【毕业学位论文】港口门式起重机安全监控管理系统研究

分类号 学校代 码 10495 677 密 级 公开 硕 士 学 位 论 文 港口门式起重机安全监控管理系统研究 作者姓名： 尹 浩 学 号 ： 1215233002 指导教师： 吴晓 副 教授 学科门类： 工学 专 业： 机械制造及自动化 研究方向： 机械自动化设计 完成日期： 二零一五年六 月 . E. 015 摘 要 门式起重机具有场地利用率高、作业范围大、适应面广、通用性强等优点，是我国港口应用最为广泛的装卸机械 ,其运行状态直接影响着港口的生产效率和经济效益。随着全球贸易的不断增加 ,许多港口的年吞吐量屡创 新高，但是，近年来港口起重机运行安全事故屡次发生，为确保港口门式起重机安全、高效、低成本运行，我国相关政策文件明确要求对重要起重器械进行安全监控。 本文以 理器为控制核心 ,嵌入式 为操作系统 ,结合计算机科学、传感技术和图形用户界面的相关研究成果 ,研发了一套门式起重机远程监控系统。首先分析了港口门式起重机的结构和运行特点 ， 然后， 设计了安全监控系统的总体框架，主要包括 嵌入式微处理器、串口通讯模块、 息处理模块、文件处理模块、 样模块、脉冲采样模块、人机交互模块、输出控制模块 等 九个模块。 最后， 从系统硬件、 序以及系统软件三个方面对研发过程进行详细描述。 安全监控系统硬件结构主要包括处理器、 电源模块、 存储器、液晶屏显示、串口模块等，中央处理器采用 电源模块用于给控制模块供电 ， 于存储程序和记录 港口门式起重 机监控数据等 。 示模块实现人机交互界面，使操作人员可以看到起重机运行的实时数据 。 口和界 备及 连接宿主机下载编译的 程序代码 等。 序的设计部分主要介绍了 开发环境，并对 部按键输入程序模块、外部传感器信号输入模块程序、外部脉冲信号输入模块程序及外部继电气控制模块程序进行了详细地介绍。 监控系统包含 核的移植， 用程序开发，采用交叉编译工具编译出相应的应用程序，下载到平台中从而实现嵌入式开发平台所要完成的具体功能，实现对起重机各个检测点的监控。 总之，本系统采用微电子方式开发，集成度高、功耗低 、 体积小 ， 便于监控系统的安装与携带，并且能方便快捷的对监控系统的功能进行更新。经实际调试验证 ,该监控系统能较好地完成设计任务 要求 的各 项功能，界面友好 ， 操作简单 ，也可以用于对其他各类门式起重机的安全监控 。 具有很好的应用前景和推广价值。 关键词 ： 门 机监控； 微电子方式； 嵌入式 系统 ； 研究类型 ： 应用研究 as It is in in of in In to be RM as as in a of of AD so of in so as to of to to of I QT to to in to of to of In of to to be so of to be of a 录 I 目 录 1 绪论 . 1 题的研究背景和意义 . 1 究背景 . 1 题的目的与意义 . 2 口门式起重机安全监控研究动态 . 2 外的发展状况 . 2 内的发展状况 . 3 入式技术的发展 . 3 入式处理器的发展 . 4 入式操作系统的发展 . 5 文主要研究内容及特色 . 5 要研究内容 . 5 究特色 . 6 章小结 . 6 2 系统总体方案设计 . 7 口门式起重机的结构和运行特点 . 7 口门式起重机安全监控系统总体方案概述 . 7 统的主要参数及特点 . 9 章小结 . 10 3 系统硬件设计 . 11 控板硬件设计 . 11 控板硬件总体布局 . 11 控板核心板接口设计 . 15 控板控制板电源电路设计 . 16 控板 贮电路设计 . 16 控板 路设计 . 17 控板复位电路设计 . 18 控板 路设计 . 19 控板 触摸屏电路设计 . 19 控板网络接口电路设计 . 20 控板 路设计 . 21 控板 路设计 . 22 控板 路设计 . 23 武汉纺织大学硕士学位论文 3 主控板 样电路设计 . 23 控板 示电路设计 . 24 入输出板硬件设计 . 24 入输出板总体布局 . 25 入输出板电源电路设计 . 25 入输出板输出电路设计 . 26 入输出板输入电路设计 . 26 入输出板脉冲电路设计 . 27 入输出板报警信号设计 . 27 章小结 . 28 4 序设计 . 29 I 设计软件介绍 . 29 I 发展介绍 . 29 I 件新特性 . 29 I 设计流程和方法 . 30 序说明 . 30 序架构 . 30 部按键输入模块程序说明 . 32 部传感器信号输入模块程序说明 . 33 部脉冲信号输入模块程序说明 . 33 部继电器控制模块程序说明 . 35 章小结 . 36 5 系统软件程序设计 . 37 发环境介绍 . 37 统简介 . 37 T 开发环境介绍 . 37 序驱动说明 . 37 动程序机制 . 37 行灯驱动程序介绍 . 38 D 采样驱动程序介绍 . 39 动程序介绍 . 41 用程序说明 . 43 用程序界面及流程 . 43 D 采样应用 程序介绍 . 46 用程序介绍 . 46 目录 主对话框应用程序介绍 . 47 函数应用程序介绍 . 51 章小结 . 51 6 结论与展望 . 52 论 . 52 文主要创新点 . 52 望 . 52 参考文献 . 53 附 录 . 56 在校期间学术成果 . 56 致 谢 . 57 1 绪论 1 1 绪论 题的研究背景 和意义 究背景 远洋运输 贸易在国际 中的物流方面，占有 很 重要的地位。港口 运输 是远洋 运输的结点，港口 运输的重要性随集装箱周转数目 的持续增加而日益显现。 发展港口是国家和地区发展经济的前提 1。港口机械是港口生产的根本 ，港口机械信息化是 实现 港口 现代化的主要 内容，也是港口生产技术进步的重要 标志。 现代港口装卸的未来目标 是 安全化、高效化、自动化、快捷化 、 系统化。 其中，港口设备现代电控技术起着 很大 的作用。自上世纪五十年代， 港口机电设备在性能上、 效率上、 速度上、 等有了 相当大改良和进步 2。同时 随着电控技术、计算机技术和网络技术的快速更新和发展 ， 又 推动了港口设备的现代化进步 3。 港口起重机监控系统 正是在这样的背景下产生的， 它迎合了港口设备现代化的要求，提高了港口企业设备管理和维护水平 4。同时借助于快速 发展的计算机网络实现重要系统设备的区域性和全球性远程诊断、控制、 维护和管理的需求。此外，为将来港口装卸系统全自动化提供了必要的前提 5。 近几年时间，随着进出口贸易的逐年增加， 我国集装箱运输量 比去年增加了30%的贸易量， 在 全世界集装箱吞吐 数 量 中 独占鳌头，各大港口的集装箱运输能力告急 6。 2010年仅前 11个月 ， 我国港口集装箱吞吐量达到 13297万 同比增长 20%， 超过了 2009 年 全年 12000万 。 随着我国 近几年来 港口运输 业的快速 发展， 对港口起重机的性能要求和使用频率越来越高，在这样的高负荷 的工作中，如果出现 事故 8， 将使人身安全和财产蒙受不可估量的损失， 尤其 近几年 以来，港口门式起重机应用越来越 多，运行安全事故也 频繁 发生。 发生事故原因可以总结为以下几个方面； (1)安全事故 的发生主要因为港口集装箱运输能力的不 足，操作人员没有按照起重机的参数标准进行使用，导致 起重机 超载 9 使起重机结构变形，而且由于运输量巨大，对于货物的重量也没有 及时 的进行核对，只是粗略的推测了实际起重 量。随着时间的推移就会对起重机的整体结构造成损害， 从而 导致事故的发生。 (2) 本身质量问题以及长时间得不到维护问题。 (3) 港口 起重机运行工作在 恶劣的环境中。比如强风、大雨 、降雪 等中，影响起重机 运行 安全。 武汉纺织大学硕士学位论文 2 根据 上述 原因 我们 可以 了解到事故发生的 主要因素 ，所以 对每台起重机都 应安装监控系统以进行实时监控。 在监控系统中主要需要采集的数据有：起 重量、起升高度、工作幅度 等 。 由于港口起重 机运行环境（温度、 风力、 风向、湿度 ）各种各样，获取 到 港口起重机的实时数据，就可以起到防患于未 然 的作用。 题的目的 与 意义 由于港口集装箱运输数量的连续增长 ， 港口需要连续不断的购买起重机设备， 来 满足不同的 装卸 要求，添置的起重机类型和电控系统各种各样 。这 样，一定会 在同一个港口上使用着不同公司 完全不同的监控系统。如 士电控系统使用的是澳大利亚希亚特公司的 些系统 有着各自的优点和缺陷，不利于港口起重机设备的统一维护 。若 想新增一项功能，则要找各公司 的监控系统技术人员 来实现， 可能因为系统功能的局限性 ，新 功能 可能 不会 全部 实现。 本课题是 项目组 与中铁科工机械设计研究院合作共同研发一款新型起重机监控系统，主要用于门式起重机及相关类似设备的安全监控管理， 其 目的是 在线了解起重机械的实时 运行 参数变化，同时可远程显示 ，使起重机 在安全状态下运行。由于 嵌入式系统的特点是功耗较低、结构简单便于携带 且编写便捷，所以将装到 港口门式起重机 上 11， 本文主要设计出一种 安全可靠并且在 港口中通用的 港口 门式 起重 机监控设备。 口门式起重机安全监控研究动态 外的发展状况 现代港口起重机设备监控系统和集成开发环境的软件系 统 国内发展历史很短，最多只有 10 多 年的时间 12 而国外的监控系统发展历程由来已久。近来随着微型计算机深入到人们的工作生活中 ， 微型监控系统迅速发展， 各大 大开发商更是 如鸟投林 ，纷纷加入监控系统的阵营。如德国 司的 国 司的 国 大利亚西雅特公司的 后期国内的组态王等。这些公司大都以组态软件方式的来开发监控系统的 14。 国际上 有很多制造起重机的龙头企业 ， 德国 的利勃海尔公司（ 、美国 马尼托瓦克 公司（ 日本的加藤公司（ 都是比较优秀的公司 ， 这几家公司 主要根据 自己的起重机设计了安全监控系统 15。 由于开发设计监控系统较早，所以监控系统中有很多 国际领先的 技术。 这几家公司 的产品特性如 表 16。 1 绪论 3 表 外起重机安全监控技术的发展现状 内的发展状况 随 着我国重工业的 迅猛发展，起重机械取得了不错的 成绩 ， 已经有 1600 多家单位获得了 经国家质检总局颁发起重机 制造许可证，有很强的起重机械制造 水平 。 在小型起重机设计领域我国已经跟国际接轨 ， 而对大型起重机的制造我们和国外还有很大 的差距 17。在技术层面上来讲，我国制造 大型门 式起重机的时间不长 ， 在设计方面 要 改进 的地方很多 ， 从经验上来说 ， 国外的企业 在可靠性和稳定性 上跟国内比优势很大 18。 通过技术和经验上的累积，我国可以在几年时间不断提高整体技术水平，逐步达到 国外门 式起重机的技术水准 19。但监控 系统在科技和性能上存在着不足 20， 国外一些大型公司或企业已经能对起重机运行参数进行全面监控 而且还能够 做到故障检测 。相对于我国在这些地方发展历程很短 ，对监控 运行参数和故障检测能力不足，只 简单 的对运行参数和故障进行监控。近年来技术的不断进步 以及港口起重机 使用率的增加 ， 国内很多公司也重视起来投入了很多精力， 但在开发 经验 上和 在 现有 的技术上 存在着不足 21，不能达到国外的先进 水平 。 入式技术的发展 随着 科技的进步和时代的 发展，嵌入式系统 也逐渐应用到监控系统中 。从 以前的 单片机到现在 市场中占有主导地位的 嵌入式微处理器 22嵌入式技术 已经有了很长 时间 的发展历程。主要的 发展 包括 以下几个部分。 武汉纺织大学硕士学位论文 4 (1)无操作系统 起初 的 一类是 可编程的控制器 ， 它 就是 我们通常所说的单片机 24。这类单片机在工业控制中有频繁的应用 ， 它 主要的功能 是实现 控制、检测 和报警 。 这类系统控制程序相对单一，只是 八 位的系统，工作效率和性能较低， 然而 成本便宜，所以大部分都是用这类系统 。但这类系统存在很多缺点，只能显示部分数据 ，对人们的需要难以满足。 (2)简单的操作系统 随着 时代的发展和科技的进步 ， 制造商把芯片中加入了串行接口、其他模块、和 I/新的微控制器 带 有 I/0接口 ， 编写程序越发简单，加速了对微控制器 任务 的建立 25。 (3)实时操作系统 随着时间的推移，操作系统可以在其 他一些微处理器上进行实时监控 26。操作系统可以存储数据和建立任务，并加入了很多类型的接口，对于应用程序的开发更加便捷。 (4)面向 互联网 阶段 伴随着互联网的普及 ， 人们在生产过程和实际生活中都与互联网存在着密切联系 27， 许多领域的 技术也都通过互联网进行共享，嵌入式技术也一定会跟随时代的脚步 与互联网相 联结 。 入式处理器的发展 由图 经在嵌入式处理器 市场中 占 有重要地位 ， 用 电脑 和工业产品中都占有举足轻重的地位 28 司 仅仅提供芯片的设计，大多数以低端市 场的需要为主 ， 不 直接参与芯片 制造 和 生产 。 其他处理器一样都是以 构 31 三星 公司 生产的 入式微处理器，它 是以 主频可以工作到 400高 工作功率能够达到 5334 具有内存管理单元 ( 它的优点 是计算速率较 快，功耗相对较低 。 图 入式处理器的使用趋势 1 绪论 5 入式操作系统的发展 操作系统 的 核心 是嵌入式系统 ， 近来年嵌入式操作系统的 使用趋势如图 作系统 在 很多应用中 都 有着举足轻重 的地位 37 很多系统都有他的优点和特性 40 常见 的 分时嵌入式系统有 E， 由于 特性， 但 最具代表性的是完善的网络功能 和权限访问功能，所 以吸引越来越多的用户的大量使用。 相对知名 的嵌入式 统有 在 广泛的应用到 人类的生产生活中 43 图 入式操作系统使用趋势 文主要研究 内容及特色 要研究内容 本论文分为 六 章，各章节研究包括以下几个方面内容： 第一章 :绪论部分 主要介绍了本课题的研究背景、研究目的和意义、 分析了国内外 关于港口门式起重机监控系统、嵌入式处理器、嵌入式操作系统的研究现状，针对港口门式起重机的作业监控的需求，提出了研究思路。 第二章 :简要的概括了 系统总体 的设计方案，介绍了港口门式起重机的结构、运行特点及监控系统的主要技术参数和系统组成。 第三章 :主要介绍 安全监控系统 的硬 件设计，系统 中央处理器采用 介绍了主控板 电源模块 、 块、复位电路模块、 示模块、 块、 样模块、 示模块和输入输出板的电路设计和具体功能。 第 四 章 :介绍了 程序设计， 港口门式起重机监控系统嵌入式软件平台的搭建。先介绍了 I 软件开发的环境， 包括 I 软件的发武汉纺织大学硕士学位论文 6 展简介及软件新特性。然后又对 序架构、外部按键输入程序模块、外部传感器信号输入模块 程序、外部脉冲信号输入模块程序及外部继电气控制模块程序等核心 模块 进行了详细地介绍。 第五 章 :介绍了港口门式起重机系统软件程序的设计，包括 统的开发环境， 同时对自己定制的 运行灯 ， 动程序 进行了详细的介绍，同时对应用程序的子函数及整体运行程序进行了详细 说明。 第六章 :结论与展望 行总结， 提出了设计存在不足的地方与 未来的应用前景和 发展方向。 究特色 目前国内主要开发门式起重机监控系统一般分为两种，一种是主要是运用 块化设计，虽然精度、集成度很好而且便于扩展 移植性强 。但是研究成 本很高，大部分都是购买的集成模块进行拼凑且体积很大，起重机监控系统的安装不便捷。另一种是用单片机模块化设计开发的起重机监控系统，体积较小，成本较低，但对监控系统的功能更新，集成模块的扩展 移植性 能力不足。 本设计是采用 32 位 核心控制芯片的 微电子方式 ， 集成度高，成本又不到 积小， 升级方便，采用的是 面编程是 程技术，同时 便于监控系统的安装与携带并且能方便快捷的对监控系统的功能进行更新 移植 ，集以上两种监控系统的优点于一身，在国内属于开创性工作。 章小结 本章首先介绍了 国内外起重机