摘要：塔式起重机简称塔机，由于在实际工作中环境恶劣，强度大，且一旦发生故障，将造成严重的经济财产损失，所以必须对塔机进行实时监控。为了提高施工效率，通常由多台塔机协调工作，所以必须防止距离较近的塔机之间的碰撞。有多种方法用来防止塔机之间的碰撞，包括：采用红外或激光传感器，但成本较高；通过超声波检测距离，但精度不高；使用坐标变化算法计算距离，但缺乏实践没有得到广泛应用。
关键词：ARM；塔式起重机；智能监控；系统；分析
引言：在各种工业及民用建设施工过程中，塔式起重机（简称塔机）是必不可少的，也是施工过程最关键的大型施工机械之一，它特别适宜在建造高的建筑物时进行吊运作业，主要用吊钩吊运重物。由金属结构、工作机构和电气系统三部分组成。金属结构包括塔身、动臂和底座等。工作机构有起升、变幅、回转和行走四部分。电气系统包括电动机、控制器、配电柜、连接线路、信号及照明装置等。它的安全问题，一直是塔机及其应用行业的主要忧患之一，受到各国政府、制造厂商和使用单位以及科研部门的高度重视。
1.智能监控系统功能结构
1.1 CPU
CPU采用的是意法半导体生产的具有Cortex-M3内核的STM32F205系列处理器，具有高性能、低成本、低功耗、外设丰富的特点。此处理器具有6路串口通信，2个SPI接口，1个SDIO接口，还有128K的Flash，能满足该监控系统的硬件需求。
1.2AD采样模块
AD模块是基于TI公司的12位模数转换芯片TLC2543，负责处理塔机起重的质量、塔机小车前进幅度、吊钩上升高度、施工环境风速、塔机回转角度、塔机基座4个方向倾角共9个传感器的AD转换。该芯片与STM32采用SPI的通信方式。
1.3 GPＲS远程监控模块
该模块是确保政府相关部门对塔机工作的监督，其通信是基于TCP/IP协议。该模块将塔机运行过程的信息上传到远程监控平台，同时接收远程监控平台发来的控制指令，包括开机允许和设备关机等指令。
1.4人机交互模块
该模块主要功能包括塔机监控系统信息的初始化、塔机系统工况信息的实时显示等。系统的初始化包括塔机安全阈值的确认、AD采样信息的标定、塔机周围区域建筑物的位置确定等。
1.5 SD卡数据存储模块
该模块用于把塔机的工况信息存在本地。在该系统中，当GPＲS信号不良时塔机工况信息无法上传到监控平台，此时则会将工况信息保存在本地。SD卡和STM32通过SDIO接口的驱动方式，其传输速度快，信息安全可靠。
1.6 Zig Bee无线通信模块
该模块主要用于塔机系统中塔机之间的通信。传输的数据主要包括塔机旋转的角度、塔机的编号、塔臂的高度和塔机的位置，从而实时监控塔机之间的相对距离。当距离小于设定的安全距离时，会启动监控系统的安全报警功能，有效防止塔机之间的碰撞。
1.7语音报警和控制输出
该模块主要输出报警信息。当塔机出现安全阈值报警或者碰撞报警时，通过语音和继电器控制信号输出，产生警报信号。
2.系统功能
一是将在线监测与故障诊断技术应用于塔机的重大故障监测，研究塔机在故障下的运行情况，从理论上分析这些故障对塔机运行性能的影响，提出有效的检测方法，以便在塔机只出现轻微故障时及时检测出来，采取有效措施，防止故障进一步加重。二是实时显示塔机整体运行状态，对反映塔机整体性能及安全状态的工作参数如起重量、起升高度、载荷力矩等限制装置，以及行程限位开关、塔顶信号灯、测风仪、防风夹轨器、爬梯护身圈、走道护栏等进行全程动态监控。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆三是可以自动设置或修改安全作业区间参数，如：最大重量、最大力矩、最大幅度和高度等，并具有良好的人机界面和报警机制。四是能对作业过程进行24小时的实时录像和回放，并对起重量、起升高度、各种作业速度进行长达一个月的数据记录。一旦发生事故，可根据录像和数据记录来分析事故原因。
3.监控系统软件结构
系统将根据是否初始化完毕来判断进入初始化程序或监控主程序。系统初始化的内容包括AD标定系数、塔机防碰撞区域确定、塔机系统的安全阈值、群塔的坐标信息、IP端口、用户密码等内容。这些内容在系统第一次运行时由塔机操作人员输入并存储在STM32内部Flash中，以防掉电也不会丢失。其主要功能包括AD采样、Zig Bee数据接收、报警信息的处理三大部分。系统实时AD采样后会和初始化中的安全值比较，从而判断单台塔机是否发生危险。Zig Bee则处理塔机之间的信息，当一台塔机通过Zig Bee收到其他塔机的数据后，可以判断两台塔机的距离；当距离小于安全距离时，产生报警信息。
4.碰撞算法
防碰撞算法主要分为塔机与固定建筑的防碰撞算法和塔机之间的防碰撞算法。
4.1塔机与固定建筑物的防碰撞算法
不同形状的建筑物均可以简化成两个边界点，塔机与建筑物的防碰撞的充要条件为当塔机塔臂旋转的角度θ＜δ＜（β+θ）时，塔机吊钩离地面的距离大于建筑的高度。塔机在工作中，系统将实时监控塔机的角度和吊钩高度，防止与建筑物的碰撞发生。
4.2塔机与塔机之间防碰撞
群塔之间的防碰撞分为两种情况。一是当塔机塔臂的高度相等时，塔机之间的碰撞此时塔机的碰撞即两台塔机塔臂之间的碰撞。其中θ和β角是安全缓冲角度，由操作员人工输入；阴影区域表示危险警报区域，即当两台塔机的阴影区域重叠时，产生警报信息。二是当塔机高度不相等时，其碰撞的条件是：当高位塔机和低位塔机旋转到平行相对的位置时，L≥l且H3－H≤H4。此时系统将监控两台塔机的高度信息和角度信息，防止塔机碰撞的发生。
5.实验测试
在测试中，模拟两台塔机同时运行时的工况。在测试中，用9个电位器模拟9路传感器输入，并且在系统测试时将实时改变电位器的输出值。从界面能实时显示塔机旋转位置、塔机吊钩位置和建筑物三者之间的关系，从而提示塔机操作人员提前防止塔机之间的碰撞、塔机与建筑物的碰撞发生，保证系统的安全。从多次测试结果中可以看出，该监控系统能实时监控单台塔机安全，显示塔机的实时工况信息，同时监控塔机之间、塔机与建筑物之间的危险距离。当传感器值超过系统初始安全值或塔机之间的距离小于设定的安全值时，系统会产生警报信息。该智能监控系统很好地满足了实际工作需求，确保了塔机系统施工安全。
总结：通过对上述的内容进行分析研究之后可以得出，总而言之，随着中国城市化建设速度的加快和国家重大建设项目的推进，必将对塔式起重机的需求越来越大。本文研究的塔式起重机智能监控系统能高效实时地监控塔式起重机系统的工况信息，同时对运行过程中的危险信息进行报警，这对于提高塔机实际工作中的安全系数有重大的意义。
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论文作者:吕洪伟
论文发表刊物:《基层建设》2018年第27期
论文发表时间:2018/9/18
标签：塔机论文; 系统论文; 信息论文; 模块论文; 工况论文; 距离论文; 监控系统论文; 《基层建设》2018年第27期论文;