（机械电子工程专业论文）塔式起重机多源信息监控系统研究.pdf

西安建筑科揍大学硕士学位论文 塔式起重机多源信息监控系统研究 专业：机械电子工程 硕士生：贾永峰 指导教师：谷立臣教授 摘要 近年来随着各类高层、超高层建筑的兴起和生产自动化程度的提高，塔式起重机 在现代化建筑施工过程中应用越来越广、作用越来越大，并且不断向大型化、智能化 方向发展。在大型化方面主要是起升高度、变幅幅度越来越大，起重量不断增加，这 样就对塔机的安全性、可靠性、高效性提出了更高的要求。随着微电子技术、计算机 技术、检测技术和控制技术的迅速发展使起重机不断趋于自动化、智能化，这使得塔 机运行更平稳、更安全，控制更准确，生产效率更高。因此，应用微电子技术和现代 测控技术，研制塔机实时状态监控系统，使其更安全高效的工作，减少事故发生和运 行状态记录都有重要意义。 本文完成了塔式起重机的控制和监测系统的分析与研究、电气控制电路设计和软 件设计。运用函数型连接神经网络解决了起重力矩和起重量在线测量中的非线性问 题，使得计算过程简单，测量数据准确。用p l c 实现塔机电气控制，用文本显示器以 数值方式在线显示塔机运行过程中的主要状态参数，当测量值超过设定值时，可自动 报警并记录当前各状态参数，并且能够切断相应控制电路，起到安全保护的作用。运 用v 叶+ 调用m s e o m m 通讯控件，在上位机与p l c 之间建立通讯。用上位机管理控制 塔机运行，实现p l c 的i o 口状态监测、过程变量监测、系统信息监测、塔机运行状 态参数监测和在线故障诊断，能够实现p l c 任意i o 口状态控制以及塔机的线控功能。 用软件设定塔机的工作范围，有效的解决了塔机碰撞和互撞问题。运用模糊控制原理 对塔机吊具自动跟踪系统进行研究，为进。步提高塔机安全性、高效性奠定基础。最 后通过软硬件综合调试验证了本监控系统的可行性和有效性。 关键词：塔式起重机监控系统模糊控制神经网络 陕西省自然科学基金资助项目：2 0 0 3 e 2 0 3 陕西省教育厅基金资助项目：0 2 j k 0 6 西安建筑科技大学硕士学位论文 r e s e a r c ho fm u l t i i n f o r m a t i o nm o n i t o r & c o n t r o l s y s t e ma b o u t t o w e tc f a n e s s p e e i a l w ： m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i a le n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：j i ay o n g f e n g c o n d u c t o r ：p r o f g ul i c h e n a b s t r a c t r e c e n t l yy e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h eh j 【g hb u i l d i n g sa n ds u p e rh i g h b u i l d i n g sa n dt h ee x t e n to ft h ep r o d u c t i o na u t o m a t i o ni m p r o v i n g ，t o w e l c r a n e sa r eb e i n g w i d e l yu s e di nt h ep r o c e s so f m o d e r nc o n s t r u c t i o na n dh a v ed e v e l o p e dt o w a r dh i g ha n db i g s t r u c t u r ea n di n t e l l i g e n c ec o n t i n u a l l y h i g ha n db i gs t r u c t u r em e a n st h a tt h eh e i g h t ，t h e r a n g ea n dt h er i s i n gw e i g h ta r eb i g g e ra n db i g g e r i nt h ec i r c u m s t a n c e s ，s t r i c tr e q u i r e m e n t s a r ep r o v i d e df o rt o w e rc r a n e si n s e c u r i t y , r e l i a b i l i t ya n dh i g he 蚯c i e n c y t h er a p i d d e v e l o p m e mo fm i c r o - e l e c t r o n i c s ，c o m p u t e r , e x a m i n a t i o na n dc o n t r o lt e c h n o l o g ym a k e t o w e rc r a n e st e n dt oa u t o m a t i o na n di n t e l l i g e n c e ，t h e nt o w e rc r a n e sc a nw o r km o r ec a l m l y , m o r es a f e t ya n dc o n t r o la r em o r ea c c u r a t ea n dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya r eh i g h e r t h u s ， a p p l i c a t i o no f m i c r o e l e c t r o n i c sm a dm o d e ms u r v e ya n dc o n t r o lt e c h n o l o g y , r e s e a r c h i n ga n d m a k i n go ft o w e rc r a n e s r e a l t i m es t a t u sm o n i t o r & c o n t r o ls y s t e ma r ee s s e n t i a lt o p r o m o t i n gi t sw o r ke f f i c i e n c y , r e d u c i n ga c c i d e n ta n dr e c o r d i n gi t sw o r ks t a t u si n f o r m a t i o n i nt h i s p a p e r , t h ec o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mo ft o w e rc r a n e s a r e a n a l y z e da n ds t u d i e d ，a n dt h ee l e c t r i c c i r c u i t sa n ds o f t w a r ed e s i g n sa r ep e r f o r m e d a p p l i c a t i o no ff u n c t i o n a ln e u r a ln e t w o r kr e s o l v e san o n - l i n e a rp r o b l e mi no n l i n en l o a s u r e t o w e rc r a n e sl i f t i n gm o m e n ta n dl i f t i n gw e i g h t ，m a k i n gt h ep r o c e s so fc a l c u l a t i o ne a s ya n d t h em e a s u r e m e n td a t aa c c u r a c y p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) i su s e dt oc o n t r o l e l e c t r i cc i r c u i t a n dt e x td i s p l a yi su s e dt os h o wt o w e rc r a n e s s t a t u sp a r a m e t e r sb y n u m e r i c a lv a l u e s w h e nt h em e a s u r e m e n tv a l u e se x c e e dt h el i m i t , s e c u r i t ya n dp r o t e c t i o n d e v i c ew i l la l a r n la n dr e c o r dc u r r e n tp a r a m e t e r sa n dc u to f ft h ee l e c t r i cc i r c u i t s t h e c o m m u n i c a t i o ns y s t e mb e t w e e nh o s tc o m p u t e ra n dp l ca r eh e l d w h i c hu s ev c + + a n d c o m m u n i c a t i o nc o n t r o lr e f i tm s c o m n l t h eh o s tc o m p u t e r sc o m m i s s i o ni sc o n t r o la n d m a n a g e m e n tt o w e rc r a n e s ，f o re x a m p l e ：m o n i t o rp l c sy os t a t u s ，m i d d l ep r o c e s sv a r i a b l e ， s y s t e mi n f o r m a t i o n ，t o w e rc r a n e s s t a t u sp a r a m e t e r sa n dd i a g n o s ef a u l tb yo n - l i n e t h e r e a r eo t h e rf i m c t i o n s 也a tc a nc o n t r o lp l c si 0s t a t u sa n dt o w e rc r a n e s o n l i n ec o n t r 0 1 t h a t c a r ls e tw o r k i n gr a n g eo ft o w e rc r a n e st h r o u g hh o s tc o m p u t e rs o f t w a r e ，w h i c he f f i c i e n t l y r e s o l v et h ep r o b l e mo ft o w e rc r a n e sc o l l i s i o n i no r d e rt o r a i s i n gs e c u r i t ya n dh i g h e f f i c i e n c y , f u z z yc o n t r o lp r i n c i p l ei su s e dt ot r a c kh o i s th o o k ，w h i c hi m p r o v es e c u r i t ya n d h i g he f f i c i e n c yo f t o w e rc r a n e s a tl a s t ，b ym e a n so f d e b u g g i n gt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ， i ti sv e r i f i e dt h a tt h ew o r k i n gc o n d i t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mo ft o w e rc r a n e si sf e a s i b l em a d e f f e c t j v e k e y w o r d s ：t o w e rc r a n em o n i t o r & c o n t r o ls y s t e m f u z z yc o n t r o l n e u r a ln e t w o r k i i 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我同工作的同 蕙对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：量书嚷 日期：加fp ，6 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，e l i ： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 一熟峰铆签名易泐吼矽“ 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 随着现代科学技术的迅速发展，工业生产规模的扩大和自动化程度的提而，起重 机存现代化生产过程1 应用越来越广，作用愈来愈大，对起重机的要求也越来越高。 尤其是电予计算机技术的广泛应用，促使了许多跨学科的先进设计方法出现，推动了 现代制造技术和检测技术的提高。激烈的国际市场竞争也越来越依赖丁技术的竞争。 这螳都促使起重机的技术性能进入崭新的发展阶段，起重机正经历着一场巨大的变 革。我国正以前所未有的速度进入全球化国际竞争市场，中围的起重机制造业面临着 机遇与挑战并存的新形势。因此起重机的不断发展和刨新是关键。 建筑业的蓬勃的发展对塔式起重机的需求量越来越大，同时塔机也f 1 益向大型 化、高速化、自动化的方向发展。塔机是种蕴藏危险因素较多，事故发生概率较大 的特种设备，国内外每年都发生因塔机作业造成的设备损坏甚至塔倒人亡事故。任何 起重机械都有其最大安全载荷限度，超过限度，轻则对设备部件造成损坏，重则发生 机毁人亡的恶性事故，因此必须控制其在安全限度内工作，增加安全保护装置，如： 塔机起重力矩限制器，起重力限制器，小车变幅限位器，回转限位器等。无论何种保 护装置都必须遵守g b 5 1 4 4 9 4 塔式起重机安全规程的规定。载荷、力矩限制器的 研制大约始于5 0 年代后期，主要经历了机械式、电子模拟式、数字式及微机控制j = 5 = ， 我【习从7 0 年代末8 0 年代初开始研制起熏机载荷和力簪限制器，相继推出了一些产品。 然而随着微电子技术、计算机技术、智能仪表技术及传感器技术的迅速发展，现 今塔机用户己越柬越不满足于起重机仅仅拥有载荷、力矩限制功能，他们希望获得更 多关于起重机状态的准确信息，包括起升高度、风速、工作幅度甚至钢丝绳状况、振 动情况等信息；并希望超重机具有较强的自动控制功能及自诊断能力和智能化程度， 以降低操作和维护的劳动负担，并保证塔机的安全。塔机设备制造厂商及其它研究单 位也顺应用户的需求开始开发数字式以微型计算机为核心的塔机安全监控系统。从总 体上看，起重机自动化系统主要可分为运行控制系统和安全监控系统。运行控制系统 主要控制起重机的起降、变幅、回转和行走等功能，控制核心一般采用p l c ( 可编程 序逻辑控制器) ；安全监控系统一般基于力矩限制和载荷| ；a f , l 功能，并提供塔机运行 的其它工作状况和环境。 另外，随着控制理论的发展，智能化的仪表越来越受到人们的重视。智能化仪表 能降低操作的复杂程度，改善人机界面，很大程度减少人为失误以及误差。塔式起重 机安仝监控系统的智能化改进，具有一定的实际意义。 1 2 塔式起重机安全监控系统的国际国内研究现状 起莺机的更新利发展“1 ，很大程度k a 决于电气传动与控制的改进。将自动化技 术和机械传动技术相结合，将先进的微电子技术、电山电子技术、光缆通讯技术、渡 压技术、模糊控制技术应用到机械的驱动和控制系统，实现自动化干u 半自动化。使起 压技术、模糊控制技术应用到机械的驱动和控制系统，实现自动化干u 半自动化。使起 西安建筑科技大学硕：上学位论文 重机组成的物料搬运系统具有更高的柔性，以适应未来多批次少批量的柔性，! = e 产模 式。塔式起重机安全监控系统主要是以起重力矩和超重量作为监测的核心，早期的产 品一般也仅仅具有力矩限制和起重量限制的功能，郎起重力矩限制器和起重量限制 器。而当前很多国内国际的产品具有更大容量的信息集成度，或称为塔机安全监控系 统，监测范围从过去的起重力矩、起重量到塔机运行的位置、速度、加速度，甚至还 包括风速、温度等信息，因此是全方面多方位的信息集成安全监控。 1 2 1 国际研究概况 国际上塔机起重机制造行业主要有l i e b h e r r 、p o t a i n 、w o l f f 、k o n t g 、p e k a z e t t 等几十家制造商，其产品占据国际起重机市场的大部分份额，也代表着塔杌生产的最 先进技术。他们大都根据自己的起重机产品研制有配套的安全监控装置。这些制造商 的产品，基本上反映了国外安全监控装置的发展历程、现状和趋势。 大型高效起重机的新一代电气控制装置已发展为全电子数字化控制系统。主要由 全数字化控制驱动装置、可编程序控制器p l c 、故障诊断及数据管理系统、数字化操 纵给定检测等设备组成。它赋于起重机以信息功能，可进行信息传递、处理及动力控 制，大大提高了综合自动化水平。目前控制方面重点发展昂具防偏防摇技术，取物装 置自动取、卸物技术，位置检测及自动位置控制技术，故障自诊断监控技术等。 电气传动方面重点开发以微处理机为核心的高性能电气传动装置，使起重机具有 优良的调速和静动特性，可进行操作的自动控制、自动显示与记录，起重机运行的自 动保护与自动检测，复杂条件下的远距离遥控等，以适应自动化生产的需要。 德国的l i e b h e r r 起重机“”，采用激光装置查找起吊物的重心位置，依靠超声波 传感器引导取物装置抓取货物。大车和小车运行采用编码轨系统测定路径，起升高度 采用恒定张紧的测量索和角度发生器测定。起重机采用磁场变换器或激光达到高精度 定位。其t t 系列下回转侠装塔机，采用遥控装置立塔。司机室和操作系统的设计遵 循人机工程学，追求人的舒适性，使操作者无单调感、疲劳感：综合液晶数字显示装 置和电子监控系统，不仅可以显示塔机工作过程各种参数的数字量，还可显示各参数 变化的图形，使操作者准确判断塔机的工作状态、及时掌握塔机的工作区域限制情况 ( 例如与高压线、与周围障碍物的距离) 。起升机构有多速起升机构和变频无级调速起 升机构两种形式，通常由带涡流制动器的绕线电机( 或专用变频电机) 、联轴节、电磁 离合器、液压制动器、行星减速机、利巴斯( l e b u s ) 绳槽卷筒组成。其电磁离合器部 分与国内现有的电磁离合器不同，引用了汽车传动系统中驾驶员操纵离合器的相应原 理，因而在电控系统、涡流和电磁离合器的联合作用下实现了速度的平稳过渡，采用 l i e b h e r r 专利技术l i t r o n i c ，操作者只需按一个按钮，就可以在相同工作状态下以 较低的起升速度提升1 1 0 一1 2 0 的额定载荷。 英国的起重机上安装了近场感应系统，可避免起重机之问的互相碰撞。采用无线 遥控时载重称量也能在远控发射机上显示。起重机上还装有微机自诊断监控系统，该 西安建筑科技大学硕上学位论文 系统能提供大部分常规维护检查内容，如钢丝绳状况，减速器油温油位，车轮轴承温 度，起重机载荷、应力和振动情况，制动器摩擦衬片的寿命及温度状况等。 德国近年为解决起重机吊具的防摇控制，开发了模糊逻辑电路的控制技术。用神 经信息技术和模糊技术来寻找开始加速的最佳时刻，将有经验司机防摇实际操作的数 据输入系统，实现最优控制。模糊控制方式能确定实施自动工作的控制指令，将人们 主观上的模糊量通过模糊集合进行数字化定量，再利用微处理机实现像熟练司机一样 的自如操作，取得了更高的效率和安全性。 1 2 2 国内研究概况 国内的安全监控产品开发起步较晚，从8 0 年代初，有关行业、大专院校、研究 院所等单位对超载保护装置进行了研究、设计、生产，不过，发展至今也已渐成规模。 尤其是电子器件的发展，使目前国内电气型超载保护装置的产品技术水平上了一个新 的台阶，但其主要性能与国外同类产品相比，仍有较大的差距。目前，国内比较有影 响的有以下一些产品： 长沙浦沅电子安全信息技术开发有限公司的a c s 系列起重力矩限制器。采用汉显 技术，其所有的操作均可用汉字菜单显示，使用操作性强；采用大型液晶图形点阵显 示，能直观清晰地显示出起重机工作图形及工况参数；具有独特的自诊断功能，直接 用汉字提示出故障现象和处理办法等；具有“黑匣子”功能，可自动记录起重机在作 业过程中危险工况，为事故分析处理提供可靠依据。 中国航天工业总公司三十一所北京三发高科技实业总公司的l x 系列力矩限制器。 具有超载、过卷等保护功能，同时具有声光报警及限制起重机向危险方向动作等功能， 数字显示，操作较简单。 此外还有大连工程机械研究所的a l l u 一1 型力矩限制器，采用p h i l l i p s 公司的高 性能八位单片机8 0 c 5 5 2 作为主机，该单片机与i n t e l 公司的m c s 一5 1 系列单片机完 全兼容，但功能更强，带有八路十位a o 转换器，w d t 监视定时器，并具有六个八位 i o 口；采用通用可编程单片机外围接口p s d 3 1 1 ，提高了系统集成度；设置了自检程 序帮助操作员及时发现故障；自检对象包括存储器、各检测信号通道、显示器及报警 指示灯等。 据用户反映，国内产品的最主要问题是可靠性问题，在解决可靠性前提下还需提 高整机性能及完善系统功能。 1 3 起重机安全监控系统的发展趋势 1 3 1 整体系统 高度集成的信息化系统：随着计算机技术、自动控制技术、传感器技术的进一步 发展，出于提高塔机工作效率和保证施工安全的要求，塔机安全监控系统将具有更高 的信息采集和数据处理能力，以大大降低作业者的劳动强度，保障人身、设各安全。 一体化塔机监测控制系统：特别对于大型塔机系统，由于其设备昂贵、结构复杂，对 3 西安建筑科技大学硕士学位论文 于监测控制系统要求更高，一体化的塔机监测控制系统更是其发展方向，所谓的一体 化塔机监测控制系统集成了运行控制系统、安全监控系统和自诊断监控系统的功能， 统一控制塔机设备和监视塔机运行状态，其基本结构将是一种集中分布式结构，即以 高性能的计算机系统做中央控制单元，履行状态、故障信息的集中显示与存储并监视 各个智能监测控制单元的工作，大量的智能监测控制单元则监控塔机的某一部分，并 将获得的某些重要信息通过总线技术传送到中央控制单元，这些智能控制单元可以由 单片机、d s p 处理器、p l c 等为主组成，这种总体解决方案能够降低系统的设计成本 并提高系统性能。 1 3 2 软件的智能化 优良的人机交互环境：人机界面将追求更加简单的操作，更大信息量的显示，更 美观漂亮的界面，很多系统将具有塔机工作过程动态图形模拟显示功能，显示器将根 据系统性能的要求和工作环境的情况，使用l e d 数码管显示器、字符式液晶显示器、 点阵图形式液晶显示器、或c r t 显示器。点阵图形式液晶显示器和c r t 显示器能显示 大量的信息，并能显示汉字，另一方面系统将具有更好的语音提示功能。 系统参数配置和在线标定功能：系统参数配置是指安全监控系统的软件将具备一 定的柔性，通过简单的参数配置可使同一软件系统应用于不同的塔机。在线标定功能 实际上是利用存储设备存储传感器的零点位置和满偏倍率，传感器的调整将因此变得 相当简单。 自诊断能力和纪录功能：系统应具有一定的自诊断能力( 这里的自诊断是针对于 安全监控系统) ，能够诊断其自身的一些故障( 如存储器、电源、传感器、显示器故障) ， 并提供处理方案；纪录功能是指定时纪录塔机的工作状况和超载情况，以便随时进行 数据分析，在发生事故后查找事故原因。 减少误差提高精度：由于塔机结构的限制，对塔机高度及重量的测量实际上只能 采取间接测量的方法，而在起升过程中由于摩擦力，动载荷，环境，结构变形等因素 的影响会造成测量结果失真，故须对测量结果进行软件补偿，以提高系统精度，这主 要依赖于准确的数学模型的建立。 1 3 3 硬件 采用先进的电源技术( 如开关电源技术) ，对输入输出电源隔离，稳定输出电源， 防止电网电压波动对系统造成危害。提高系统抗干扰能力，提高系统可靠性；对输入 输出信号进行光电隔离，防止外界强电信号窜入系统毁坏系统重要元器件，对传感器 输出信号通过使用隔离放大器和仪表放大器隔离和抑制干扰信号；防雷电处理，采用 号用芯片保护系统重要元器件免受雷电引起的强脉冲损害：对远距离传送的信号采取 v f ，v i 变换等措施，提高其抗干扰能力减小信号失真。 1 i4 课题的设计要求和主要研究工作 1 4 1 基本设计要求 西安建筑科技大学硕士学位论文 该安全监控系统将借鉴目前国际、国内塔机安全监控系统制造商产品的设计特 点、技术经验及其设计思想，采用先进的可编程控制器进行设计开发，并可用上位计 算机对可编程控制器进行监控。 在单台不接上位机的情况下，能够完成传统的电器控制，实时对起重力矩、起重 力、小车幅度、回转角度、起升高度等状态参数进行监控，并且显示系统可随时显示 状态参数，有预报警、超限报警和超限控制功能。 在连接上位机时，上位机能够显示、记录下位机显示信息，并且还能够显示p l c 的i o 状态、内部寄存器状态以及各扩展模块故障信息等；为了方便塔机的维修、检 测，能够对塔机的任意i o 口进行控制，能够实现线控功能；能够从上位机软件设定 塔机的工作范围，如回转角度、变幅幅度等；通过总线能够对多台塔机进行监控。 除了传统的功能，本系统在吊具自动跟踪模糊控制方面做出了探索性研究，为减 少吊具摇摆，提高塔机运行的效率和安全性奠定了基础。 1 4 2 课题主要研究工作 课题要完成的工作： 1 系统总体监控方案的论证、设计； 2 测量中的非线性问题研究； 3 塔机吊具自动跟踪系统模糊控制策略研究； 4 p l c 监控电路程序设计； 5 通讯接口设计、上位机监控软件设计及应用。 1 4 3 论文主要创新点 1 建立了超重量限制器与其拉杆和摆杆转角之间的非线性方程，在此基础上提出 线性测量条件和非线性测量估计方法； 2 提出基于函数连接型神经网络的塔机力矩在线测量方法； 3 设计了基于p l c 的塔式起重机多源信息监控系统。 西安建筑科技大学硕士学位论文 第二章系统总体方案设计 该安全监控系统将借鉴目前国际、国内塔机安全监控系统制造商产品的设计特 点、技术经验及其设计思想，根据实际项目的要求，采用p l c 控制器技术进行设计开 发。 2 1 塔式起重机的介绍 塔式起重机( 以下简称塔机，如图2 1 ) 是各种工程机械广泛应用的重要起重设 各。它对减轻劳动强度，节省人力，降低建设成本，提高施工质量，实现工程施工机 械化起着重要作用。塔机的结构待点是有一直立的塔身，起重臂连接在垂直塔身的上 部，故塔式起重机起升高度和工作幅度都很大。因而在房屋、电站、水坝建设以及料 场、混凝土预制结构件厂等场所得到广泛应用。 图2 1 塔机示意图 2 1 1 塔机结构及安全保护装置邮1 为使塔机能进行正常作业，必须有个工作机构以实现塔机不同运动的要求。塔 机一般设有起升机构、变幅机构、回转机构和行走机构，塔机结构如图2 1 所示。起 升机构实现重物的垂直上下运动；变幅机构和回转机构实现重物在两个水平方向的移 6 西安建筑科技大学硕士学位论文 动；行走机构实现重物在塔机所能及的范围内任意空间运动和使塔机转移工作场所。 起升机构是由原动机、卷筒、钢丝绳、滚轮组和吊钩组成。原动机的旋转运动， 通过卷筒一一钢丝绳一滚轮组机构变为吊钩的垂直上下直线运动。为防止起升卷筒 过卷而拉断钢丝绳，塔机设有起升高度限位器。高度限位器和卷筒轴相联，通过计算 吊钩最大高度和最小高度时卷筒卷绕的圈数，调整高度限位器凸轮机构。当卷筒缠绕 钢丝绳的圈数到达定数值时，凸轮机构触动开关，使吊钩位于极限位置时起升机构 停止运行。 塔机变幅机构是改变吊钩中心与塔机回转中心轴线之间的距离。它由电动机、蜗 轮蜗杆减速机、变幅小车、钢丝绳、卷筒、导向轮和张紧轮等元件组成。其工作原理 与起升机构基本相似，所不同的是钢丝绳两端分别通过臂架根滑轮和臂架前滑轮连接 到小车。变幅时，一端收缩钢丝绳，拉动小车，另一端放出钢丝绳。变幅机构设了行 程限位器。工作原理是：小车变幅时，卷筒旋转，通过齿轮传递，带动凸轮转动。当 小车运行到一定位置时，凸轮也转过一定的角度，如果小车运动到最大行程时，此刻 凸轮转到某角度，触动开关，使变幅机构停止运行。 回转机构主要包括电动机、液力偶合器、行星齿轮减速机和回转齿圈等元件。回 转机构设有回转限位器，它通过一小齿轮和齿圈啮合，调整限位器凸轮角度，使塔身 正向回转一圈半( + 5 4 0 0 ) 和反向回转一圈半( 一5 4 0 0 ) 时开关动作，切断回转电机电源， 防止电缆过度受扭。 为保证塔机的安全运行，起升机构和变幅机构同时还设有起升速度限制器和变幅 速度限制器。他们的工作原理相似：机构选用两速或三速电机，通过接触器的不同接 线方法，实现高、中、低速度的选择。机构工作时，卷筒轴转动，通过齿轮传递，带 动凸轮机构旋转，当机构运行到一定位置时，凸轮触动开关，进而控制接触器的通电 或断开，实现了速度限制。 为避免塔机超载作业引起倒机事件，塔机还设有两个重要的安全保护装置：起重 量限制器和起重力矩限制器。 起重量限制器是控制塔机的超载极限载荷。其工作原理是：在塔顶安装一弓形板， 一端与塔顶铰接，另一端铰接一个滑轮，起升钢丝绳穿过滑轮。当起升重物时，钢丝 绳受拉，拉力通过滑轮作用于弓形板，弓形板受拉变形。当起重量过大时，相应弓形 板产生足够大的变形量，从而触动开关，完成报警、断电或低速下降等紧急处理。 起重力矩是确定和衡量塔机起重能力的主要参数。当塔机作业时，力矩限制器能 根据塔机的特性曲线把起重力矩限在规定的范围内，使塔机不会倾覆，吊臂不会折断， 机械部件不会损坏。其工原理是：在悬杆上焊接一块弓形板，起吊重物，当钢丝绳受 拉，拉力作用于悬杆，产生力矩，使弓形板受力变形。当起重力矩达到极限载荷时， 弓形板的变形量足够大，触动开关，完成超载的紧急处理。 2 1 2 传统保护装置存在的问题 7 西安建筑科技大学硕士学位论文 上述位移限制器，速度限制器，起重量限制器及起重力矩限制器等都属机械结构 式保护装置，存在着以下缺点：保护装置仅在到达极限状态时才突然产生作用，而在 接近极限状态时却仍处于空闲状态。( 2 ) 安全保护装置无法完成塔机1 作过程中有关 参数的显示。( 3 ) 保护装置无自检功能，一旦损坏不能被及时发现，存在安全隐患问 题。然而，在现代建筑施工现场，为降低成本，加快施工进度，经常要求塔机处于饱 和工作状态，以充分使用塔机的作业能力。但司机不能及时了解塔机工作状况无法 判断当前塔机是否已接近极限状态。而一旦到达极限状态，安全保护装置起作用，塔 机就断电停机，这样就大大降低了塔机的工作效率。甚至万一保护装置损坏而又没能 得到及时的维修，则会造成机毁人亡的重大事故。 针对上述存在的问题，在分析塔机结构、工况和安全性能要求的基础上开发研制 塔机监控系统。本论文以塔机的起重量，起重力矩和工作幅度几个关键工作参数为代 表进行研究，使塔机工作状况得到全面的监控。 2 2 系统方案的选择 基于所采用的中央处理器的不同，有两种比较合适的系统总体解决方案，一种是 以8 位或1 6 位高性能的单片机为监控核心，另一种是以可编程控制器( p l c ) 为核心， 下面将分别讨论他们的优缺点，以确定方案选取。 2 2 1 方案一、单片机解决方案” 系统以高性能的八位或十六位单片机为监控核心，通过数码管显示或通过l c d 液晶显示器向操作者提供文本、图形状态提示，另外还需解决a d 转换，继电器输出 控制及操作键盘等功能模块，数据存储、打印等功能，是一个完整的、规模较大的单 片机系统。 该方案的主要优点有：单片机技术日臻成熟，单片机系统体积小，便携性能好， 功耗低，在芯片上集成了更多的功能，如先进的模拟数字接口、数字处理功能以及 灵巧电源功能等。而且，随着最新的亚微米c m o s 工艺技术用于单片机，单片机的运 算速度有了很大的提高。 该方案的最大缺点是系统的可扩展性较差。对开发者要求相当高，开发周期长， 成本高，对于一些大型一点的系统需要做实验，印刷电路板就需要笔相当的费用。 即便使用仿真器，用实验板来开发，但是那样做只是验证了硬件与软件的可行性，并 不代表可以用在工业控制系统，因为工业控制系统对抗干扰的要求非常高，稳定第一， 而不是性能第一，并且塔机属于特征设备，每年都要发生机毁人亡的事故，国家规范 对塔机也有着严格的规定，所以电路板设计必须不断实验和改进，还需要解决一些主 要难题，如：汉字图形系统的开发，包括汉字字库的提取与制作等。 2 2 2 方案二、可编程控制器( p l c ) 解决方案”“ 可编程控制器是一种具有极高可靠性的通用工业自动化控制装置。它以微处理器 为核心，有机地将微型计算机技术、自动化控制技术及通讯技术融为一体。它具有能 西安建筑科技大学硕士学位论文 力强、可靠性高、配置灵活、编程简单、使用方便、易于扩展等优点，是当今及今后 工、| k 控制的重要手段和重要的自动化控制设备。可以说，到目前为止，无论从可靠性 上，还是从应用领域的广度和深度上，还没有一种控制设备能够与p l c 相媲美。 本系统以s i e m e n s 公司的s i m a t i c s 7 2 0 0 为监控系统的核心并完成传统开关量 控制、模拟量计算等功能。通过a d 转换器将传感器模拟量信息转换为数字量输入给 p l c ，另外用t d 一2 0 0 文本显示器向操作者提供模拟量监测数据，通过上位计算机完 成i o 口、模拟量和中间变量状态显示，报警事件记录，打印和线控等功能。其在不 连接上位机时，p l c 系统也能够独立完成所有监控工作。 优点：利用p l c 标准的体系结构，通过功能强大的s t e p7 - m i c r o w i n3 2 应用软 件开发环境，可以大大降低系统的开发时间，提高效率，即使是开发图形汉字系统和 触摸屏系统，对于p l c 系统可以说是随手拈来，只要选购s i m a t i c 的t p 0 7 0 彩色触摸 屏经过简单的开发即可，这令单片机+ 点阵图形显示器系统望尘莫及；另一方面由于 p l c 结构标准，应用广泛，其自身就具有很高的可靠性，而单片机系统的可靠性保障 则完全依赖于系统设计者，这不但加重了设计者的负担，而且所设计出来的系统的可 靠性如何，也令人存有疑问，其对设计者的能力及知识都要求很高。 对于上位机可开发出漂亮美观的图形人机界面，这里系统对于实时性的要求不是 很高，我们可以利用目前流行的商用操作系统w i n d o w s 系统做开发，w i n d o w s 系统是 一个美观漂亮的图形化系统，而且有丰富的软件开发工具，在它的基础上开发一套汉 字化的图形系统是很容易的，而且更可以开发出效果逼真的塔机工作过程全真动画模 拟。 “p l c + 上位机”系统一方面为我们带来了性能优异的监控系统，另一方面更有 丰富的资源储备和极强的系统扩展能力，例如如果想要查询该台塔机的工作状况和历 史信息纪录，接上打印机打印出来或从软盘拷出回然是很好很轻松的方法，但利用现 在蓬勃发展的网络信息技术，将工地的大型作业设备的工控机连成局域网，在中央监 视大厅，就可以直接察看了，如果将其接入国际互联网，那在世界各地都可以察看了。 再如对于塔机群的控制系统，可在“上位机+ 单台p l c ”的基础上进行网络扩展，用 一台上位机监控多台p l c 实现塔机群控。 缺点：此方案的主要缺点为不同品牌的p l c 不能通用，如选择了s i e m e n s 的 s 7 2 0 0 ，其所有的扩展模块都必须用s i e m e n s 的。不同品牌的p l c 通讯协议也不同， 因此监控多台p l c 时最好也选用同类型的p l c 。 经过以上分析，本系统采用“p l c + 上位机”的整体设计方案，其中p l c 为整个 系统控制的核心，能够完成塔机所要求的一般监控功能；上位机作为系统功能的扩展 和加强，主要在数据记录、生产管理、机群联网、安全保护等方面提高塔机监控系统 的整体性能。 2 2 3 传统继电器控制与p l c 控制的比较“。 9 西安建筑科技大学硕士学位论文 在可编程控制器出现以前，继电器硬件接线电路是逻辑控制、顺序控制的唯一执 行者，它结构简单、价格低廉，一直被广泛应用。但它与p l c 相比有许多缺点，见表 2 1 。 表2 1p l c 与继电器逻辑控制系统的比较 比较项目继电器可编程控制器 接线逻辑，体积大，接线复杂，修改困存储逻辑，体积小，接线少，控制灵活， 控制逻辑 难易于扩展 通过触点的开闭实现控制作用，动作速由半导体电路实现控制作用，每条指令执 控制速度 度为几十毫秒，易出现触点抖动行时间在微秒级，不会出现抖动现象 由时间继电器实现，精度差，易受环境、用半导体集成电路实现，精度高，时间设 时间控制 温度影响置方便，不受环境、温度影响 触点数量4 8 对，易磨损任意多个永不磨损 工作方式 并行工作 串行循环扫描 设计与施设计、施工、调试必颁顺序进行，周期在系统设计后，现场施工与程序设计可同 长，修改困难时进行，周期短，调试、修改方便 可靠性与寿命长，可靠性高，有自诊断功能，易于 寿命短，可靠性与可维护性差 可维护性维护 模拟量输入输出功能、网络及通信功能、 特有功能无 闭环控制、多级分布式和集散控制 2 2 4 可编程控制器与其它工业控制器的比较 自从微型计算机诞生以后，工程技术人员就直努力将微型计算机技术应用到工 业控制领域，这样，在工业控制领域就产生了几种有代表性的工业控制器，这就是可 编程控审4 器( p l c ) 、p i d 控制器( 又称p i d 调节器) 、集散控制系统( d c s ) 、工业控制计 算机( 工业p c ) 。由于p i d 控制器一般只适用于过程控制中的模拟量控制，并且，目 前的p l c 或d c s 中均具有p i d 的功能，所以，需要对可编程控制器与通用的微型计算 机、与集散控制系统、与工业控制计算机分别做一下比较。 1 可编程控制器与通用的微型计算机的比较 采用微电子技术制作的作为工业控制器的可编程控制器，它也是由c p u ，r a m ，r o m ， i o 接口等构成的，与微机有相似的构造，但又不同于一般的微机，特别是它采用了 特殊的抗干扰技术，有着很强的接口能力，使它更能适用于工业控制。p l c 与微机各 自的特点见表2 2 。 2 可编程控制器与集散控制系统的比较 可编程控制器与集散控制系统都是用于工业现场的自动控制设备，都是以微型计 算机为基础的，都可以完成工业生产中大量的控制任务。但是，它们之问又有一些刁i 1 0 西安建筑科技大学硕士学位论文 同。 表2 2p l c 与微型计算机的比较 比较项目可编程控制器微型计算机 应用范围工业控制科学计算、数据处理、通信等 使用环境工业现场具有一定温度、湿度的机房 控制强电设备，有光电隔离，有与主机微电联系，没有光电隔离，没有专用的 输入输出 大量的i 0 口i 0 口 一般为梯形图语言，易于学习和程序语言丰富，汇编、f o r t r a n ，b a s i c ，c 等， 程序设计 掌握语句复杂，需专门计算机的硬件和软件知识 系统功能自诊断、监控等配有较强的操作系统 工作方式循环扫描方式及中断方式 中断方式 可靠性极高，抗干扰能力强，长期运行 抗干扰能力差，不能长期运行 结构紧凑，体积小。外壳坚固， 结构松散，体积大，密封性差。键盘大，显示 体积与结构 密封器大 ( 1 ) 发展基础不同 可编程控制器是由继电器逻辑控制系统发展而来，所以它在开关量处理，顺序控 制方面具有自己的绝对优势，发展初期主要侧重于顺序逻辑控制方面。集散控制系统 是由仪表过程控制系统发展而来，所以它在模拟量处理、回路调节方面具有一定的优 势，发展初期主要侧重于回路调节功能。 ( 2 ) 扩展方向不同 随着微型计算机的发展，可编程控制器在初期逻辑运算功能的基础上，增加了数 值运算及闭环调节功能。运算速度不断提高，控制规模越来越大，并开始与网络或上 位机相连，构成了以p l c 为核心部件的分布式控制系统。集散控制系统自2 0 世纪7 0 年代问世后，也逐渐地把顺序控制装置，数据采集装置，回路控制仪表，过程监控装 置有机地结合在一起，构成了能满足各种不同控制要求的集散控制系统。 ( 3 ) 由小型计算机构成的中小型d c s 将被p l c 构成的d c s 所替代 p l c 与d c s 从各自的基础出发，在发展过程中互相渗透，互为补偿，两者的功能 越来越近，颇有殊路同归之感。目前，很多工业生产过程既可以用p l c 实现控制，也 可以用d c s 实现控制。但是，由于p l c 是专为工业环境下应用而设计的，其可靠性要 比一般的小型计算机高得多，所以，以p l c 为控制器的d c s 必将逐步占领以小型计算 机为控制器的中小型d c s 市场。 3 可编程控制器与工业控制计算机的比较 可编程控制器与工业控制计算机( 简称工业p c 机) 都是用来进行工业控制，但是 西安建筑科技大学硕士学位论文 工业p c 机与p l c 相比，仍有一些不同。 ( 1 ) 硬