起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)已經(jīng)在塔式起重機和門座式起重機上應用 ，但是應用于橋式起重機的安全監(jiān)控管理系統(tǒng)還很少。另外黑匣子作為多信息采集記錄儀已經(jīng)成熟發(fā)展，飛行器、輪船、汽車都開發(fā)出其相應黑匣子 ，并廣泛應用。但是飛行器和船用黑匣子監(jiān)測參數(shù)眾多 ，結(jié)構(gòu)復雜 ，成本很高 ，而且起重機黑匣子的極限工作環(huán)境遠遠不會達到以上兩種黑匣子的要求 ，因此起重機用戶不會采用飛行器和船舶用黑匣子。汽車黑匣子技術(shù) ，在我國還不成熟 ，而且汽車黑匣子偏重于監(jiān)測汽車的行駛路線與周圍車距 ，不適合用在橋式起重機上。因此開發(fā)一款橋式起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)非常有意義。

橋式起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

橋式起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的工作原理設(shè)計為 ：通過各種傳感器采集橋式起重機的運行參數(shù)和人員信息 ，匯聚到黑匣子節(jié)點 ，黑匣子節(jié)點再通過 GPRS_DTU 模塊把數(shù)據(jù)發(fā)送到基站 ，基站通過網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)存入遠程服務(wù)器 ，相關(guān)職能部門通過網(wǎng)絡(luò)訪問遠程服務(wù)器在特點軟件系統(tǒng)中顯示各監(jiān)測對象。

1.2 黑匣子節(jié)點結(jié)構(gòu)

橋式起重機黑匣子硬件按照功能可以分為 ：外殼保護單元、單片機、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)通訊模塊、數(shù)據(jù)儲存模塊、實時時鐘模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、電源模塊等幾個部分。橋機黑匣子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 2 所示。

1.3 系統(tǒng)解決方案設(shè)計

1.3.1 主控芯片的選擇

由于監(jiān)測數(shù)據(jù)種類較少 ，目前起重機的安全監(jiān)測管理系統(tǒng)一般是采用 51 單片機 ，此類單片機應用比較廣泛 ，價格相對較低 ，發(fā)展也已成熟。

1.3.2 黑匣子節(jié)點采集方案選擇

橋式起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)黑匣子節(jié)點需要采集起重量、起升高度、行程開關(guān)、限位開關(guān)、同一軌道兩車間距等信息。其中行程開關(guān)直接通過單片機數(shù)字 I/O 口采集 ，其他數(shù)據(jù)采集需要其他輔助設(shè)備。

1）行程、限位開關(guān)采集。限位開關(guān)的信號接入有兩種方式。方式一 ：橋式起重機限位器一般同時有常開和常閉兩對觸點 ，其中常閉觸點接入起重機控制電路 ，控制電機電源。常開觸點一般是空置的 ，I/O 量采集模塊可以利用通過監(jiān)控這個空置的常開觸點狀態(tài)反映限位器的狀態(tài)。方式二 ：橋式起重機械限位器的常閉觸點接入控制電路。通過在控制電路限位各開關(guān)觸點位置串入 220 V 繼電器的線包 ，然后通過監(jiān)測繼電器開關(guān)狀態(tài)得出限位器的狀態(tài)。方式一完全獨立于橋式起重機的控制電路 ，簡單可靠 ，但由于不同限位器遍布橋式起重機各個部位 ，需要進行長距離的布線。方式二需要在原控制電路中串接繼電器 ，降低了系統(tǒng)的可靠性 ，但由于位器接入控制電路的位置相對集中 ，需要布線很少 

2）起重量信息采集。本系統(tǒng)的起重載荷值直接從橋式起重機械標配中的起重量限制器中獲取。其精度一般小于 5%。試驗用的橋式起重機配置的載荷限制器為浙江常州某廠家的產(chǎn)品 ，型號為 QCX-M 系列。該產(chǎn)品具有實時重量顯示、零點自動跟蹤、儲存超載次數(shù)等功能。同時提供 4-20 mA、RS485 等接口。

3）起升高度信息采集。絕對式編碼器 / 電位器這種方法一般用于測量旋轉(zhuǎn)物體的角位移 ；雖然高度并非角位移 ，但是只需測量卷筒的角位移和其直徑就可以計算出線位移。只是以上方法的局限是 ：角位移的測量范圍有限 ，僅限于一圈（360°），實際情況中卷筒的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)范圍絕對不止一圈。因此卷筒軸必須外接減速器 ，是所測量限制在一圈以內(nèi)。由于采用機械方式經(jīng)過幾次轉(zhuǎn)換 ，而且再加上電位器本身就具有非線性 ，測量的精度會受很大影響。同時該方法也有優(yōu)點 ，就是只要開始位置（即為零點）確定 ，不管測試系統(tǒng)在什么時候停機 ，重啟后 ，所讀取的數(shù)據(jù)都可以準確確定起重機吊鉤的位移量。以上兩種傳感器的不同之處就是 ：前者的輸出的是數(shù)字信號 ，而后者輸出的是電壓或電流模擬信號。系統(tǒng)中應用絕對式多圈光電編碼器測量起升高度。本設(shè)計中選用 GAX60 R13/12 E10 LB 編碼器。其輸出 RS485 信號 ，易于讀取。編碼器設(shè)置成主動模式時 ，主動向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)。

4）兩車間距信息采集。本系統(tǒng)選擇超聲波測距。超聲波測距模塊原理圖如圖 4 所示 ，模塊包括固有頻率正反饋發(fā)生器電路、換能器、線性電路（前置放大 ，噪音過濾 ，線性放大 ，整形電路）、單片機等部分。本采集模塊設(shè)計時 ，單片機通過對 40 kHz 方波發(fā)生電路的控制實現(xiàn)對發(fā)射的控制。單片機的 P1.0 口以 6 個脈沖的序列發(fā)射信號再經(jīng)過超聲波發(fā)射電路放大 ，單片機程序是通過延時函數(shù)實現(xiàn)的。脈沖發(fā)射同時打開定時器 T0 開始計時 ，發(fā)射后等待1 ms（主要目的是消除余波干擾 ，同時會導致測量盲區(qū)），打開外部中斷 INT0，等待回波反射到接收探頭。

5）人員信息采集模塊。橋式起重機械操作人員信息的采集，主要是為了實現(xiàn)人員和設(shè)備的管理。本系統(tǒng)設(shè)計借鑒門禁系統(tǒng)的功能。讀寫器向 IC 卡發(fā)一組固定頻率的電磁波后 ，卡片內(nèi)部的LC 串聯(lián)諧振電路的頻率與讀寫器發(fā)射的頻率相同 ，在該電磁波的激勵下 ，LC 諧振電路產(chǎn)生共振 ，從而使電容內(nèi)有了電荷 ，在這個電容的另一端 ，接有一個單向?qū)ǖ碾娮颖?，將電容內(nèi)的電荷送到另一個電容內(nèi)儲存 ，當所積累的電荷達到 2 V 時 ，此電容可作為電源為其他電路提供工作電壓 ，并將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去。讀卡模塊從內(nèi)部引出四根線 ，這四根線分別表示電源線、地線、數(shù)據(jù)線 0、數(shù)據(jù)線 1。每次讀卡時 ，如從 0 號數(shù)據(jù)線讀到一個低電平 ，則信號記為 0，反之 ，從 1 號數(shù)據(jù)線讀到一個低電平，則信號記為1，每兩個信號的間隔大約為2.6 ms。硬件實現(xiàn)時，首先可用查詢方式確定第一個信號 ，而后用定時器定時 2.6 ms再讀其中任一根數(shù)據(jù)線 ，這時兩線上至少有一根數(shù)據(jù)線出現(xiàn)信號。因此這種方法很容易實現(xiàn) ，只是在讀第一個信號時 ，系統(tǒng)可能陷入不斷的查詢中。

6）數(shù)據(jù)儲存模塊。本系統(tǒng)設(shè)計的數(shù)據(jù)存儲功能 ，可以實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)存儲 ，用于信息的保存與歷史數(shù)據(jù)的分析。現(xiàn)場黑匣子主要應用于安全數(shù)據(jù)的保障存儲 ，根據(jù)實際需要保存近期 7天的安全數(shù)據(jù) ，一旦數(shù)據(jù)達到一定數(shù)量 ，能夠自動覆蓋遠些日期的數(shù)據(jù)。一般起重機監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的現(xiàn)場存儲采用專用的存儲裝置（如硬盤等），對基站節(jié)點的要求很高，節(jié)點價格將比較昂貴，不適用推廣。本系統(tǒng)研究了基于存儲卡的現(xiàn)場存儲方式 ，其中 SD 卡以其高存儲容量、快速的讀取速度、極大的移動靈活性以及很好的安全性成為本系統(tǒng)的選擇。同時為了使其在 Windows 操作系統(tǒng)可以識別 ，系統(tǒng)在 SD 卡中建立了 FAT16 格式的文件 ，同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)的定期自動覆蓋。

7）實時時鐘模塊。橋式起重機每天工作后都要斷電 ，斷電后沒有任何措施保證單片機內(nèi)部時鐘芯片的時間增量器正常工作 ，對于監(jiān)測起重機運行參數(shù)來說是行不通的 ，因此需要選擇外部時鐘芯片 ，該芯片必須具有掉電檢測功能并且提供備用電源。經(jīng)過多方測試 ，PhiliPs 公司的 PCF8563 實時時鐘芯片是滿足要求的。該芯片平時用主機電源供電 ，可利用紐扣電池作為后備電源 ，掉電后 ，能正常計時。

8）數(shù)據(jù)上傳模塊。橋式起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)系統(tǒng)選用深圳市某科技有限公司的GPRS 內(nèi)嵌式 DTU 模塊 ，型號為 KB3021。