塔机安全监控系统.pdf-资料库

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塔机安全监控系统一、任务要求设计以 ARM、CPLD 为核心、以液晶 TFT10.4 为显示屏的塔机安全监控系统，技术指标有： (1) 塔臂回转角度的测量与显示； (2) 塔台吊重的测量与显示； (3) 塔机小车位移的测量与显示； (4) 吊钩高度的测量与显示； (5) 控制柜温度的检测、报警和显示； (6) 倾斜角的测量、报警和显示； (7) 风速的测量与显示、累计工作时间显示； (8) 计算回转角速度和吊钩起降速度，报警和显示； (9) 利用 GPRS 向远程服务器发送塔机状态信息； (10) 利用 GPS 定位技术，获取塔机位置，并利用 GPRS 发送到服务器； (11) 输出 9 路继电器控制信号； (12) 旁通开关（继电器电源按钮）； (13) 吊重的 2 绳、3 绳、4 绳、6 绳和 8 绳切换； (14) 使用 IC 卡进行身份认证管理； (15) 设计 SD 卡存储模块，以黑匣子方式保存工作数据； (16) 设计采用 490MHz 模块构成塔群信息交互系统，实现塔机之间的避撞检测、告警、显示、控制； (17) 利用 490MHz 模块实现塔机与地面监视系统的信息传送； (18) 实现塔机与周围障碍物的防撞告警、显示、控制。 (19) 预留人脸识别模块的接口； (20) 预留 I/O 接口、串口； (21) 吊钩视频显示（预留接口）。 1 / 13

二、塔机安全监控系统组成塔机安全监控系统安装于塔机驾驶室内，如图 1 所示。用于监测塔机运行过程中可能包含的安全隐患，并作出适当的处置，确保塔机的安全运行。塔机的安全隐患有：（1）塔机自身状态欠佳，违规操作塔机；（2）超重起吊：小车位置不同，最大的起吊重量也不同；（3）工地环境欠佳，违规操作塔机；（4）无资格人员违规操作塔机；（5）超速起吊：超速运行，使塔机承重加大；（6）塔臂与地面障碍物碰撞；（7）吊钩与地面障碍物碰撞；（8）本塔机与其它塔机之间的相互碰撞。图 1 塔机安全监控系统与塔机示意图塔机安全监控系统的模块组成框图如图 2 所示。通过对本塔机塔臂角度、小车位移、吊钩高度、吊重、塔身倾斜角、当地风速、塔机控制箱温度及其它塔机运行参数进行处理，实时监测塔机运行可能存在的事故风险。当监测到塔机运行存在事故风险时，产生电机供电控制信号，切断相应电机的供电，以确保塔机运行安全；给操作人员发出报警信息，向服务器上传违规操作信息，并记录在 SD 卡中。图 2 塔机安全监控系统模块组成 2 / 13 塔机安全监控系统液晶显示屏声音报警电机供电控制塔臂角度测量小车位移测量吊钩高度测量吊重测量塔身倾斜角测量当地风速测量控制箱温度测量其它塔机参数获取塔机安全监控系统

三、塔机安全监控系统硬件设计塔机安全监控系统的内部组成框图如图 3 所示。设计的 CPLD 主要用于产生 LCD 行/场同步信号、 SDRAM 读/写时序、SDRAM 自动刷新时序，实现从映像存储器 SDRAM 到 LCD 屏的显示；通过接收并执行 ARM 处理器的画点、画文本、画色块和画背景图命令，实现将需要显示的图表、符号及参数写入到 SDRAM 中。塔机安全监控系统版图如图 4 所示。图 3 塔机安全监控系统内容结构框图图 4 塔机安全监控系统版图 3 / 13 主控制模块ARM处理器电台模块CPLDSDRAMNAND FLASH时钟子系统吊重测量模块电源模块（12V，5V，3.3V）GPRS模块PS2输入模块Bypass/吊绳选择模块继电器模块温度采集模块小车位移测量模块吊钩高度测量模块风速测量模块塔臂旋转角测量模块GPS模块IC卡认证管理模块SD卡记录模块声光报警模块液晶显示模块人脸识别模块吊钩视频采集模块基础传感器测量模块USB数据存储模块

四、塔机安全监控系统的防碰撞算法设计塔机安全事故主要分三部分：塔机自身参数引发的安全事故、塔机与地面建筑物之间及塔机与塔机之间的碰撞事故。这里设计了一种检测塔机可能存在碰撞事故风险的算法，详细讨论了塔机与低环境障碍物、高环境障碍物之间可能存在的碰撞事故风险，设计了低环境和高环境防碰撞算法；着重讨论了塔机与塔机之间可能存在的 7 种碰撞事故风险，设计了三类群塔防碰撞算法；编写了集塔机低环境防碰撞、高环境防碰撞和群塔防碰撞算法于一体的 C++语言程序，实现了塔机安全监控系统中的防碰撞软件模块。通过塔机安全监控系统对可能存在碰撞风险情况的测试，结果表明论文设计的塔机防碰撞算法能正确监测到塔机的碰撞风险，给出预警和报警信号，确保塔机系统的运行安全。 1. 低环境防碰撞算法设计低环境防碰撞算法的目的是防止塔机与比塔臂低的障碍物发生碰撞。在这种情况下，塔臂安全，但吊钩有碰撞障碍物的风险，需要根据小车位置、塔臂角度、吊钩高度等参数，实现预警和报警功能。图 5（a）给出了低环境障碍物的示意图，图 5（b）给出了塔机发生预警的示意图。（a）（b）图 5 低环境障碍物建模与预警示意图 4 / 13 xoy1d2d1E2E3E,ccgxy00(,)pxyaLbLOyx3EwaLwbLKey LineKey Line预警多边形2E

图 5 中，E1 表示低环境障碍物，E2 表示报警多边形，E3 表示预警多边形。当小车进入 E3 时，发出预警信号；当小车进入 E2 时，发出报警信号，并切断相应电机的电源，确保塔机和地面建筑的安全。 2. 高环境防碰撞算法设计高环境防碰撞算法的目的是防止塔机与比塔臂高的障碍物发生碰撞。在这种情况下，塔臂有碰撞障碍物的风险，需要根据塔臂角度实现预警和报警功能。图 6 给出了高环境障碍物的示意图，图中， A 和 B 为障碍物与塔臂最可能碰撞的顶点，据此可以设定出报警角和预警角。当塔臂进入 l5、l6，发出预警信号；当塔臂进入 l3、l4 时，发出报警信号，并切断相应电机的电源，确保塔机和地面建筑的安全。图 6 高环境障碍物建模示意图 3. 群塔防碰撞算法根据两台塔机常见的交叉及位置关系，碰撞风险可分为三大类 7 种：（1）两台塔机距离较远，双方塔身均安全，但前臂与前臂之间或前臂与后臂之间存在碰撞风险，见图 7(a)-(b)；（2）两台塔机距离较近，一台塔机的前臂与另一台塔机的塔身也存在碰撞风险，见图 7(e)-(f)；（3）两台塔机距离更近，两塔机的前臂与对方塔机的塔身均存在碰撞风险，见图 7(g)。 5 / 13 24131l2l3l5l4l6lOAB1d2d2d1dxy

图 7 双塔机碰撞风险示意图 4. 测试结果低环境防碰撞算法的测试结果如图 8 所示，图 8（a）表示小车进入了预警区域；图 8（b）表示小车进入了报警区域，这时塔臂左转电机和小车外出电机供电被切断。 (a) 小车进入了预警区域（b）小车进入了报警区域图 8 低环境防碰撞测试高环境防碰撞测试如图 9 所示，图 9（a）中大臂向左转动进入了高环境预警区域，系统给出高环境碰撞警报，切断大臂左右转高速电源，大臂只能低速转动。图 9（b）中大臂继续左转，进入了报警区域（说明：实际的高环境防碰撞处理中，对小车的处理仍然借鉴低环境防碰撞的策略，严格控制小车的到达区域，不让小车太靠近高环境障碍物的轮廓，以免发生碰撞危险），此时小车是进入了预警区域的， 6 / 13 1O2O2O（a）1O2O12111222（b）（c）（d）1O2O1O12211O1O2O2O（e）（f）1O2O12（g）

故系统切断大臂左转低速电源。（a）高环境预警区域（b）高环境报警区域图 9 高环境防碰撞测试塔机 1 高于塔机 2（即）的群塔防碰撞测试如图 10 所示，在图 10（a）中塔机 2 的大臂向右转动，塔机 1 的小车到塔机 2 前臂的距离小于了预警安全距离，塔机 1 的吊钩有可能会与塔机 2 的前臂发生碰撞，故系统给出塔机碰撞警报，切断本塔机的大臂左右转高速电源，大臂只能低速转动。在图 10 （b）中，塔机 1 的小车到塔机 2 前臂的距离小于报警安全距离，系统给出“塔机碰撞切断”报警，并切断大臂右转低速电源，大臂只能低速左转，防止塔机 1 的吊钩与塔机 2 的前臂发生碰撞。（a）群塔预警 (b) 群塔报警图 10 群塔防碰撞测试（）塔机 1 低于塔机 2（即）的群塔防碰撞测试如图 11 所示，图 11（a）中塔机 2 大臂向左转动，导致自身吊钩与塔机 1 前臂的距离小于预警安全距离，此时需要对塔机 2 的大臂和小车均给出合理控制， 7 / 13 12HH12HH12HH

故系统给出塔机碰撞警报，切断塔机 2 大臂左右转高速电源、小车进出高速电源，大臂只能低速转动，小车只能低速移动。在图 11（b）中，塔机 2 的吊钩与塔机 1 前臂的距离小于报警安全距离，故系统给出“塔机碰撞切断”报警，切断大臂右转低电源、小车出低速电源，大臂只能低速左转，小车只能低速进，否则本塔机的吊钩可能会与对方塔机 1 的前臂发生碰撞。（a）群塔预警 (b) 群塔报警图 11 群塔防碰撞测试（）塔机 1 与塔机 2 等高（即）的群塔防碰撞测试如图 12 所示，在图 12（a）中，塔机 2 的前臂尖到塔机 1 的前臂的距离小于设定的预警安全距离，故系统给出塔机碰撞警报，切断大臂左右转高速电源，大臂只能低速转动，小车的运行不受限制。在图 12（b）中，塔机 2 的后臂尖到塔机 1 前臂的距离小于报警安全距离，系统给出报警，并切断塔机 2 大臂右转低速电源，大臂只能低速左转。（a）群塔预警 (b) 群塔报警图 12 群塔防碰撞测试（） 8 / 13 12HH12HH12HH

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