的不同有45m、50m和55m等多種規格，而每一種不同吊臂長(cháng)度規格的塔吊根據吊鉤的設置又有二倍率和四倍率之分，一旦吊臂長(cháng)度確定，吊鉤倍率確定，則牽引小車(chē)在吊臂上每一個(gè)位置都對應著(zhù)一個(gè)最大吊重量，也就是說(shuō)牽引小車(chē)在某一位置上所起吊貨物的重量不能超過(guò)在同一位置所對應允許的最大吊重量，這種塔吊吊臂長(cháng)度、吊鉤倍率與允許的最大吊重量三者之間嚴格的對應關(guān)系所形成的曲線(xiàn)，在塔吊術(shù)語(yǔ)上就稱(chēng)之為起重性能曲線(xiàn)。對于每一臺塔吊，一般其吊臂長(cháng)度和吊鉤倍率都是確定的，亦即是其起重性能曲線(xiàn)是維一的，因此，塔吊司機必須嚴格按照起重性能曲線(xiàn)操作，牽引小車(chē)在每一個(gè)位置所起吊的貨物都不能超過(guò)起重性能曲線(xiàn)上所對應允許的最大吊重量，否則的話(huà)發(fā)生事故就不可避免了?？梢?jiàn)起重性能曲線(xiàn)對塔吊的安全運行是何等的重要，換言之，本文介紹的塔式起重機起重性能顯示儀是塔吊司機安全操作的保證，為塔吊帶來(lái)一種既安全又實(shí)用而且也是塔吊必不可少的自動(dòng)化裝備。


圖1 起重性能曲線(xiàn)

3 起重性能曲線(xiàn)測量系統

塔吊起升貨物的工作主要是由牽引小車(chē)來(lái)完成；關(guān)系牽引小車(chē)在吊臂上前進(jìn)、后退和上、下貨物動(dòng)作的則是由與電機連接的牽引小車(chē)的鋼絲繩繞繩系統，分別有牽引鋼絲繩繞繩系統和起升鋼絲繩繞繩系統，如圖2和圖3所示。要使牽引小車(chē)所起吊的貨物不超重，塔吊司機就必須知道小車(chē)當前所處的位置和正在起吊貨物的重量，本文介紹的塔式起重機起重性能顯示儀用于檢測牽引小車(chē)當前位置的傳感器選用OMRON公司的E6A2增量型兩相光電旋轉編碼器，分辯率是100，如圖2所示，安裝在牽引卷筒的卷軸中心并跟隨牽引卷筒旋轉，牽引卷筒由牽引電動(dòng)機驅動(dòng)；當牽引卷筒作正向運轉時(shí)，牽引小車(chē)前進(jìn)并向吊臂末端方向運動(dòng)，此時(shí)旋轉編碼器隨牽引卷筒運轉并向單片計算機系統發(fā)出連續的A相脈沖信號，每運轉一圈就發(fā)出100個(gè)脈沖信號，單片機系統接到這些脈沖信號后將其轉換為牽引小車(chē)的位置信號經(jīng)LED數碼顯示。同理，當牽引卷筒作反向運轉時(shí)，牽引小車(chē)后退并向吊臂塔身方向運動(dòng)，旋轉編碼器發(fā)出連續的B相脈沖信號。


圖2 牽引鋼絲繩繞繩系統
用于檢測牽引小車(chē)所起吊貨物的實(shí)時(shí)重量的傳感器選用國產(chǎn)的應變式測力稱(chēng)重傳感器，量程為3kN，精度為2%；稱(chēng)重傳感器的安裝如圖3所示，傳感器一端固定在臂端固定點(diǎn)上，另一端與起升鋼絲繩相接，當吊鉤掛上貨物時(shí)，其重量通過(guò)鋼絲繩轉化為拉力作用在稱(chēng)重傳感器上，稱(chēng)重傳感器感應到這個(gè)拉力后，經(jīng)變送器、A/D模數轉換送入單片計算機系統轉換為實(shí)時(shí)重量數據經(jīng)LED數碼顯示。同一臺塔吊，起吊同樣重量的貨物，如果吊鉤倍率不同，作用在稱(chēng)重傳感器上的拉力也不相同。


圖3 起升鋼絲繩繞繩系統

4 系統硬件結構

塔式起重機起重性能顯示儀系統硬件結構框圖如圖4所示。系統控制核心選用目前使用非常普遍的AT公司的單片計算機AT89C51，其內部帶有存儲容量為4K電可擦除的程序存儲器EEROM；數據存儲器選用DALLAS公司的DS-1225Y非易失性SRAM，斷電后儲存的數據不會(huì )丟失；輸入輸出接口選用兩片比較通用的可編程輸入輸出接口芯片82C55A，通過(guò)編程設定一片為輸入接口，另一片為輸出接口；地址鎖存選用HC373；A/D轉換選用8位模數轉換器ADC0809；光電隔離選用P521光電耦合器，以提高系統的抗干擾能力；起升重量顯示、最大吊重顯示和小車(chē)變幅顯示選用CD4511譯碼芯片和LED數碼管組成?？紤]到系統要適合各種不同臂長(cháng)和不同倍率塔吊的使用要求，在設計系統軟件時(shí)已將各種不同規格的塔吊的起重性能曲線(xiàn)編制成表格存入單片機中指定的程序單元；用戶(hù)可通過(guò)鍵盤(pán)將其當前使用塔吊的吊臂長(cháng)度和吊鉤倍率等數據輸入，這些塔吊數據經(jīng)輸入接口送入單片機并儲存在數據存儲器指定的單元；稱(chēng)重傳感器檢測到的重量信號經(jīng)A/D轉換為數字信號后通過(guò)輸入接口送入單片機，單片機將其儲存在數據存儲器的一個(gè)固定單元，同時(shí)經(jīng)輸出接口送入起升重量顯示單元顯示當前的瞬時(shí)重量；當牽引小車(chē)前進(jìn)時(shí)，光電旋轉編碼器隨牽引卷筒轉動(dòng)并發(fā)出A相脈沖信號，A相脈沖信號經(jīng)光電隔離整形后送入單片機處理從而形成牽引小車(chē)的位置數據并查起重性能曲線(xiàn)表檢出對應的最大吊重量，單片機一方面將這些數據存入數據存儲器指定單元，另一方面將這些數據經(jīng)輸出接口送入相應的顯示電路分別顯示小車(chē)變幅和最大吊重，同時(shí)，單片機將當前牽引小車(chē)所在位置允許的最大吊重量與經(jīng)稱(chēng)重傳感器檢測到的起吊重量進(jìn)行比較，若起吊重量大于允許的最大吊重，則單片機經(jīng)光電耦合隔離向聲光告警電路發(fā)出信號，由聲光告警電路發(fā)出斷續的聲響和閃爍的光，向塔吊司機提示塔吊超重。同理，當牽引小車(chē)后退時(shí)，光電旋轉編碼器發(fā)出B相脈沖，其工作原理相同。


圖4 系統硬件結構框圖

5 系統軟件結構框圖

本文介紹的起重性能顯示儀軟件的設計重點(diǎn)是牽引小車(chē)位置的檢測和起吊貨物的瞬時(shí)重量檢測。系統軟件結構框圖如圖5所示。

圖5 系統軟件結構框
顯示儀上電后即進(jìn)入初始化程序，將上次停電前儲存在數據存儲器的數據恢復，并將最大吊重、小車(chē)變幅、起升重量等數據送到其相應的顯示器進(jìn)行顯示和將吊臂長(cháng)度和吊鉤倍率送到相應的輸出口進(jìn)行指示，同時(shí)檢測鍵盤(pán)信號，如果有鍵盤(pán)信號輸入，則表示有數據設置，程序轉入鍵盤(pán)處理子程序，如果沒(méi)有鍵盤(pán)信號，程序往下執行起升重量檢測，把稱(chēng)重傳感器檢測到的模擬信號轉換為數字信號進(jìn)行處理，并與當前允許的最大吊重量進(jìn)行比較，如果大于允許的最大吊重，則轉入聲光告警子程序，發(fā)出超重告警；如果小于允許的最大吊重，說(shuō)明目前沒(méi)有超重，程序繼續往下檢測牽引小車(chē)有否動(dòng)作，如果沒(méi)有，說(shuō)明牽引小車(chē)目前靜止，程序返回主程序入口，如果牽引小車(chē)有動(dòng)作，則要確定是前進(jìn)還是后退，若是前進(jìn)，程序進(jìn)入前進(jìn)處理程序，否則進(jìn)入后退處理程序，然后返回主程序入口。

由于牽引小車(chē)前進(jìn)和后退是由牽引卷筒帶動(dòng)，其控制與起重性能顯示儀表不是一個(gè)控制系統，因此，檢測牽引小車(chē)變幅距離的程序采用中斷控制子程序，只要牽引小車(chē)運動(dòng)，無(wú)論程序執行到那一步，都立刻轉入中斷子程序工作，如果牽引小車(chē)是作前進(jìn)運動(dòng)，則程序轉入前進(jìn)中斷子程序，A相脈沖信號有效；如果牽引小車(chē)是作后退運動(dòng)，則程序轉入后退中斷子程序，此時(shí)B相脈沖信號有效；單片機通過(guò)將輸入的脈沖信號進(jìn)行計數和換算從而確定牽引小車(chē)走過(guò)的距離和當前的位置。

6 結束語(yǔ)

本文介紹的塔式起重機起重性能顯示儀，可以實(shí)時(shí)顯示塔吊瞬時(shí)吊重量，實(shí)時(shí)顯示牽引小車(chē)在吊臂上的準確位置和與之對應的最大吊重量，這是一種設計先進(jìn)、性能穩定、安全、實(shí)用、準確的自動(dòng)化儀表，是用現代高新技術(shù)裝備傳統的機械產(chǎn)業(yè)，使其產(chǎn)品更上一個(gè)檔次和更具有可操作性。
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