单片机在起重机工况安全监控系统中的应用

摘 要： 针对起重机的安全工作要求，开发了一种安全监控系统，通过对起重机操控特性曲线的实时计算，自动判断起重机的工况和安全威胁，通过图文显示和声光报警提示操作员，并在紧急状态下自动采取应急控制，实践证明该系统工作可靠，具有推广应用价值。
关键词： 汽车起重机；工况安全；单片机；监控系统

　汽车起重机具有移动快捷便利的特点，因此应用非常广泛。其操作虽然简单，但是工况却十分复杂，操作员往往不易发现潜在的危险，安全生产形势十分严峻，尤其是车载移动式起重机，常常出现侧翻事故，以至人员伤亡。
　本文开发了一种汽车起重机安全监控系统，针对起重机在各种工况下的操控特性曲线，实时监测和报警，并带有安全操作提示，包括侧方位安全性提示，并在紧急状态下自动切断超载项目，从而集工况监测、控制、报警、记录系统于一体。与进口设备“力矩限制器”相比，本系统具有功能齐全、经济实用的特点。本系统经过近10年的实际应用和改进，能够杜绝安全隐患，确保安全生产，并且可以通过简单改装和修改计算参数在其他类型的起重机上使用，能够简单快捷地完成设备的安装调试工作。
1 设计规格和功能要求
　起重机工况和安全监控系统的主要功能包括：
　(1)异常工况分级警告，自动测量工况并计算安全工作边际，当安全受到潜在威胁时发出不同的声光报警信号，提醒操作员注意操作安全；
　(2)紧急保护控制，在安全工作状态受到严重威胁时，自动启动应急控制，停止向危险方向运转，只能向安全方向运转；
　(3)传感器信号校正和量程标定，根据传感器信号所在区间，采取二次插值补偿修正，提高测量精度，并自动标定零点，自动判断传感器异常，确保系统工作安全；
　(4)存储起重机的操作特性参数，针对起重机在不同工况下的特性曲线，实时将运行参数提供给监控系统使用；
　(5)自动记录异常工况。
2 检测单元及工作原理
　汽车起重机监控系统示意图如图1所示，监测装置包括压力传感器、角度传感器、长度传感器、钢丝过卷传感器、钢丝过放传感器等，要求监控系统分别采集不同的物理信号，并传送到主控计算机进行分析处理。过卷和过放是通过开关量自动触发控制，在此从略。

　压力传感器通过检测支撑油缸上下腔的压力信号p，间接推算起吊物的重量；臂长传感器通过头部固定在臂杆端部的拉线，将臂杆长度变化转换为传感器内部测定元件角度的变化，以测定检测臂杆的实际长度l；仰角传感器安装在臂杆上，通过重锤带动角度测定元件转动，以检测臂杆仰角β。
根据以上测量，计算起吊物的实际重量如下：
　W=λ×f(p)/l(1)
　式(1)中：f(p)是压力测量信号的二次非线性函数；λ是角度信号β的二次非线性函数；l是吊臂长度测量信号。
在一定的设计起吊量情况下，臂长与臂角度是互相制约的，当起重臂仰角一定时，随着起重臂长度的增加，起重半径和起重高度也随之增加，而起重量应当相应减少，以防止翻车事故，这在式(1)中表现为W与l成反比。反之，当臂长l一定时，随着起重臂仰角β的增大，起重量随之增加。参见图2某起重机的操作特性曲线，曲线1代表起重量W与工作臂长度l(图中表达为“工作幅度”)之间的关系，它可以用二次曲线分段近似表达。本系统详细集成了操作特性二次曲线的各项参数，存放在非易失存储器中供软件调用。

　起重机的安全工作状态与W、β和l都有关系，这里要特别注意在不同工况下的操作特性是不同的，例如图2中有不同的曲线，不同的起重机也有较大区别，因此计算复杂度较高，需要根据工况测量信息分段计算。在实际系统中，根据W、β和l的实测结果，对起重机的操作特性作二次函数的插值逼近，各工况下的插值系数通过操作特性表获得。
　为保障工作安全，通常要求监控系统随时计算在特定条件下允许的最大起吊重量Wmax，并提示W不要超过Wmax。经过大量测试，得到Wmax的计算如下：

3 监控单元及工作原理
　起重机安全监控系统硬件组成如图3，通过A/D接口对各路传器信号进行采样，包括角度、吊臂长度、压力传感器等，从而取得起重机的工作参数，再通过式(1)、式(2)计算，得出相应工况下的实际起重物重量W及其与Wmax的比率(也称为载荷率)，在液晶显示模块上显示示意图、文字提示信息，包括臂长、臂仰角、载荷等操作者关心的参数，并发出提示音，供操作员参考。当载荷率大于90%时预报警，大于100%时报警，并自动启用强制停止控制，这时起重机不能继续向危险方向动作，如伸臂、起升等，从而实现对起重机的测控保护功能，使起重机的工作符合安全生产要求。

　计算中所需的常数以及中间结果存放在外接的非易失存储单元中，配合系统提供的液晶显示和键盘人机界面，本系统还可以完成特定的参数设置、标定及调试记录等辅助功能。
4 软件设计
　软件系统完成以下功能：
　(1)传感器信号分析计算，主要完成式(1)、式(2)的运算，计算量较大，采用AT89S52单片机[1，2]。起重机在不同工况下的操作特性是不同的，因此要求在计算过程中，自动判断工况(前方、后方、侧方、支腿、副臂等)并选择相应的计算系数和插值公式，将计算结果和提示信息送显示模块。图4为显示效果图，其中包括副臂是否伸长、有无过卷过放、支腿是否工作、主臂是否位于侧后方、系统的载荷率及当前是否安全等信息。
　(2)报警和紧急保护，在过卷、过放、超重、传感器异常等情况下，系统都能实时给出声光告警和应急处理，并通过8255接口输出控制信号启动保护继电器动作。
　(3)液晶显示，采用外购的160×128点阵显示模块，清晰度很高，每屏可以显示8×10个16×16点阵的汉字，本系统采用图文混合显示，如图4所示。系统用到的汉字点阵预先存放在存储器内[3]。

　(4)薄膜键盘，采用4×4键盘矩阵，便于集成在仪器面板上，除了输入0~9数字之外，还能输入+1、-1、CHK等控制字符，以便输入系统调试过程中用到的一些参数，单片机通过8255接口电路扫描键盘动作并做相应处理。
　起重机安全生产的形势非常严峻，采用智能监控仪表，在液晶显示器上显示工况提示信息，同时发出声光提示和报警信息，完全能够帮助操作员进行安全生产，杜绝不当操作造成安全事故。本系统适用于轮式起重机、履带式起重机、塔式起重机的安全监控，具有很高的推广应用价值。
参考文献
[1] 张毅刚.新编MCS-51单片机应用设计[M]，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2001：56-98.
[2] 周春明.AT89S51多功能遥控器的设计与制作[J]，电子制作，2007(6)：16-18.
[3] 谢维成，杨佳国.单片机原理与应用及C51程序设计[M].北京：清华大学出版社，2005：70-92.