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通用橋式起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及分析

來(lái)源:愷德?tīng)柶鹬貦C(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)專(zhuān)家 發(fā)表日期: 2016-07-24 16:02:00

起重機(jī)械是八大類(lèi)特種設(shè)備之一。起重機(jī)械的產(chǎn)品質(zhì)量和安全生產(chǎn)不僅關(guān)系到生產(chǎn)效率和人民的生命安全,也關(guān)系到國(guó)家經(jīng)濟(jì)運(yùn)行安全和社會(huì)穩(wěn)定,是公共安全的重要組成部分。以上海為例,“十一五”期間,中小起重機(jī)械事故多發(fā),全市共發(fā)生近43起起重機(jī)械事故,造成39人死亡、14人受傷;起重機(jī)械事故占全市特種設(shè)備事故的31%,位居全國(guó)第二;在用起重機(jī)械定檢的合格率只有9.4%;起重機(jī)械安全性能監(jiān)督檢驗(yàn)合格率只有0%。統(tǒng)計(jì)分析表明:起重機(jī)械事故中,設(shè)備的無(wú)證使用占了事故總數(shù)的32%;無(wú)證人員作業(yè)導(dǎo)致事故發(fā)生占了23%;因使用、管理不善導(dǎo)致的事故占事故總數(shù)的56%;與維修有關(guān)的事故占事故總數(shù)的33%。



起重機(jī)械安全監(jiān)管技術(shù)列入了《國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃綱要》第58項(xiàng)重大生產(chǎn)事故預(yù)警與救援優(yōu)先主題。國(guó)家質(zhì)檢總局和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)也聯(lián)合發(fā)布GB/T28264-2012((起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》。因此,應(yīng)用現(xiàn)代信息管理技術(shù),以生產(chǎn)單位和使用單位為主體,規(guī)范、加強(qiáng)起重機(jī)械的使用和維保,提高起重機(jī)械本質(zhì)安全性能,防范事故,保障安全,具有重要的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)意義。在1臺(tái)在用32t/10t×22.5in、A5工作制通用起重機(jī)的繼電器控制基礎(chǔ)上,采用嵌入式技術(shù),對(duì)該起重機(jī)進(jìn)行信息化改造,使之初步滿(mǎn)足了國(guó)標(biāo)要求的安全監(jiān)控管理要求,采集的相關(guān)信息可以進(jìn)一步作為起重機(jī)維保和性能評(píng)估的依據(jù)。



1橋式起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)要求

1.1安全監(jiān)控系統(tǒng)要求

起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)的信息采集源應(yīng)依據(jù)GB/T28264-2012表1的要求,結(jié)合具體情況確定信號(hào)源進(jìn)行安全監(jiān)控。對(duì)橋式起重機(jī)應(yīng)采集的信息源包括:起重量限制器、起升高度限位器/下降深度限位器、運(yùn)行行程限位器、聯(lián)鎖保護(hù)安全裝置、同一或不同一軌道運(yùn)行機(jī)構(gòu)防碰撞裝置、超速保護(hù)裝置、起升機(jī)構(gòu)制動(dòng)器(宜采集)。起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)對(duì)起重機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)及故障信息進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄和歷史追溯功能。



1.2電氣控制方式

通用橋式起重機(jī)通常采用繼電器、接觸器方式控制。駕駛室控制電器采用聯(lián)動(dòng)臺(tái)對(duì)起重機(jī)進(jìn)行操作,控制器的布置方式為:右手用一個(gè)主令控制主鉤和副鉤,右手主令前一后動(dòng)作時(shí)控制主鉤下一上運(yùn)行,3~5個(gè)擋位,右手主令左一右動(dòng)作時(shí)控制副鉤上一下運(yùn)行,3~5個(gè)擋位;左手一個(gè)主令控制大車(chē)和小車(chē)運(yùn)行,左手主令前一后動(dòng)作時(shí)控制小車(chē)前一后運(yùn)行,5個(gè)擋位,左手主令左一右動(dòng)作時(shí)控制大車(chē)左一右運(yùn)行,5個(gè)擋位;聯(lián)動(dòng)臺(tái)上設(shè)有鑰匙開(kāi)關(guān)、啟動(dòng)和緊停按鈕、主電源和控制電源指示燈;駕駛室內(nèi)設(shè)有總空氣斷路器、6V低壓風(fēng)扇、維修插座、照明開(kāi)關(guān)等。通用起重機(jī)通常有較為完備的安全保護(hù)措施。例如,安裝有起重量限制器進(jìn)行超載保護(hù),其他的安全保護(hù)措施還包括起升上下限位、運(yùn)行機(jī)構(gòu)行程限位、聯(lián)鎖安全保護(hù)等。由于采用繼電器控制回路實(shí)現(xiàn),無(wú)法進(jìn)行故障信息的實(shí)時(shí)記錄和歷史追溯。



1.3安全監(jiān)控采集信息源

該橋式起重機(jī)安裝有起重量限制器,采用ModBusRTU協(xié)議,通過(guò)RS485總線和起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)連接。起重量限制器以0.5S間隔發(fā)送載荷信息,通信協(xié)議中包含有循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CRC16)以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。起重機(jī)中的限位、安全聯(lián)鎖等信號(hào)為開(kāi)關(guān)量信號(hào)。開(kāi)關(guān)量信號(hào)又分為無(wú)源開(kāi)關(guān)和有源開(kāi)關(guān),無(wú)源開(kāi)關(guān)俗稱(chēng)干接點(diǎn),如起升高度限位器/下降深度限位器、大小車(chē)行程限位器、聯(lián)鎖保護(hù)安全裝置、防碰撞裝置等??赏ㄟ^(guò)圖1所示接口電路接入系統(tǒng),該接口電路具有限流、濾波、鉗位、光電隔離功能,工作可靠,抗干擾能力強(qiáng);有源開(kāi)關(guān)接點(diǎn)之間有極性,具有有電和無(wú)電2種狀態(tài)。在起重機(jī)的控制回路中,少量用于強(qiáng)電控制回路(~380V)繼電器沒(méi)有多余的觸點(diǎn),為了采集這些繼電器狀態(tài),采用了交流開(kāi)關(guān)隔離變送器,將交流380V信號(hào)轉(zhuǎn)換成TTL電平后接人系統(tǒng)。交流開(kāi)關(guān)隔離變送器采用DC24V供電,輸入/輸出隔離,隔離電壓2500VAC/min,使起重機(jī)的控制回路和嵌入式系統(tǒng)隔離,提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。




1.4累積工作時(shí)間計(jì)算

由起重機(jī)的電氣控制原理可知(見(jiàn)圖2),起升機(jī)構(gòu)電機(jī)由交流接觸器ZC、FC、DC及相應(yīng)回路控制,因此,采集線圈狀態(tài)并進(jìn)行累加即可統(tǒng)計(jì)起重機(jī)的累積工作時(shí)間,也可以通過(guò)起重量信息計(jì)算累積工作時(shí)間。

橋式起重機(jī)主鉤控制原理




2、嵌入式起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)組成

通過(guò)對(duì)橋式起重機(jī)電氣控制原理分析,提出采用嵌入式系統(tǒng)對(duì)該起重機(jī)進(jìn)行信息化改造,使之能滿(mǎn)足GB/T28214-2012規(guī)定的安全監(jiān)控要求。嵌入式起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)采用了freescaleiMX25系列32位ARM9核心微控制器(MicroControllerUnit),主頻400M,通過(guò)外圍電路擴(kuò)展,使該系統(tǒng)具有64MDDR2系統(tǒng)內(nèi)存,128MFlash存儲(chǔ)器。支持實(shí)時(shí)時(shí)鐘、大容量SD卡、1路以太網(wǎng)、多路串行通信(包括RS232、RS485GPRS/CDMA)、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(CAN)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TFT彩色LCD、4線制電阻觸摸屏、32路GPIO;支持WindowsCE6.0嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)。通過(guò)移植,支持嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite3。系統(tǒng)組成如圖3所示。



圖3中RS485和起重量限制器連接,實(shí)時(shí)獲取載荷信息,遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸模塊GPRS(或CD—A)用于和后臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,觸摸屏用于工作狀態(tài)顯示和參數(shù)設(shè)置,實(shí)時(shí)時(shí)鐘用于記錄故障信息的時(shí)間戳,SD卡則用于保存故障信息,GPIO則用于采集開(kāi)關(guān)信號(hào)的狀態(tài)。



3、起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

嵌入式起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)基于WindowsCE.0嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng),移植了基于文件的嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)SQLite3,開(kāi)發(fā)工具采用MicrosoftVisualtudio2005。系統(tǒng)組成如圖3所示,上層是起重機(jī)安全監(jiān)控應(yīng)用程序,下層是嵌入式操作系統(tǒng)WinowsCE6.0和嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite3。起重機(jī)安全監(jiān)控應(yīng)用程序通過(guò)WindowsCE控制硬件操作。

WindowsCE6.0支持多任務(wù),軟件設(shè)計(jì)應(yīng)利用多任務(wù)特性以提高程序運(yùn)行效率。起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)需要執(zhí)行的主要任務(wù)有:


1)定時(shí)輪詢(xún)安全信號(hào),如果相應(yīng)的信號(hào)被觸發(fā),則記錄信號(hào)值及發(fā)生的時(shí)間;

2)記錄起重機(jī)的工作載荷,記錄開(kāi)始作業(yè)的時(shí)間和結(jié)束作業(yè)的時(shí)間;

3)作業(yè)信息(界面)的更新;

4)作業(yè)信息的遠(yuǎn)程傳輸,包括通過(guò)GPRS撥號(hào)建立遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)鏈接并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。


其中1)和2)具有實(shí)時(shí)j生,3)和4)則是非實(shí)時(shí)的,應(yīng)采用不同的方法進(jìn)行處理。實(shí)際中,針對(duì)第1種情況,采用了WindowsCE系統(tǒng)自帶的定時(shí)器,每隔100ms對(duì)L/O信號(hào)進(jìn)行采集,如果信號(hào)改變,則記錄相應(yīng)事件。針對(duì)第2種情況,采用了多線程和信號(hào)量機(jī)制確保及時(shí)正確的接收起重量限制器傳送的數(shù)據(jù)。針對(duì)第3種情況,采用了WindowsCE的消息機(jī)制更新界面元素。針對(duì)第4種情況,則利用了非作業(yè)時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。軟件設(shè)計(jì)基于WindowsMFC,采用了面向?qū)ο蠹夹g(shù),圖4顯示了參與通信的各對(duì)象之間的交互。和起重量限制器通信過(guò)程中涉及了串口類(lèi)(SefiM)、起重量限制器類(lèi)(LoadCel1)、應(yīng)用程序類(lèi)(App)和界面交互類(lèi)(Dialog)。應(yīng)用程序類(lèi)(App)用于實(shí)現(xiàn)全監(jiān)控系統(tǒng)控制邏輯,初始化界面交互對(duì)象(1)、起重量限制器對(duì)象(2)和串口對(duì)象(3);界面交互類(lèi)實(shí)現(xiàn)了輸入控制和信息顯示;串口類(lèi)實(shí)現(xiàn)了串口的初始化,并啟動(dòng)單獨(dú)的線程(receiver)接收起重量傳感器的數(shù)據(jù)(4)并進(jìn)行通信過(guò)程中的錯(cuò)誤處理,例如奇偶校驗(yàn)錯(cuò),然后將接收到的正確字節(jié)流數(shù)據(jù)傳遞給起重量限制器類(lèi)(5);起重量限制器類(lèi)對(duì)接收的字節(jié)流進(jìn)行緩存,并依據(jù)ModBus協(xié)議提取其中的載荷信息并進(jìn)行校驗(yàn)(6),之后將完整的起重量信息通過(guò)消息機(jī)制通知界面交互類(lèi)(7);最后由界面交互類(lèi)更新起重量信息(8)由于不同類(lèi)型的起重機(jī)顯示的內(nèi)容差異大,不同類(lèi)型的起重量限制器其通信協(xié)議、解析方法也不同,因此Dialog類(lèi)、LoadCell類(lèi)變化較大。而起重機(jī)安全監(jiān)控流程、接收起重量限制器之間的數(shù)據(jù)通信則是相同的,因此,App類(lèi)、Serial類(lèi)相對(duì)固定。通過(guò)類(lèi)的抽象和接口定義,將安全監(jiān)控系統(tǒng)的控制流程和易于發(fā)生變化的部分進(jìn)行了封裝,提高了軟件復(fù)用。


采用通道表示某個(gè)安全監(jiān)控信息源,每個(gè)通道隸屬某個(gè)機(jī)構(gòu),某個(gè)機(jī)構(gòu)可包括多個(gè)通道,例如起升機(jī)構(gòu)包含了上限位、下限位、超載等多個(gè)通道,借鑒設(shè)計(jì)模式中的復(fù)合模式,構(gòu)建了如圖5所示的類(lèi)層次結(jié)構(gòu),Assembly類(lèi)抽象了起重機(jī)機(jī)構(gòu),通過(guò)該類(lèi)的Add方法將通道(安全監(jiān)控信息源)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分類(lèi),實(shí)現(xiàn)了安全監(jiān)控信息源的結(jié)構(gòu)化,利于信息的存儲(chǔ)、傳輸和檢索




4、結(jié)論和展望

采用嵌人式系統(tǒng)對(duì)繼電器控制的32t/|0t×22.5m(A5)通用橋式起重機(jī)進(jìn)行信息化改造,使該起重機(jī)初步具備了實(shí)施GB/T28264-2012規(guī)定的安全監(jiān)控的條件。通過(guò)面向?qū)ο蠹夹g(shù),將安全監(jiān)控信息源進(jìn)行了結(jié)構(gòu)化和層次化,以利于故障信息的存儲(chǔ)和檢索。同時(shí),利用LoadCell等類(lèi),將系統(tǒng)中變化部分進(jìn)行了隔離和封裝,提高了軟件復(fù)用。嵌入式系統(tǒng)配置靈活,軟硬件一體,性能強(qiáng)大,完全可以替代傳統(tǒng)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(IPC),而成本只有后者的1/3,具有很高的性?xún)r(jià)比。



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