关于塔式起重机的美文

刘立国陕西建设机械股份有限公司 西安 710200

摘 要：设计了一种基于DSP 处理器+CAN 总线的塔式起重机防碰撞系统，该系统通过传感器对障碍物的静态和动态信息采集，经DSP 处理器的AD 接口可实现各子系统的运行状况并发出预警；通过利用CAN 总线实现各塔式起重机之间与主控制系统和信息互换，有效的实现预防塔式起重机之间的碰撞。

关键词：塔式起重机；DSP；CAN 总线；防碰撞

中图分类号：TH213.3 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）07-0072-03

0 引言塔式起重机（以下简称塔机）能准确将建筑设备和建筑物材料吊运到大臂工作的圆形范围内的建筑工地对应的位置，其运行速度快，作业效率高，工作强度大，对减轻工人劳动强度起到积极的作用。近年来，我国建筑房地产、建筑事业的飞速发展，这给塔机带来了蓬勃生机，其销量日益增加。在实际工况中，为了提高施工效率，常常是多台塔机近距离的协同作业，加之施工现场本身已有的高楼、树木、街道或其他影响施工的障碍物，存在多台塔机之间的运行引起碰撞，者碰撞到周围障碍物的事故风险，严重威胁到人身安全。

在塔机的防碰撞工作方面，国外起步较早，德国塔机采用激光装置、超声波传感器实现群塔之间的防碰撞。英国则采用近场感应系统，这对塔机之间的相互碰撞起到了一定的预防作用。法国则使用电脑模拟施工现场的方式实现塔机的防碰撞。国内对于群塔的防碰撞研究工作起步较晚，还远落后于国外。近年来国家出台新规，强制要求塔机投入使用时须具备机械限制器，用以限制塔机运行过程中的吊重、力矩、高度、行程以及幅度等，并定时检测机械限制器的性能，保证其可靠性。因此，设计出一套全面可靠的塔机防碰撞系统，指导系统监测塔机的运行状态来保障塔机安全有序的运行，已成为一个亟待解决的问题。

1 塔机防碰撞子系统的设计1.1 塔机碰撞形式塔机碰撞主要有以下形式：1）塔机与周围建筑物之间的碰撞；2）塔机与高压线之间的碰撞；3）等高塔机之间大臂与大臂之间的碰撞；4）高位塔机与低位塔机之间起升重物及钢丝绳之间的碰撞。以上发生的被碰撞体可统称为障碍物。

在塔机运行过程中需要各种传感器扫描出各障碍物及运行过程中各塔机的运行状态，有效合理的指导各塔机的运动状态从而避免碰撞。

1.2 塔机子控制系统控制器是塔机控制系统的核心，其功能对整个塔机的运行起着至关重要的作用。国外某公司专门针对电机控制领域设计了C2000 系列控制器，在电机驱动中具有广泛应用，该系列芯片体积小、功耗低、计算能力与信号处理能力强的特点，具有AD 转换、PWM 输出、CAN 总线、QEP 等用以控制电机的接口。该系列芯片开发应用简单，功能齐全，可适用于塔机防碰撞系统。该控制器通过对塔机状态的实时检测和与其他控制器的信息交互，判断相对位置及碰撞关系，继而判定是否报警或自动断电保护，进而有效解决塔式起重机安全保护的问题。单个塔机的驱动控制监控系统框图如图1 所示，由图1 可知单个塔机防碰撞系统主要包括以下几部分：1）DSP 驱动控制模块DSP 驱动控制模块为整个塔机的驱动控制系统硬件的核心，其中的PWM 发出相位相反的信息，驱动智能功率模块，从而控制塔机的电机。DSP 处理器与IPM逆变器之间使用光耦隔离器隔离弱电和强电，避免由于逆变器损坏导致DSP 处理器损坏的情况发生。2）CAN 信息传递模块CAN 信息传递模块主要负责收集塔机位置信息，与其它塔机子系统及主控制系统进行防碰撞信息交换，通过对各子系统静态和静态防碰撞信息的监控发出预警、控制信号，并通过分析处理发出系统控制策略。3）AD 转换模块由于塔机防碰撞系统需要全面的传感器信息， DSP处理器的AD 转换接口可对各传感器采集数据实时处理，简化了AD 转换电路。AD 转换模块主要通过收集塔机吊钩高度信息、幅度信息、质量信息、倾角信息及外界风速信息等，并经AD 转换后，直接由DSP 处理器处理。这些信息经由CAN 总线将塔机实时信息传递出去，供各子系统与主监控系统使用，计算各预警信息。4)QEP 模块QEP 模块可以方便的将塔机的回转编码器信息直接处理，直接设置QEP 寄存器即可实现编码器TTL 电平的4 倍频，大大简化了回转信息的计算。

图 1 塔机子驱动控制信息采集框图

在一般的控制系统中，大部分塔机都采用集中控制模式，为每台塔机安装一个子控制器，群塔设置一个主控制器，该控制方式属于主从模式，子控制器都单独与主控制之间通信，不与其他的子控制器之间进行通信。整个监控系统完全依赖于主控制器，一旦传输的数据量太过复杂，可能导致整个控制系统的瘫痪，对随机性要求高的场合不适用。CAN 总线控制模式属于一种支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，在可靠性、实时性和灵活性方面优于一般通信网络。根据CAN 总线上的任意节点可在任意时刻主动向网络上其他节点发送消息，优先级的设定可满足不同的实时要求，传输距离远，传输节点多，可实现点对点、一点对多点及全局广播，满足大型建筑施工现场作业。鉴于此，本系统设计了一种CAN 总线的分布式控制系统，如图2 所示，分布式控制方式使各个塔机有独立的控制监控系统，各塔机之间通过各自的子控制系统也可实现通信，根据周围塔机工作的情况调整自己的防碰撞策略，即使其中一台的控制系统出现问题，其他子系统可实时调整自己的放碰撞策略，对整个系统不会有影响。其中的模块0 主要担负完成上位机和CAN 总线的接口，对其他节点传来的数据进行缓存的任务，同时负责协调上位机与各个节点的通信，确保各节点的监控数据能够快速、准确的传给上位机。

图 2 CAN 总线防碰撞实现总框图

由于所选用的DSP 处理器自身具有CAN总线功能，非常适用于塔机防碰撞安全监控系统。DSP 处理器通过各传感器对自身塔机的状态参数进行监测，将检测到的信息实时传送回主监控制，从而获得防碰撞系统信息，实时计算塔机间距离，判断是否会发生碰撞以及自身塔机的安全状态，从而判定系统是否发出报警或者输出控制信号给继电器等逻辑器件，实现对塔机的变幅、回转、提升等运动的控制，并且将相关信息通过CAN 总线传送到主监控室及各塔机的子控制监控系统。

3 结语本文为解决施工时群塔的碰撞问题，设计了一种基于DSP 处理器+CAN 总线的分布式塔机监控系统。通过控制采集单台塔机静态和动态信息与子系统和主控制系统之间进行数据交换，可实现单台塔机之间和塔机及障碍物之间的防碰撞危险。该设计充分利用DSP 处理器自身的优势，既能实现对塔机的电机控制，又能利用其固有的AD 转换采集各传感器信息，并通过自身的CAN 总线实现数据交换，不仅可以实现群塔之间的碰撞预警，同时降低了群塔之间的监控控制成本。

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