摘  要： 針對起重機的安全工作要求，開發(fā)了一種安全監(jiān)控系統(tǒng),，通過對起重機操控特性曲線的實時計算,，自動判斷起重機的工況和安全威脅，通過圖文顯示和聲光報警提示操作員,，并在緊急狀態(tài)下自動采取應急控制,，實踐證明該系統(tǒng)工作可靠，具有推廣應用價值,。
關(guān)鍵詞： 汽車起重機,；工況安全；單片機,；監(jiān)控系統(tǒng)

　汽車起重機具有移動快捷便利的特點,，因此應用非常廣泛。其操作雖然簡單,，但是工況卻十分復雜,，操作員往往不易發(fā)現(xiàn)潛在的危險，安全生產(chǎn)形勢十分嚴峻,，尤其是車載移動式起重機,，常常出現(xiàn)側(cè)翻事故，以至人員傷亡,。
　本文開發(fā)了一種汽車起重機安全監(jiān)控系統(tǒng),，針對起重機在各種工況下的操控特性曲線,，實時監(jiān)測和報警，并帶有安全操作提示,，包括側(cè)方位安全性提示,，并在緊急狀態(tài)下自動切斷超載項目，從而集工況監(jiān)測,、控制,、報警、記錄系統(tǒng)于一體,。與進口設(shè)備“力矩限制器”相比,，本系統(tǒng)具有功能齊全、經(jīng)濟實用的特點,。本系統(tǒng)經(jīng)過近10年的實際應用和改進,，能夠杜絕安全隱患，確保安全生產(chǎn),，并且可以通過簡單改裝和修改計算參數(shù)在其他類型的起重機上使用,，能夠簡單快捷地完成設(shè)備的安裝調(diào)試工作。
1 設(shè)計規(guī)格和功能要求
　起重機工況和安全監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能包括：
　(1)異常工況分級警告,，自動測量工況并計算安全工作邊際,，當安全受到潛在威脅時發(fā)出不同的聲光報警信號，提醒操作員注意操作安全,；
　(2)緊急保護控制,，在安全工作狀態(tài)受到嚴重威脅時，自動啟動應急控制,，停止向危險方向運轉(zhuǎn),，只能向安全方向運轉(zhuǎn)；
　(3)傳感器信號校正和量程標定,，根據(jù)傳感器信號所在區(qū)間,，采取二次插值補償修正，提高測量精度,，并自動標定零點,，自動判斷傳感器異常，確保系統(tǒng)工作安全,；
　(4)存儲起重機的操作特性參數(shù),，針對起重機在不同工況下的特性曲線，實時將運行參數(shù)提供給監(jiān)控系統(tǒng)使用,；
　(5)自動記錄異常工況,。
2 檢測單元及工作原理
　汽車起重機監(jiān)控系統(tǒng)示意圖如圖1所示，監(jiān)測裝置包括壓力傳感器,、角度傳感器、長度傳感器、鋼絲過卷傳感器,、鋼絲過放傳感器等,，要求監(jiān)控系統(tǒng)分別采集不同的物理信號，并傳送到主控計算機進行分析處理,。過卷和過放是通過開關(guān)量自動觸發(fā)控制,，在此從略。

　壓力傳感器通過檢測支撐油缸上下腔的壓力信號p,，間接推算起吊物的重量,；臂長傳感器通過頭部固定在臂桿端部的拉線，將臂桿長度變化轉(zhuǎn)換為傳感器內(nèi)部測定元件角度的變化,，以測定檢測臂桿的實際長度l,；仰角傳感器安裝在臂桿上，通過重錘帶動角度測定元件轉(zhuǎn)動,，以檢測臂桿仰角β,。
根據(jù)以上測量，計算起吊物的實際重量如下：
　W=λ×f(p)/l(1)
　式(1)中：f(p)是壓力測量信號的二次非線性函數(shù),；λ是角度信號β的二次非線性函數(shù),；l是吊臂長度測量信號。
在一定的設(shè)計起吊量情況下,，臂長與臂角度是互相制約的,，當起重臂仰角一定時，隨著起重臂長度的增加,，起重半徑和起重高度也隨之增加,，而起重量應當相應減少，以防止翻車事故,，這在式(1)中表現(xiàn)為W與l成反比,。反之，當臂長l一定時,，隨著起重臂仰角β的增大,，起重量隨之增加。參見圖2某起重機的操作特性曲線,，曲線1代表起重量W與工作臂長度l(圖中表達為“工作幅度”)之間的關(guān)系,，它可以用二次曲線分段近似表達。本系統(tǒng)詳細集成了操作特性二次曲線的各項參數(shù),，存放在非易失存儲器中供軟件調(diào)用,。

　起重機的安全工作狀態(tài)與W、β和l都有關(guān)系,，這里要特別注意在不同工況下的操作特性是不同的,，例如圖2中有不同的曲線,，不同的起重機也有較大區(qū)別，因此計算復雜度較高,，需要根據(jù)工況測量信息分段計算,。在實際系統(tǒng)中，根據(jù)W,、β和l的實測結(jié)果,，對起重機的操作特性作二次函數(shù)的插值逼近，各工況下的插值系數(shù)通過操作特性表獲得,。
　為保障工作安全,，通常要求監(jiān)控系統(tǒng)隨時計算在特定條件下允許的最大起吊重量Wmax，并提示W(wǎng)不要超過Wmax,。經(jīng)過大量測試,，得到Wmax的計算如下：

3 監(jiān)控單元及工作原理
　起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成如圖3，通過A/D接口對各路傳器信號進行采樣,，包括角度,、吊臂長度、壓力傳感器等,，從而取得起重機的工作參數(shù),，再通過式(1)、式(2)計算,，得出相應工況下的實際起重物重量W及其與Wmax的比率(也稱為載荷率),，在液晶顯示模塊上顯示示意圖、文字提示信息,，包括臂長,、臂仰角、載荷等操作者關(guān)心的參數(shù),，并發(fā)出提示音,，供操作員參考。當載荷率大于90%時預報警,，大于100%時報警,，并自動啟用強制停止控制，這時起重機不能繼續(xù)向危險方向動作,，如伸臂,、起升等，從而實現(xiàn)對起重機的測控保護功能,，使起重機的工作符合安全生產(chǎn)要求,。

　計算中所需的常數(shù)以及中間結(jié)果存放在外接的非易失存儲單元中，配合系統(tǒng)提供的液晶顯示和鍵盤人機界面,，本系統(tǒng)還可以完成特定的參數(shù)設(shè)置,、標定及調(diào)試記錄等輔助功能,。
4 軟件設(shè)計
　軟件系統(tǒng)完成以下功能：
　(1)傳感器信號分析計算，主要完成式(1),、式(2)的運算,，計算量較大，采用AT89S52單片機[1,，2]。起重機在不同工況下的操作特性是不同的,，因此要求在計算過程中,，自動判斷工況(前方、后方,、側(cè)方,、支腿、副臂等)并選擇相應的計算系數(shù)和插值公式,，將計算結(jié)果和提示信息送顯示模塊,。圖4為顯示效果圖，其中包括副臂是否伸長,、有無過卷過放,、支腿是否工作、主臂是否位于側(cè)后方,、系統(tǒng)的載荷率及當前是否安全等信息,。
　(2)報警和緊急保護，在過卷,、過放,、超重、傳感器異常等情況下,，系統(tǒng)都能實時給出聲光告警和應急處理,，并通過8255接口輸出控制信號啟動保護繼電器動作。
　(3)液晶顯示,，采用外購的160×128點陣顯示模塊,，清晰度很高，每屏可以顯示8×10個16×16點陣的漢字,，本系統(tǒng)采用圖文混合顯示,，如圖4所示。系統(tǒng)用到的漢字點陣預先存放在存儲器內(nèi)[3],。

　(4)薄膜鍵盤,，采用4×4鍵盤矩陣，便于集成在儀器面板上,，除了輸入0~9數(shù)字之外,，還能輸入+1,、-1、CHK等控制字符,，以便輸入系統(tǒng)調(diào)試過程中用到的一些參數(shù),，單片機通過8255接口電路掃描鍵盤動作并做相應處理。
　起重機安全生產(chǎn)的形勢非常嚴峻,，采用智能監(jiān)控儀表,，在液晶顯示器上顯示工況提示信息，同時發(fā)出聲光提示和報警信息,，完全能夠幫助操作員進行安全生產(chǎn),，杜絕不當操作造成安全事故。本系統(tǒng)適用于輪式起重機,、履帶式起重機,、塔式起重機的安全監(jiān)控，具有很高的推廣應用價值,。
參考文獻
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[3] 謝維成，楊佳國.單片機原理與應用及C51程序設(shè)計[M].北京：清華大學出版社,，2005：70-92.