單片機在起重機工況安全監控系統中的應用

汽車(chē)起重機具有移動(dòng)快捷便利的特點(diǎn)，因此應用非常廣泛。其操作雖然簡(jiǎn)單，但是工況卻十分復雜，操作員往往不易發(fā)現潛在的危險，安全生產(chǎn)形勢十分嚴峻，尤其是車(chē)載移動(dòng)式起重機，常常出現側翻事故，以至人員傷亡。
　本文開(kāi)發(fā)了一種汽車(chē)起重機安全監控系統，針對起重機在各種工況下的操控特性曲線(xiàn)，實(shí)時(shí)監測和報警，并帶有安全操作提示，包括側方位安全性提示，并在緊急狀態(tài)下自動(dòng)切斷超載項目，從而集工況監測、控制、報警、記錄系統于一體。與進(jìn)口設備“力矩限制器”相比，本系統具有功能齊全、經(jīng)濟實(shí)用的特點(diǎn)。本系統經(jīng)過(guò)近10年的實(shí)際應用和改進(jìn)，能夠杜絕安全隱患，確保安全生產(chǎn)，并且可以通過(guò)簡(jiǎn)單改裝和修改計算參數在其他類(lèi)型的起重機上使用，能夠簡(jiǎn)單快捷地完成設備的安裝調試工作。
1 設計規格和功能要求
　起重機工況和安全監控系統的主要功能包括：
　(1)異常工況分級警告，自動(dòng)測量工況并計算安全工作邊際，當安全受到潛在威脅時(shí)發(fā)出不同的聲光報警信號，提醒操作員注意操作安全；
　(2)緊急保護控制，在安全工作狀態(tài)受到嚴重威脅時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)應急控制，停止向危險方向運轉，只能向安全方向運轉；
　(3)傳感器信號校正和量程標定，根據傳感器信號所在區間，采取二次插值補償修正，提高測量精度，并自動(dòng)標定零點(diǎn)，自動(dòng)判斷傳感器異常，確保系統工作安全；
　(4)存儲起重機的操作特性參數，針對起重機在不同工況下的特性曲線(xiàn)，實(shí)時(shí)將運行參數提供給監控系統使用；
　(5)自動(dòng)記錄異常工況。
2 檢測單元及工作原理
　汽車(chē)起重機監控系統示意圖如圖1所示，監測裝置包括壓力傳感器、角度傳感器、長(cháng)度傳感器、鋼絲過(guò)卷傳感器、鋼絲過(guò)放傳感器等，要求監控系統分別采集不同的物理信號，并傳送到主控計算機進(jìn)行分析處理。過(guò)卷和過(guò)放是通過(guò)開(kāi)關(guān)量自動(dòng)觸發(fā)控制，在此從略。

　壓力傳感器通過(guò)檢測支撐油缸上下腔的壓力信號p，間接推算起吊物的重量；臂長(cháng)傳感器通過(guò)頭部固定在臂桿端部的拉線(xiàn)，將臂桿長(cháng)度變化轉換為傳感器內部測定元件角度的變化，以測定檢測臂桿的實(shí)際長(cháng)度l；仰角傳感器安裝在臂桿上，通過(guò)重錘帶動(dòng)角度測定元件轉動(dòng)，以檢測臂桿仰角β。
根據以上測量，計算起吊物的實(shí)際重量如下：
　W=λ×f(p)/l(1)
　式(1)中：f(p)是壓力測量信號的二次非線(xiàn)性函數；λ是角度信號β的二次非線(xiàn)性函數；l是吊臂長(cháng)度測量信號。
在一定的設計起吊量情況下，臂長(cháng)與臂角度是互相制約的，當起重臂仰角一定時(shí)，隨著(zhù)起重臂長(cháng)度的增加，起重半徑和起重高度也隨之增加，而起重量應當相應減少，以防止翻車(chē)事故，這在式(1)中表現為W與l成反比。反之，當臂長(cháng)l一定時(shí)，隨著(zhù)起重臂仰角β的增大，起重量隨之增加。參見(jiàn)圖2某起重機的操作特性曲線(xiàn)，曲線(xiàn)1代表起重量W與工作臂長(cháng)度l(圖中表達為“工作幅度”)之間的關(guān)系，它可以用二次曲線(xiàn)分段近似表達。本系統詳細集成了操作特性二次曲線(xiàn)的各項參數，存放在非易失存儲器中供軟件調用。

　起重機的安全工作狀態(tài)與W、β和l都有關(guān)系，這里要特別注意在不同工況下的操作特性是不同的，例如圖2中有不同的曲線(xiàn)，不同的起重機也有較大區別，因此計算復雜度較高，需要根據工況測量信息分段計算。在實(shí)際系統中，根據W、β和l的實(shí)測結果，對起重機的操作特性作二次函數的插值逼近，各工況下的插值系數通過(guò)操作特性表獲得。

　為保障工作安全，通常要求監控系統隨時(shí)計算在特定條件下允許的最大起吊重量Wmax，并提示W(wǎng)不要超過(guò)Wmax。經(jīng)過(guò)大量測試，得到Wmax的計算如下：

3 監控單元及工作原理
　起重機安全監控系統硬件組成如圖3，通過(guò)A/D接口對各路傳器信號進(jìn)行采樣，包括角度、吊臂長(cháng)度、壓力傳感器等，從而取得起重機的工作參數，再通過(guò)式(1)、式(2)計算，得出相應工況下的實(shí)際起重物重量W及其與Wmax的比率(也稱(chēng)為載荷率)，在液晶顯示模塊上顯示示意圖、文字提示信息，包括臂長(cháng)、臂仰角、載荷等操作者關(guān)心的參數，并發(fā)出提示音，供操作員參考。當載荷率大于90%時(shí)預報警，大于100%時(shí)報警，并自動(dòng)啟用強制停止控制，這時(shí)起重機不能繼續向危險方向動(dòng)作，如伸臂、起升等，從而實(shí)現對起重機的測控保護功能，使起重機的工作符合安全生產(chǎn)要求。

　計算中所需的常數以及中間結果存放在外接的非易失存儲單元中，配合系統提供的液晶顯示和鍵盤(pán)人機界面，本系統還可以完成特定的參數設置、標定及調試記錄等輔助功能。
4 軟件設計
　軟件系統完成以下功能：
　(1)傳感器信號分析計算，主要完成式(1)、式(2)的運算，計算量較大，采用AT89S52單片機[1，2]。起重機在不同工況下的操作特性是不同的，因此要求在計算過(guò)程中，自動(dòng)判斷工況(前方、后方、側方、支腿、副臂等)并選擇相應的計算系數和插值公式，將計算結果和提示信息送顯示模塊。圖4為顯示效果圖，其中包括副臂是否伸長(cháng)、有無(wú)過(guò)卷過(guò)放、支腿是否工作、主臂是否位于側后方、系統的載荷率及當前是否安全等信息。
　(2)報警和緊急保護，在過(guò)卷、過(guò)放、超重、傳感器異常等情況下，系統都能實(shí)時(shí)給出聲光告警和應急處理，并通過(guò)8255接口輸出控制信號啟動(dòng)保護繼電器動(dòng)作。
　(3)液晶顯示，采用外購的160×128點(diǎn)陣顯示模塊，清晰度很高，每屏可以顯示8×10個(gè)16×16點(diǎn)陣的漢字，本系統采用圖文混合顯示，如圖4所示。系統用到的漢字點(diǎn)陣預先存放在存儲器內[3]。

　(4)薄膜鍵盤(pán)，采用4×4鍵盤(pán)矩陣，便于集成在儀器面板上，除了輸入0~9數字之外，還能輸入+1、-1、CHK等控制字符，以便輸入系統調試過(guò)程中用到的一些參數，單片機通過(guò)8255接口電路掃描鍵盤(pán)動(dòng)作并做相應處理。
　起重機安全生產(chǎn)的形勢非常嚴峻，采用智能監控儀表，在液晶顯示器上顯示工況提示信息，同時(shí)發(fā)出聲光提示和報警信息，完全能夠幫助操作員進(jìn)行安全生產(chǎn)，杜絕不當操作造成安全事故。本系統適用于輪式起重機、履帶式起重機、塔式起重機的安全監控，具有很高的推廣應用價(jià)值。
參考文獻
[1] 張毅剛.新編MCS-51單片機應用設計[M]，哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2001：56-98.
[2] 周春明.AT89S51多功能遙控器的設計與制作[J]，電子制作，2007(6)：16-18.
[3] 謝維成，楊佳國.單片機原理與應用及C51程序設計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005：70-92.