液压起重机安全监控系统的开发

第32卷　第4期2008年8月武汉理工大学学报(交通科学与工程版)Jou rnal of W uhan U n iversity of T echno logy(T ran spo rtati on Science &Engineering )V o l .32　N o.4A ug .2008液压起重机安全监控系统的开发3 收稿日期:2008203225 朱　钰:女,44岁,副教授,主要研究领域为轮机工程液压与控制技术 3国防研究项目资助(批准号:200505YB 09)朱　钰1)　许顺隆1)　刘少辉1)　莫善锋1)　胡甫才2)(集美大学轮机工程学院1)　厦门　361021)　(武汉理工大学能源与动力工程学院2)　武汉　430063)摘要:针对集美大学轮机工程学院实验室内的2t 3m 液压起重机,建立由吊臂油缸压力传感器、吊臂变幅角度传感器、吊臂回转限位器、钩头过卷限位器、吊臂变幅限位器、多功能数据采集卡、工控机等构成起重机安全监控硬件系统.基于Visual Basic 软件平台,开发出一整套起重机工况监控及报警软件系统,界面友好,操作简单,实现了起重量、工作半径、当前工作半径下的最大负载等多个参数的实时检测与显示,并根据危险工况等级实行报警或停机保护处理.关键词:起重机;状态监测;安全系统中图法分类号:U 6250　引 言起重机作为建筑、物流、安装领域的重要机器设备,其单机的工作范围、起重能力及监控水平不断向大型化和自动化方向发展.同时,由于起重机自身结构和工作特点,决定了它是一种蕴藏较大危险因素的施工机械.随着人们安全意识的不断增强,保证起重机在安全限度内工作,成为起重机安全设计方面的一大研究重点[123].国内外对起重机安全系统的研究主要集中在起重力矩限制器方面,并向智能化方向发展[426],本文针对轮机工程实验室2t 3m 液压起重机建立并开发了该起重机状态的实时监测、显示、报警等的软、硬件系统,实现了起重机的起升、回转、变幅等状态的实时监控及安全报警功能,为今后起重机操纵向智能化方向发展的研究奠定了基础.1　安全监控系统的组成及工作原理根据起重机安全保护系统的具体要求,安全保护系统主要包括状态数据的采集、数据的处理、工况的显示报警和起重机的控制四大部分.数据采集部分一般由传感器(如压力、角度传感器)、限位器(如回转、变幅限位器)和数据采集卡组成;数据处理部分一般是微处理器,微处理器可以是计算机、工控机、PLC 、单片机等;工况的显示报警由显示面板(LED )和报警装置组成.图1示出起重机安全监控系统的组成.图1　安全保护系统的基本组成根据要求,传感器和限位器分别安装在起重机的相应位置,在起重机运行过程中,实时检测运行参数的变化并由数据采集卡采集;之后,送入微处理器中,调用预先编写的程序对信号进行处理计算,并做出正确的判断,结果由显示器显示;如果起重量达危险起重量或运动到极限位置,输出控制信号至控制元件,使起重机停止所有操作或仅能向安全方向操作,同时报警装置启动.2　2t 3m 液压起重机安全监控系统2.1　硬件系统的组成图2为安全监控系统的硬件构成,包括研祥工控机、711B 多功能数据采集卡、16通道功率继电器输出板PCLD 2885、通用端子板PCLD 2880、角度传感器、变幅油缸压力传感器、左右回转限位器、变幅限位器和钩头过卷限制器等.图2　安全监控系统硬件构成图3为各传感器、限位开关等的位置分布及接线示意图.图3　传感器、限位器分页及接线示意图2.2　监测及控制工作原理根据实时测量的吊臂角度和变幅油缸的压力值,结合该起重机的几何参数,计算出实际起重量,并与该工作半径所对应的额定起重量进行比较,若比值<90%则系统可继续正常工作;若该值≥90%则监控面板上报警灯开始闪烁报警,同时系统输出控制信号,使卸载电磁阀断电,液压回路卸载,起重机停止工作.为防止起重机工作时吊臂和吊钩超出极限位置,在相应位置安装限位器.当吊臂幅度达限,或钩头过卷达限,或吊臂回转达限时,屏幕上报警灯开始闪烁,同时系统输出控制信号,使卸载电磁阀断电,液压回路卸载,起重机停止工作.在机旁操作箱上设置了复位按钮,系统重新工作前必须按复位按钮,以提醒操作者在排出故障后再开始工作. 1)吊臂角度信号的采集与处理　吊臂角度信号的检测是通过安装在吊臂上的角度传感器实现的.由于该传感器的测量范围为±45°,而起重机吊臂的工作角度是在30°～80°,故调整角度传感器的安装位置,使其在吊臂处于50°时输出为0,即:当起重机吊臂角度为30°时,角度传感器输出对应-20°信号;当起重机吊臂角度为80°时,角度传感器输出对应30°的信号.角度修正公式为Α=0.041Y -33.333(1)式中:Α为角度值;Y 为经A D 转换后计算机读取的角度信号数字量.2)吊臂变幅油缸压力信号的采集与处理　为了能够得到起重机的实际起重量,在吊臂变幅油缸的高压侧安装了压力传感器,实时检测油缸内的压力变化,油缸内的压力值由下式给出p =0.0188(m -2818)(2)式中:p 为吊臂变幅油缸内压力值;m为经A D 转换后计算机读取的压力信号数字量.3)起重机的实际起重量　起重机的实际起重量T 与吊臂变幅油缸中的压力p 、角度信号Α及起重机的几何尺寸之间存在着一定的关系,根据文献[7]可知T ={[(0.0068p -488)×0.61×sin (arcco s ((0.61-1.04c o s (Α+74.78))(1.4537-1.2688co s (Α+74.78))1 2))](2.85×co s Α)-982.456}104(3) 实际起重量T 与额定起重量进行比较,即可得出负载率.4)限位开关的状态检测　图4为计算机 机旁控制转换及各限位开关接线图.图4　计算机 机旁控制信号接线图SA 2手动多路转换开关;K 1—回转左限位开关;K 22变幅限位开关;K 32回转右限位开关;K 42吊钩过卷限位开关;SB 2复位开关;HL 2状态指示灯・936・　第4期朱　钰,等:液压起重机安全监控系统的开发 当所有限位正常时,系统正常工作;但当某限位开关达限时,其常开和常闭触头状态发生变化,数据采集卡的相应输入状态发生变化,计算机可以立即检测得到,并做出相应的报警处理.因考虑教学需要,起重机的限位控制保留导热的机旁控制方式,由手动多路转换开关SA 切换.5)卸载电磁阀的控制　当任意一限位开关达限动作,或实际起重量达到额定起重量的90%时,计算机通过PCLD 2885继电器输出板输出信号,切断卸载电磁阀电路,起重机液压系统卸载,起重机不能继续工作,恢复工作前必须先按复位按扭SB ,以达到提醒操作者起重机曾出现故障.3　起重机安全监控软件的开发3.1　软件设计主程序流程图软件设计主程序流程如图5所示.图5　软件设计主程序流程图3.2　安全监控系统运行界面首先,进入监控系统.在VB 环境下,点击“运行”,则出现“欢迎进入起重机安全控制界面”.第2步,显示起重机的运行工况.在“欢迎进入起重机安全控制界面”中,点击按钮“进入监控面板”则出现“运行工况显示”界面.在“运行工况显示”界面中,能够实现“信号采集”、“工况曲线显示”、“复位”和“返回”功能. 第3步,信号的采集.在“运行工况显示”界面中,点击按钮“信号采集”则“运行工况显示”界面.起重机的各个运行参数被采集到监控面板上,包括大臂起升角度、工作半径、实际载重量,最大载重量、负载率以及回转左右限位器,大臂变幅限位器和钩头过卷限位器的运行情况.点击按钮“工况曲线显示”还可显示即时曲线图.当任何一限位器超限或负载率≥90%时,报警灯闪烁报警.待起重机向安全方向运行后,按下“复位”按钮.最后,按下“返回”按钮则回到初始界面,停止监控.4　结 论本文在广泛了解国内外有关起重机安全保护研究的成果和基础上,对轮机工程学院2t 3m 液压起重机安全保护的有关问题进行了深入研究、分析和具体计算.采用711B 多功能数据采集卡、工控机、传感器及相关工业端子板为液压起重机构建了安全保护系统,并利用Visual Basic 6.0软件建立了安全模拟控制界面,通过对大臂角度和变幅油缸压力传感器以及限位开关数据信号的实时采集及处理,实现起重机状态的实时显示、安全控制、超限报警等功能.实验运行结果表明,整个安全保护系统实现了所要求的功能.参考文献[1]王还枝.起重机安全技术[M ].北京:化学工业出版社,2004.[2]徐承军.基于名义应力法的港口起重机金属结构安全使用期估算[J ].武汉理工大学学报:交通科学与工程版,2007,31(2):2932295.[3]MoskvinP V .Diagnosingand forecastingtheresidual service life of welded metal structures ofbridge cranes using metal foils [J ].Russian Journal of Nondestructive Testing 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system data structure,a finding process of detailed system calls function set,and a fine grained tailoring strategy.The experiments show that it reduces the required storing space significantly when applying the proposed tailoring techniques.The effectiveness of the proposed tailoring techniques is verified.Key words:VFS;tailor;fine grain;uClinux(上接第640页)Development of Hydraulic Crane′s Safety Monitoring SystemZhu Yu1)　Xu Shunlong1)　Liu Shaohui1)　Mo Shanfeng1)　Hu Fucai2)(Marine Engineering College,Jimei University,Xiamen361021)1)(School of Energy and Power Engineering,WUT,Wuhan430063)2)AbstractFor the2ton3m hydraulic crane in the lab of marine engineering college of Jimei university,the safety monitoring hardware system is build up,which consists of pressure sensor on boom cylinder, boom luffing angle encoder,boom slewing limit switches,hook overhauled limit switch,boom luffing limit switch,multi function data acquisition board and industrial computer etc..Based on Visual Basic software,a set of crane’s condition monitoring and alarming system is programmed,the software interface is friendly and convenient.A real time monitoring and displaying for parameters of the crane,such as lifting load,working radius,and maximum lifting capacity at the radius etc.are realized.Alarm will be actuated or operation will be cutoff according to dangerous grades.Key words:crane;condition monitoring;safety system。