（机械电子工程专业论文）基于can总线的塔机安全监控系统设计与研究.pdf

硕士学位论文 摘要 作为施工现场不可或缺的关键设备 塔式起重机的使用范围日益广泛 但近年来 一系列因超载 超限引发的塔机倾倒事故造成了严重的人员伤亡和财产损失 这也引 起了公众对这项高风险作业的强烈关注 如何有效抑制事故的发生以减少危害成了亟 待解决的问题 而如何实现塔机状态的实时监测以保障其安全运行也变得愈加重要 目前 传统的机械式安全限制器只能提供被动的保护功能 不能真正实现塔机的状态 监控 而多数在用的电子式监控系统均采用单主机集中控制方式 通讯效率低 可靠 性差 已不能满足应用需求 为了解决这些问题 本文基于c a n 总线的分布式结构 通过构建塔机工作参数 传感网络 对塔机工作状态的实时监测和安全控制展开研究 以实现一种结构更简洁 功能更强 更易维护 更可靠的监控系统 本文的主要研究工作如下 1 讨论了塔机的结构和工作原理 明确了系统需要进行监测的参数以及需要提 供的保护 提出了系统所需实现的功能要求 2 介绍了c a n 总线的特点和分层结构 叙述了c a n 通信的相关概念 详细阐 述了c a n 报文结构和传输过程 重点讨论了c a n 报文滤波和仲裁机制 归纳总结 了c a n 总线的通信原理 明确了构建c a n 总线系统的关键问题和技术难点 3 提出了系统的总体设计方案 该方案将系统功能均匀地分配给各节点 使系 统更灵活 完成了系统中各节点的硬件设计 包括起重量 幅度 高度 角度检测节 点的传感器设计和后续检测电路的设计 人机接口节点中显示 存储和按键等电路的 设计 控制节点中继电器电路的设计 4 分析了d e v i c e n e t c a n o p e n 等较成熟的c a n 工业应用协议 根据塔机监 控的实际情况 提出了适用于起重机械安全监控的c a n 应用层协议 包括信息标识 符的分配 信息帧格式的确定 数据交换方式的选择以及报文滤波机制的设定 5 设计了c a n 节点软件模型 参照系统的总体设计方案以及c a n 应用层协 议 完成了各节点的软件设计 主要包括c a n 基本通讯软件中报文解析 报文组装 等程序设计 各检测节点中数据采集 数据处理等程序设计 人机接口节点中显示 存储和按键等程序设计以及控制节点软件设计 帅8 8咖2姗3咖s 2 2 iii u i 摘要 6 开发完成了监控系统的样机 并得n t 工程现场应用 经过现场实验论证 该系统具有较高的精度和可靠性 它不仅可以实时显示塔机工作状态 还具有预警 超限制动等保护功能 同时还能记录塔机的工作全过程 为日后塔机寿命评估 日常 维护和事故判定提供有力的数据支持 关键词 塔机超载安全监控c a n 总线报警制动 硕士学位论文 a b s t r a c t a sav i t a le l e m e n ti nt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s s t o w e rc r a n e sh a v e b e e nu s e dm o r ea n d m o r ew i d e l y y e ti nr e c e n ty e a r san u m b e ro ft o w e rc r a n ec o l l a p s ea c c i d e n t s r e s u l t e df r o m o v e r l o a d i n ga n do v e r r u n n i n g c a u s e ds e r o u sl o s so fl i f ea n dp r o p e r t ya n dh a v ec a l l e df o r i n t e n s ea t t e n t i o nt ot h i si n h e r e n t l yh i 曲 r i s ka c t i v i t y h o wt or e d u c et h e s eh a z a r d sh a s b e c o m ea ni m m e d i a t ep r o b l e mt h a tr e q u i r e su r g e n ta c t i o n s c r a n es t a t u sm o n i t o r i n gf o r s a f ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o n si sm u c hm o r ei m p o r t a n tt h a na n y t i m ee v e rb e f o r e h o w e v e r c o n v e n t i o n a lm e c h a n i c a ll i m i t e r sp r o v i d eo n l yap a s s i v ep r o t e c t i o nw h i l ea c h i e v i n gn o t h i n g a b o u tc r a n es t a t u sw a t c h i n g a n dt h em a j o r i t yo fe l e c t r o n i cc r a n em o n i t o r si nu s ea r ep o o r a tt r a n s m i s s i o n e f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t y d u et ot h e i rc e n t r a l i z e da r c h i t e c t u r ea n d m a s t e r s l a v ec o n f i g u r a t i o n t op r a c t i c a l l yo v e r c o m et h e s ep r o b l e m s b a s e do nc a n b u sd i s t r i b u t e ds t r u c t u r e b y c o n s t i t u t i n gas e n s o rn e t w o r kf o rd e t e c t i n gc r a n ep a r a m e t e r s t h i s t h e s i ss t u d i e dt h e r e a l t i m es u p e r v i s i o na n ds a f e t yc o n t r o lo fc r a n ew o r k i n gs t a t u s a i m i n gt oi m p l e m e n ta c r a n e m o n i t o r i n gs y s t e m w i t ha s i m p l e ra r c h i t e c t u r e r i c h e rp e r f o r m a n c e e a s i e r m a i n t e n a n c ea n db e t t e rr e l i a b i l i t y t h em a i nc o n t e n t sa n dc o n t r i b u t i o n so ft h i ss t u d ya r ea s f o l l o w s 1 t h es t a t e o f t h e a r to fc r a n em o n i t o r i n gp r o d u c t sw a si n t r o d u c e d t h es t r u c t u r e a n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft o w e rc r a n e sw e r ed i s c u s s e d t h ep a r a m e t e r st h a tn e e dt ob e d e t e c t e da n dt h ep r o t e c t i o n st h a tn e e dt ob ep r o v i d e dw e r ef i x e d t h es y s t e mr e q u i r e m e n t s t h a tn e e dt ob ef u l f i l l e dw e r ep r e s e n t e d 2 t h ef e a t u r e sa n dl a y e r e ds t r u c t u r eo fc a n b u sw e r ei n t r o d u c e da n dt h er e l e v a n t n o t i o n sw e r ed e p i c t e d t h ef r a m ef o r m a ta n dt r a n s m i s s i o np r o c e s sw e r ea d d r e s s e di nd e t a i l t h e m e s s a g e f i l t e r i n g a n db i t w i s ea r b i t r a t i o nm e c h a n i s mw a s d i s c u s s e d t h e c o m m u n i c a t i o nt h e o r yw a ss u m m a r i z e d t h ek e yt e c h n o l o g ya n dd i f f i c u l t yo fb u i l d i n ga c a n b a s e ds y s t e mw a sm a d ec l e a r 3 t h eg e n e r a ls y s t e ms o l u t i o n sw e r ep r e s e n t e d w h i c hi m p r o v e ds y s t e mf l e x i b i l i t y b ye v e n i n go u tt h ed i s t r i b u t i o no ft a s k sa m o n gt h en e t w o r k o nt h ec o n s i d e r a t i o n o fb e t t e r r e l i a b i l i t y h a r d w a r ed e s i g n so fe a c hn o d ei nt h es y s t e mw e r ep e r f o r m e d i n c l u d i n gl o a d r a d i u s h e i g h t a n g l es e n s o r sa n dt h e i rc o r r e s p o n d i n gd e t e c t i o nc i r c u i t s d i s p l a y s t o r a g e a n dk e yc i r c u i t so fh m in o d ea n dr e l a yc i r c u i t so fc o n t r o ln o d e i i i a b s t r a c t 4 c a ni n d u s t r i a lh i g h e r l a y e rp r o t o c o l ss u c ha sd e v i c e n e ta n dc a n o p e nw e r e a n a l y z e d o nt h eb a s i so fc r a n em o n i t o r i n gs i t u a t i o n s an e wc a na p p l i c a t i o np r o t o c o lf o r c r a n em o n i t o r i n gw a sw o r k e do u t i n c l u d i n gt h ei d e n t i f i e ra l l o c a t i o n f r a m ef o r m a t i o n d a t a c o m m u n i c a t i o nm e t h o da n dm e s s a g e f i l t e rm e c h a n i s m 5 a c c o r d i n gt ot h es y s t e mh a r d w a r e an e ws o f t w a r em o d u l ef o rc a n n o d e sw a sp u t f o r w a r d r e f e r r i n gt ot h ep r o p o s e dg e n e r a ls o l u t i o n sa n da p p l i c a t i o np r o t o c o l s o w a r e d e s i g n so fe a c hn o d ei nt h es y s t e mw e r ec o m p l e t e d i n c l u d i n gm e s s a g ea n a l y z i n ga n d p a c k a g i n gp r o c e d u r e so fc a nc o m m u n i c a t i o ns o f t w a r e d a t aa c q u i r i n ga n dp r o c e s s i n g p r o c e d u r e so fe a c hd e t e c t i o nn o d e d i s p l a y s t o r a g ea n dk e y h a n d l i n gp r o c e d u r e so fh m i s o f t w a r ea n dr e l a yc o n t r o ls o f t w a r e 6 t h ep r o t o t y p eo ft h ep r o p o s e dm o n i t o r i n gs y s t e mw a sc o m p l e t e da n dt e s t e di n c o n s t r u c t i o ns i t e s an u m b e ro ff i e l de x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e dt oe v a l u a t et h es y s t e m p e r f o r m a n c e t h er e s u l t sw e r es a t i s f a c t o r ya n de x p e r i m e n t a l l yp r o v e d i t sh i g ha c c u r a c ya n d r e l i a b i l i t y t h ed e s i g n e ds y s t e mn o to n l yg i v e sav i s u a lr e p r e s e n t a t i o no fc r a n es t a t u s b u t p r o v i d e sam o r er e l i a b l ep r o t e c t i o nb ye a r l y a l a r m i n ga n db r a k i n g b e s i d e s i ti sa b l et o s t o r et h ec o m p l e t ew o r kr e c o r d so fc r a n e s a n dt h u so f f e r sac r e d i b l e d a t as u p p o r tf o r r e m a i n i n gl i f ee v a l u a t i o n f u r t h e rm a i n t e n a n c ea n da c c i d e n ta n a l y s i s k e y w o r d s t o w e rc r a n e o v e r l o a d i n g s a f e t ym o n i t o r i n g c a n b u s a l a r m i n g b r a k i n g i v 硕士学位论文 目录 摘要 i a b s t r a c t i i i 目录 v 第1 章绪论 1 1 1 课题研究背景 1 1 2 塔机监控系统研究现状 4 1 2 1 国外研究现状 5 1 2 2 国内研究现状 6 1 2 3 国内外监控产品的对比与分析 7 1 3 本文的主要研究内容 7 第2 章c a n 总线的特点与技术规范 9 2 1c a n 总线的特点与分层结构 9 2 2c a n 的基本概念 1 1 2 3c a n 报文传送帧结构和传输过程 1 2 2 4c a n 报文滤波与总线仲裁 一1 8 2 5c a n 总线通信原理 1 8 2 6 本章小结 2 0 第3 章系统硬件电路设计 2 1 3 1 系统总体方案 2 1 3 2c a n 通讯模块硬件设计 2 2 3 2 1c a n 接口芯片介绍 2 2 3 2 2c a n 通讯电路设计 2 9 3 3 起重量检测节点设计 3 0 3 3 1a d 转换芯片c s 5 5 2 3 3 0 3 3 2 起重量传感器设计 31 3 3 3 起重量检测电路设计 3 2 目录 3 4 幅度 高度和角度节点设计 3 2 3 4 1 磁旋编码器a s 5 1 3 0 3 3 3 4 2 幅度 高度 角度检测电路设计 3 4 3 5 人机接口节点设计 3 4 3 5 1 显示电路 3 5 3 5 2 按键电路 3 7 3 5 3 存储电路 3 8 3 5 4 时钟电路 3 9 3 5 5 声光报警电路 4 0 3 5 6 电源电路 4 2 3 6 继电器控制节点设计 4 3 3 7 本章小结 4 4 第4 章c a n 总线应用层协议制定 4 5 4 1c a n 总线应用层协议介绍 4 5 4 2 信息标识符的分配 4 5 4 2 1 信息标识符分配原则 4 5 4 2 2 信息标识符结构 4 6 4 2 3 信息优先权分配 4 7 4 3 应用层信息帧格式 4 8 4 4 数据交换方式 4 9 4 4 1 生产 消费方式 4 9 4 4 2 远程请求方式 4 9 4 4 3 点对点通信 5 0 4 5 报文滤波机制的设置 5 0 4 6 本章小结 5 2 第5 章系统软件设计 5 3 5 1 系统节点软件模型 5 3 5 1 1c a n 基本通信软件 5 3 5 1 2c a n 应用层协议软件 5 6 v t 硕士学位论文 5 1 3 数据字典 5 7 5 1 4 具体应用软件 5 7 5 2 起重量检测节点软件设计 5 8 5 3 幅度 角度和角度检测节点软件设计 5 9 5 4 人机接口节点程序设计 6 1 5 4 1 液晶显示程序 6 1 5 4 2 按键程序 6 5 5 4 3 实时时钟程序 6 7 5 4 4 存储器程序 6 9 5 5 继电器控制节点软件设计 7 1 5 6 本章小结 7 2 第6 章现场实验及系统性能分析 7 3 6 1 系统现场安装及调试 7 3 6 2 系统数据精准度实验及分析 7 7 6 3c a n 总线实时性能分析 7 8 6 3 1 波特率对网络负载的影响 7 9 6 3 2c a n 数据包响应时间 8 0 6 4 本章小结 8 2 第7 章结论与展望 8 3 7 1 结论 8 3 7 2 展望 8 4 参考文献 8 6 成果 一8 9 致谢 9 0 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 塔式起重机简称塔机 亦称塔吊 最早起源于西欧 lj 是一种非连续性搬运机械 其结构如图1 1 所示 2 1 在实际操作过程中 其通过小车的行走 吊钩的起升和塔身 的回转等动作将构件或材料准确地吊运到施工现场的任意部位 在吊运方式和吊运速 度方面它都比其他起重机械更胜一筹 不仅可减轻劳动强度 节省人力 同时还可降 低建设成本 3 1 因此 随着我国建筑业的蓬勃发展 其得到了越来越广泛的应用 现 己成为施工现场不可或缺的关键建筑设备 4 j 图1 1 塔机基本结构 f i g 1 1b a s i cs t r u c t u r eo fat o w e rc r a n e 相比于欧洲发达国家 我国的塔机行业起步相对较晚 但发展非常迅速 经历了 从无到有 从小到大 从仿制到自行开发具有自主知识产权的塔机产品的过程 逐步 形成了较为完备的技术体系和比较完整的系列型谱 5 6 我国塔机行业各种相关的技 术规范和标准也在不断发展和丰富 塔机行业也成为了我国发展最快的建筑机械设备 行业之一 7 1 据文献 8 h 1 0 1 数据显示 我国2 0 0 1 年行业统计销量9 7 3 8 台 2 0 0 2 年成 第1 章绪论 为了世界上首个塔机年产量突破1 0 0 0 0 台的国家 2 0 0 4 年由于宏观经济与塔机行业 的资源结构整合的双重影响 塔机的产量有所回调 2 0 0 5 年 特别是2 0 0 6 2 0 0 7 年 在我国经济强劲拉动之下 各地新一轮基础设施纷纷上马 我国塔机的产销量迅速恢 复高速运行 仅2 0 0 6 年销量已超过2 0 0 0 0 台 2 0 0 7 年更是增长至近3 0 0 0 0 台 虽然 下半年爆发了金融危机 但2 0 0 8 年销售量受其影响不大 仍突破了3 0 0 0 0 台 2 0 0 9 年受冲击较大 大多数厂家均选择降低产量 因此其销量也大幅下滑 但2 0 1 0 年随 着经济的回温 各地的产量和销量也逐渐重现增长势头 然而 塔机在提高工作效率 节省人力的同时 也存在着巨大的安全隐患 目前 我国工伤事故己成为国民意外死亡的 头号杀手 严重地影响了人们正常的工作 生活秩序和社会的稳定 建筑业生产伤亡事故率排在矿山生产之后 成为威胁工人生 命健康的危险行业 1 1 1 2 由于塔机自身结构特性 作业环境的多样性及应用范围广 泛 其安全性问题显得尤为突出 为此 国内 外生产管理及科研机构部门都高度重 视塔机的安全生产 设置了各级监察管理机构对塔机进行管理与监督 我国相关职能 部门制定了较为完善的规范与标准 颁布了 塔式起重机安全规范 等一系列重要文 件 对塔机设计 生产 使用 维护等各个环节均进行了强制性规定 1 4 虽然各 标准和规范对塔机安全保护装置作了详细规定 并强制要求塔机上必须配备各类安全 保护设备 但塔机事故依然屡屡发生 塔机作为一种蕴含危险因素较多 事故发生机 率较大的机械设备 一旦发生危险 很可能造成机毁人亡的惨剧 给国家和人民生命 财产造成巨大的损失 据不完全统计 1 5 叫19 1 从1 9 9 8 年至2 0 0 1 年 国内一次性死亡 3 人以上的塔机安全事故2 5 起 造成7 6 人死亡 1 8 人重伤 另据国家安全生产监督 管理总局调度统计司发布的安全简报统计 结果如下 2 0 0 5 年建筑业安全生产事故 2 2 5 1 起 死亡2 5 8 7 人 同比减少3 3 1 起 2 0 2 人 分别下降1 2 8 7 2 其中特 大事故情况发生3 起 死亡7 4 人 同比增加2 起 5 3 人 分别上升2 0 0 2 5 2 4 特别重大事故发生1 起 死亡4 4 人 同比增加1 起 4 4 人 2 0 0 6 年建筑业重大事故 起数和死亡人数同比分别上升2 0 0 和1 2 4 2 0 0 7 年 建筑施工事故数和死亡人数 同比分别上升2 2 和6 9 建筑业重特大事故同比增加6 起 死亡人数增加1 4 3 人 建筑施工发生较大以上坍塌事故6 6 起 死亡3 7 5 人 分别占建筑施工较大以上事故 的6 4 1 和7 3 4 起重伤害发生较大以上事故2 3 起 死亡9 0 人 分别占建筑施工 较大以上事故的2 2 3 和1 7 6 其中塔机倒塌较大以上事故发生1 6 起事故 死亡 硕士学位论文 6 5 人 分别占起重伤害较大以上事故的6 9 6 和7 2 2 2 0 0 8 年 塔机倒塌较大以上 事故发生2 1 起 死亡7 2 人 虽然2 0 0 8 年相关部分试行出台了最新的塔机安全规程 但2 0 0 9 年塔机倒塌较大以上事故仍增长了3 起 死亡人数达到7 5 人 图1 2 塔机事故原因统计图 f i g 1 2s t a t i s t i c a lc h a r to ft h ec r r n ea c c i d e n tc a b s e s 致使塔机出现安全事故的原因大致可归纳为如下几点 2 0 h 2 6 1 超载 超限等违章操作 由于塔机生产厂家或应用方过分控制工程成本等原 因 现役塔机中的很大一部分均未安装相关的安全监控系统 即使是一部分已装有监 控系统的在用塔机 一些操作人员在实际操作中却过分追求工作效率 擅自调整甚至 屏蔽其监控功能 使塔机超载或超限运行 此外 在现场施工作业时 操作人员经常 仅凭目测经验对欲起吊的物料进行估算 但实际上估算值与实际值却存在着较大偏 差 这些都给塔机的安全使用埋下了重大隐患 此种情况是导致安全事故的第一大原 因 占5 5 2 塔机自身的疲劳损伤 目前 由于对塔机现场应用的安全监管力度不够 一 部分在用塔机长期满载运行 缺乏有效维护 其内部可能己出现轻微的疲劳损坏 一 旦塔机再次遇到最大载重限额或最大力矩极限的工况 甚至是在安全工作量程范围内 的工况 其自身的局部破坏极有可能引发连锁反应 从而导致吊臂折断 塔身折断 塔机倾覆等重大事故的发生 此种情况占安全事故总数的1 2 仅次于超载 超限 第1 章绪论 3 塔机自身设计质量以及安装 维护问题 我国对塔机的生产设计和现场安装 均出台了较为严格的标准和规范 塔机在出厂前或现场使用前 均需要通过相关质检 部门的安全检验 因此 此种情况导致的安全事故所占比重较小 4 恶劣环境下强行作业 主要指操作人员违反塔机安全操作规程 在强风 浓 雾 大雨等环境下依然继续工作 5 其他 由于塔机工作环境往往十分复杂 存在着许多安全隐患 如在周围布 满建筑物 高压输电线或同工程机械的环境中 塔机必须避免与这些障碍物相撞 这 些复杂的工况也使得塔机的施工作业变得非常困难 通过上面的事故原因分析可知 只要塔机工作在额定的操作范围内 不发生超载 超限 减轻其内部的疲劳损坏 绝大多数的安全事故是完全可以避免的 而如何有效 抑制因超载 超限对塔机造成的破坏以及如何有效减少塔机安全事故发生率都成了公 众关注的话题和焦点 为此 最新出台的g b 5 11 4 2 0 0 6 塔式起重机安全规程 明确 规定要在塔机上配备力矩 起重量 幅度 回转和高度安全限制器 到目前为止 大 多数的塔机在出厂时均已安装上了力矩限制器 位置限制器和速度限制器等装置 其 工作原理是当被监控参数超过某极限值时断电报警 这类机械式的保护装置结构简 单 成本较低 虽然在一定程度上其能够保证塔机的安全操作 但仍存在以下缺点和 不足 1 不能实时地监控塔机的工作参数 无法将其运行状态直观地显示给操作人员 以便其及时做出调整 2 不能完整记录塔机工作过程 无法为日后生产 维护和事故判定提供可靠的 数据支持 3 长期使用后可靠性大大降低 因此 如何提供一种可靠性更高 可对塔机各工作参数实时同步监控的安全监控 系统成了迫切需要解决的问题 这也是本文的研究重点 1 2塔机监控系统研究现状 目前 国内外对于塔机安全监控系统的研究内容主要包含两剧2 7 3 3 1 丰富传感器的种类 提高传感器数据采集精度和可靠性 早期产品一般仅具 有力矩和起重量限制功能 即仅包括力矩限制器和起重量限制器 但发展到今天 很 多国内外安全监控产品已具有更大容量的信息集成度 监控参数范围从过去的起重力 硕士学位论文 矩 起重量扩展到塔机运行的位置 速度 加速度 甚至还包括风速 温度等信息 多方面全方位的信息集成安全监控 2 数据处理及人机交互 目前的产品都非常注重改善系统的人机界面 提高其功 能性 网络适用性 工作环境的普适性 系统的智能性 预判 反向保护 与塔机监 视系统的扩展性 1 2 1 国外研究现状 国外在塔机监控方面的研究起步较早 而且很早已经将监控系统应用于塔机 国 际上塔机制造行业主要有l i e b h e r r p o t a i n w o l f f k o n i 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 也代表着塔机生产的最先 进技术 它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 3 4 德国的l i e b h e r r 公司在塔机安全监控和微机自动控制方面做了大量的研究 其 研制的l i k a s 系列塔机电子监控系统代表了国际最先进水平 该系统功能齐全 包 括监视系统 力矩限制系统 塔机作业空间限定系统 防碰撞系统及数据记录系统 大规模点阵彩色l c d 液晶显示 采用 图文并茂 方式显示的内容丰富多彩 有起 重量 幅度和塔机工作力矩曲线图 能反映参数间的相互制约和互动变化的关系 模 块化结构设计 监视系统模块作为基本模块可以独立地工作 用户根据需要可以逐个 添加其他各模块 甚至允许添加用户自己设计开发的控制系统 以满足现场作业的需 要 英国的起重机上安装了近场感应系统 可避免起重机之间的互相碰撞 采用无线 遥控时载荷称量也能在远程终端上显示 起重机上还装有微机自诊断监测系统 该系 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 美国w y l i es y s t e m s 系列产品采用小屏l c d 液晶显示器 在同一屏幕上显示起重 量 幅度 回转角度等多个参数 数字和柱状图形相结合的方式显示各参数全过程的 趋势变化 对参数的变化一目了然 按键具有参数设置功能 通过修改设定数值可以 适应不同类型塔机的需要 通用性和适用性较强 不同色彩的指示灯形象地反映出塔 机的运行状态 第1 章绪论 美国的c r a n e 公司主要业务是为大型起重机设备工程提供监测系统方案 该公 司提出无线监视系统解决方案 w i r e l e s sm o n i t o r i n gs o l u t i o n w m s 采用z i g b e e 技 术作为系统传感器数据采集通讯手段 提供可选的e t h e m e t 移动机站 卫星等多种 宽带接入技术方案 终端部分亦可采用数据中心 p c 主机或警报提示系统设备 该 系统具有完备的 端到端 的智能监视 连续实时的数据信息 灵活 高效等特点 法国p o t a i n 公司在其m d 系列塔机中 装设了微机辅助保养系统以及微机辅 助驾驶系统 能够记录5 3 种参数 对2 0 种故障与易损件磨耗程度和使用寿命直接相 关的信息进行储存处理 还可对有关电源供电条件 制动器和其他部件的技术状况相 关的2 3 项信息进行处理 如检测参数超出极限值 系统会向驾驶员发出灯光警示信 号 并在荧屏上显示应及时检修的项目或部位 1 2 2 国内研究现状 国内对塔机监控系统的研究虽然起步较晚 但也出了不少相关的产品 比较有 名的有 3 5 叫4 2 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 其具有超载 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 大连工程机械研究所的a m l u 1 型力矩限制器 采用单片机为主机 各从机由 相应的检测传感器和用作数据处理的单片机构成 从机采集并处理各自传感器的信 号 主机实时查询各从机的信息以实现对塔机起重量 起重力矩 小车幅度 吊钩高 度等的监测及记录 北京起重运输机械研究所研制开发的q d x 型起重机多功能安全保护装置 该装 置具有起重量超载及欠载保护 力矩超载保护 防止起重机互相碰撞 露天风速检测 及保护 下降超速保护 起升高度指示及限位等多种功能 报警方式有语音提示及声 光报警 并同时切断相应的电气控制回路 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 其采用 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 硕士学位论文 1 2 3 国内外监控产品的对比与分析 从以上对国内外塔机监控产品的介绍可知 国外的系统其监控参数比较全面 数字化和智能化程度都很高 代表着国外塔机的发展趋势 占据着塔机监控技术的前 沿 但面内国内的塔机市场时 其却因高昂的价格而难以推广 尤其是对于数量庞大 的中小型塔机 仅一个单纯的监控系统就要占据整个塔机2 0 3 0 的支出 这使得 众多塔机生产商和使用方难以接受 在生产成本方面 国内的监控系统具有明显的优势 但其系统的可靠性和功能 的全面性跟国外产品相比还有较大的差距 目前 国内市场上出现的和正在研制的塔 机监控系统可分为两类 有线型和无线型4 3 h 4 6 1 由于工作在施工现场 通信环境变 化较大 无线型监控系统有时存在着进网连接困难 容易掉线 通信不稳定等问题 且目前其成本较高 不利于推广 有线型系统多采用单主机结构的集中控制 比较典 型的是r s 4 8 5 总线的主从式系统 但这类系统存在均以下缺点 4 7 h 5 2 1 主从结构无法构成多主或冗余结构的系统 要保证控制功能的实现 主机必 须具备较强的数据处理能力 即使采用处理功能较强的芯片 但一旦主机出现异常 系统的可靠性也无法得到保证 此外其维护成本也较高 2 以通道方式采集塔机工作参数 不利于新的监测参数和新功能节点的加入 系统可扩展性差 3 分布在塔机各处的从机均与主机相连 布线较为繁琐 1 3 本文的主要研究内容 为了解决上述的问题和不足 本文基于c a n 总线的分布式结构 设计了一种可 靠性更高 成本更低 推广性更强的塔机安全监控系统 其主要实现以下功能 1 实时更新显示塔机的各项工作参数 使操作人员直观了解塔机的工作状态 以便其做出正确判断 避免误操作 2 自动判断司机的操作指令 主动拒绝执行超出塔机安全工作范围的指令 同 时可发出声光报警并将相应的工作参数记入违章档案 3 全程记录塔机的所有工作过程 管理者可方便地转存此数据 为日后塔机寿 命评估 维护和事故判定提供强有力的数据支持 第1 章绪论 要设计一套可靠性高 功能较全面的塔机安全监控系统 不仅要先了解塔机的 结构和工作原理 还要分析其所处的工作环境 同时还要从系统实现的角度考虑如何 更合理地分配系统中各节点的功能 为此本文主要进行了如下研究工作 1 根据塔机的结构和工作原理 明确系统需要对哪些参数进行监控以及需要提 供哪些保护功能 制定监控系统需实现的功能要求 2 分析c a n 技术特点和c a n 规范的分层结构 讨论c a n 报文帧的结构和传 输过程 探讨报文滤波和总线仲裁机制对c a n 总线的影响 明确c a n 系统的组建 方式和实现的技术难点 3 分析系统所要监测参数的特点 研究如何对各参数进行监测 从经济性和可 靠性的角度出发 设计相应的传感检测电路和后续硬件 包括原理图的设计和p c b 电路板的设计 4 分析目前较成熟的c a n 工业应用协议 并结合塔机监控的特点 设计适用 塔机安全监控的c a n 高层应用协议 包括信息标识符的分配 信息帧格式的确定 数据交换方式的制定和报文滤波机制的设定 5 根据c a n 总线的通讯特点 以及系统所需实现的功能 设计各节点软件 包括c a n 通讯软件 检测节点数据转换和数据处理软件 人机接口中l c d 显示和数 据存储软件 控制节点继电器保护软件等等 6 制作监控系统的硬件原型 选取较具代表性的实验场合进行安装和调试 设 计并展开数据精准度 系统可靠性以及系统c a n 通讯性能的实验 完成对系统性能 的测试和评估 硕士学位论文 第2 章c a n 总线的特点与技术规范 c a n 总线的特点与分层结构 控制器局域网c a n 为串行通信协议 它属于现场总线的范畴 能有效地支持具 有很高安全等级的分布实时控制 5 3 1 c a n 的应用范围很广 从高速的网络到低位的 多路配线都可以使用c a n 它首先被应用在汽车电子行业里 使用c a n 连接发动机 控制单元 传感器 防滑系统等 而后又逐步发展到用于其它工业领域的控制 在铁 路 机械 航天 电力等行业都有广泛的应用 在1 9 9 3 年l1 月1 5 0 正式颁布了道路 交通运载工具一数字交换一高速通信控制器局域网c a n 国际标准 1 5 0 11 8 9 8 为控 制器局域网标准化 规范化的推广铺平了道路 c a n 属于总线式串行通信网络 由于其采用了许多新技术及其独特的设计 与 一般的通信总线相比 c a n 总线的数据通信具有突出的可靠性 实时性和灵活性 因而一些世界著名的汽车厂商如b e n z b m w r o l l s r o y c e 等都采用c a n 总线 来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信 其主要特点可概括如 下 1 c a n 为多主机方式工作 也就是说网络上的任一节点均可在任意时刻主动地 向网络上其他节点发送信息 而不分主从 通信方式比较灵活 而不用站点地址等节 点信息 2 c a n 网络上的节点信息分成不同的优先级 可满足不同的实时要求 高优先 级的数据最多可在1 3 4 9 s 内得到传输 3 c a n 总线采用非破坏性总线仲裁技术 当多个节点同时向总线发送信息时 优先级较低的节点会主动地退出发送 而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数 据 从而大大节省了总线冲突仲裁的时间 尤其是在网络负载重载很重的情况下也不 会出现网络瘫痪情况 4 c a n 总线只需通过报文滤波即可实现点对点 一点对多点及全局广播等几种 方式传送接收数据 5 c a n 的直接通信距离最远可达10 k m 速率5 k b p s 以下 通信速率最高可 达1m b p s 此时通信距离最长为4 0 m 6 c a n 采用短帧结构 传输时间短 受干扰概率低 每帧都有c r c 校验及其 它检错措施 数据出错率极低 第2 章c a n 总线的特点与技术规范 7 c a n 上的节点主要取决于总线驱动电路 目前可达1 1 0 个 报文标识符可达 2 0 3 2 种 c a n 2 0 a 而扩展标准 c a n 2 0 b 的报文标识符几乎不受限制 8 c a n 的每帧信息都有c r c 检验及其他检错措施 保证了数据出错率极低 9 c a n 通讯的硬件接口简单 通信线少 通信介质可为双绞线 同轴电缆或光 纤 选择灵活 c a n 遵从o s i 模型 按照o s i 基准模型 c a n 结构划分为两层 数据链路层和 物理层 其中数据链路层包括逻辑链路层l l c 和媒体访问控制层m a c c a n 技术 规范2 0 a 版本中 数据链路层的l l c 和m a c 子层服务及功能被描述为 对象层 如图2 1 所示 数据链路层 链路控制子层 l l c 验收滤波 越载通知 恢复管理 介质访问子层 m a c 数据封装 拆装 帧编码 填充 消除填充 介质访问管理 错误检测 错误标定 应答 串行化 解串行化 物理层 物理信令 e l s 位编码 解码 位定时 同步 驱动器 接收器特征 图2 1c a n 节点的分层结构 f i g 2 1l a y e r e ds t r u c t u r eo fac a nn o d e l l c 子层的主要功能是 为数据传送和远程数据请求提供服务 确认由l l c 子 层接收的报文已被接收 并为恢复管理和通知超载提供信息 m a c 子层的功能主要 是传送规则 亦即控制帧的结构 执行仲裁 错误检测 出错标定和故障界定 物理 层的功能是有关全部电气特性在不同节点间的实际传送 c a n 技术规范2 0 b 定义了 硕士学位论文 数据链路中的m a c 子层和l l c 子层的一部分 并描述与c a n 有关的外层 物理层 定义了信号怎样进行发送 因而 涉及位定时 位编码元和同步的描述 在这部分技 术规范中 未定义物理层中的驱动器 接收器特性 以便允许根据具体应用 对发送 媒体和信号电平进行优化 使信号传输更加方便 m a c 子层是c a n 协议的核心 它描述由l l c 子层接收到的l l c 子层发送的认 可报文 m a c 子层可响应报文帧 仲裁 应答 标定 m a c 子层有称为故障界定的 一个管理实时监控 它具有识别或短暂扰动的自检机制 l l c 子层的主要功能是报文 滤波 超载通知理和恢复管理 按照i e e e8 0 2 2 和8 0 2 3 标准 物理层划分为 1 物理信令 p l sp h y s i c a ls i g n a l i n g 2 物理媒体附属装置 p m ap h y s i c a lm e d i u ma t t a c h m e n t 3 媒体相关接口 m d im e d i u md e p e n d e n ti n t e r f a c e 数据链路层又划分为 1 逻辑链路控制 l l cl o g i cl i n kc o n t r 0 1 2 媒体访问控s o m a cm e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 2 2c a n 的基本概念 1 报文 m e s s a g e s 总线上的信息以不同的固定格式发送报文 但长度有限 当总线空闲时 任何连接的单元都可以开始发送一个新报文 2 信息路由 i n f o r m a t i o nr o u t i n g 在c a n 总线系统中 c a n 节点不使用任 何关于系统结构的信息 3 系统灵活性 节点可以在不要求所有节点及其应用层改变任何软件或硬件的 情况下 在c a n 网络中直接添加节点 4 报文路由 报文的寻址内容是由标识符来指定的 标识符不指出报文的目的 地 但其有特定含义 使得网络上所有的节点