桥式起重机安全监控管理系统研究
起重机安全监控管理系统已经在塔式起重机和门座式起重机上应用，但是应用于桥式起重机的安全监控管理系统还很少。另外黑匣子作为多信息采集记录仪已经成熟发展，飞行器、轮船、汽车都开发出其相应黑匣子，并广泛应用。但是飞行器和船用黑匣子监测参数众多，结构复杂，成本很高，而且起重机黑匣子的极限工作环境远远不会达到以上两种黑匣子的要求，因此起重机用户不会采用飞行器和船舶用黑匣子。汽车黑匣子技术，在我国还不成熟，而且汽车黑匣子偏重于监测汽车的行驶路线与周围车距，不适合用在桥式起重机上。因此开发一款桥式起重机安全监控管理系统非常有意义。
1 系统总体方案设计
1.1 系统总体结构
桥式起重机安全监控管理系统的工作原理设计为：通过各种传感器采集桥式起重机的运行参数和人员信息，汇聚到黑匣子节点，黑匣子节点再通过GPRS_DTU模块把数据发送到基站，基站通过网络把数据存入远程服务器，相关职能部门通过网络访问远程服务器在特点软件系统中显示各监测对象。系统总体结构如图1。
图1 系统总体结构图
1.2 黑匣子节点结构
桥式起重机黑匣子硬件按照功能可以分为：外壳保护单元、单片机、数据采集模块、数据通讯模块、数据储存模块、实时时钟模块、数据显示模块、电源模块等几个部分。桥机黑匣子系统的结构框图如图2所示。
图2 黑匣子节点结构框图
1.3 系统解决方案设计
1.3.1 主控芯片的选择
由于监测数据种类较少，目前起重机的安全监测管理系统一般是采用51单片机，此类单片机应用比较广泛，价格相对较低，发展也已成熟。
1.3.2 黑匣子节点采集方案选择
本系统黑匣子节点需要采集起重量、起升高度、行程开关、限位开关、同一轨道两车间距等信息。其中行程开关直接通过单片机数字I/O口采集，其他数据采集需要其他辅助设备。
1）行程、限位开关采集。限位开关的信号接入有两种方式。方式一：桥式起重机限位器一般同时有常开和常闭两对触点，其中常闭触点接入起重机控制电路，控制电机电源。常开触点一般是空置的，I/O量采集模块可以利用通过监控这个空置的常开触点状态反映限位器的状态。方式二：桥式起重机械限位器的常闭触点接入控制电路。通过在控制电路限位各开关触点位置串入220 V继电器的线包，然后通过监测继电器开关状态得出限位器的状态。方式一完全独立于桥式起重机的控制电路，简单可靠，但由于不同限位器遍布桥式起重机各个部位，需要进行长距离的布线。方式二需要在原控制电路中串接继电器，降低了系统的可靠性，但由于限位器接入控制电路的位置相对集中，需要布线很少，连线如图3。
图为大车1、大车2、小车1、小车2连线示意图。其中INL1等表示黑匣子系统接线端。
2）起重量信息采集。本系统的起重载荷值直接从桥式起重机械标配中的起重量限制器中获取。其精度一般小于5%。试验用的桥式起重机配置的载荷限制器为浙江常州某厂家的产品，型号为QCX-M系列。该产品具有实时重量显示、零点自动跟踪、储存超载次数等功能。同时提供4-20 mA、RS485等接口。
图3 行程开关连线示意图
3）起升高度信息采集。绝对式编码器/电位器这种方法一般用于测量旋转物体的角位移；虽然高度并非角位移，但是只需测量卷筒的角位移和其直径就可以计算出线位移。只是以上方法的局限是：角位移的测量范围有限，仅限于一圈（360°），实际情况中卷筒的旋转圈数范围绝对不止一圈。因此卷筒轴必须外接减速器，是所测量限制在一圈以内。由于采用机械方式经过几次转换，而且再加上电位器本身就具有非线性，测量的精度会受很大影响。同时该方法也有优点，就是只要开始位置（即为零点）确定，不管测试系统在什么时候停机，重启后，所读取的数据都可以准确确定起重机吊钩的位移量。以上两种传感器的不同之处就是：前者的输出的是数字信号，而后者输出的是电压或电流模拟信号。系统中应用绝对式多圈光电编码器测量起升高度。本设计中选用GAX60 R13/12 E10 LB编码器。其输出RS485信号，易于读取。编码器设置成主动模式时，主动向上位机发送数据。
图4 仪器硬件原理图
4）两车间距信息采集。本系统选择超声波测距。超声波测距模块原理图如图4所示，模块包括固有频率正反馈发生器电路、换能器、线性电路（前置放大，噪音过滤，线性放大，整形电路）、单片机等部分。
本采集模块设计时，单片机通过对40 kHz方波发生电路的控制实现对发射的控制。单片机的P1.0口以6个脉冲的序列发射信号再经过超声波发射电路放大，单片机程序是通过延时函数实现的。脉冲发射同时打开定时器T0开始计时，发射后等待1 ms（主要目的是消除余波干扰，同时会导致测量盲区），打开外部中断INT0，等待回波反射到接收探头。
5）人员信息采集模块。桥式起重机械操作人员信息的采集，主要是为了实现人员和设备的管理。本系统设计借鉴门禁系统的功能。