基于Labview的塔式起重机智能监控系统

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Intellectual m onitor system of tower crane based on LabviewNI Hong-sheng为了提高塔式起重机的安全性能，防范事故发生，采用虚拟仪器技术构建了新型的塔式起重机监控系统。该仪器可实时监控塔机的工作状态，在对塔机现厨行安全监控、运行记录和声光报警的同时，通过远程、高速无线数据传输，将塔机的运行工况安全数据和预警、报警信号实时发送到可视化平台，并能在报警同时自动触发手机短信向相关人员报警，从而实现实时动态远程监控、远程报警和远程告知，使得塔机的安全监控成为开放的实时动态监控。

利用数据采集单元及Labview为基础构建的塔机监控系统。其中虚拟化图形编程语言Labview功能强大，作为-个标准的数据采集和仪器控制软件，实现计算机与测试仪器的-体化；而以高性能AVR为核心的数据采集系统结构简单 ，可实现数据采集部分与数据处理过程的分离。该系统利用Labview的串行通信功能使单片机各种外围拈与工控机相结合 ，既发挥了Labview的强大功能，又降低了系统的开发成本。

Labview软件存储上传数据，并将数据上传远程服务器，通过可视化界面显示塔机的起升高度、回转角度、工作幅度、风速、起重力矩、起重量以及防碰撞、倾角、禁行区等参数，当指标异常时，进行声光报警和预警，并短信远程提醒。系统框图如图l所示。

2 单片机系统数据采集设计数据采集单元结构简单 ，主机仪表 的核心MCU选用AVR高性NaMPU的Atmega64单片机，其外设资源丰富、速度快，采用很少的外围芯片即可实现数据的采集、处理、传输功能。

重量和力矩传感器 以应变电桥方式输出电压 ，采用高精度直流放大器INA126。幅度 、高度、角度传感器采用电位器 (0～5K)，风速传感器输出为0～1000Hz的频率脉冲，采用AVR的输入捕捉实现频率计数，从而确定当前频率。

1 系统的组成及工作原理 3 Labview程序设计将高度传感器、回转传感器 、幅度传感器 、风速仪等模拟电压信号频率送2LAVR单片机，经过放大电路的放大和AD转换，完成从模拟信号到数字信号的转换。AVR将处理好的数据按照自定义通信格式通过串口传输到敦机，工控机利用1 O8 建筑机城 2013.3 半月刊系统的功能图包含以下项 目：[收稿日期 ]2012-07-09[通讯地址 ]倪红胜，杭州市下城区朝晖路175-联锦大厦A座1308室 1起重力矩曲线图；参数设置；历史数据显示；塔机动画；群塔显示及远程防碰撞、禁行区等显示；短信发送；GPRS通信；FTP远程升级。

监控系统的构成框图Labview主界面采用多页面设计，分别为数据采集 、参数设置、历史数据运行曲线、塔机动画、群塔显示 、定标操作和通讯设置。其中数据采集部分显示起重力矩特性图并可报警 ；参数设置可实时设置大量运行参数；塔机动画可显示单塔运行状态；群塔显示可表示相邻塔机相对位置，实现群塔防碰撞功能；采用越限监测可实现对塔机各越限进行人声报警，避免单调的蜂鸣器声。监控系统的主界面如图2所示。

- 譬蹩设置 l 敬据I l舅! 委 塞孽 孽 曼 曼 童： 蔓三童. 量量 三 三 三- 。童～ ～～ ～～～-- ～～-～重量报馨i重量报警2重量报警0 8 矩 90力疆 1口口力矩 l25劝 矩 褒幅慨限 鬻幅高8品 角度低跟 角度商8艮 离壤高限 高度f郫日 风速报警 碰擅报警 巢幸亍区报警豢 ◇ 豢 豢 豢 豢 豢 豢图2 监控系统主界面图其中起重力矩特性图是塔机运行状态重要指 (Qq)(尺-r)常数示图，表示起重小车吊钩在各个幅度下所能吊起的 式中 Q--幅度为硎寸所对应的额定起重量；重量。塔式起重机的起重性能特性方程如下： r 吊具系统重量；CONSTRUCTION MACHINERY 2013，3 1 O9控制技术l c H 。GY幅度 ；吊臂根部铰点到回转中心距离。

对于弓板式力矩限制器 ，设计时是使其安装部位杆件的应变在各种额定起重工况下为常数。据此绘制的起重力矩特性曲线界面图如图2中所示。

塔机监控系统的参数设置和历史数据均保存在本地工控机SQL Sever数据库上，设备开机后，首先与远程服务器建立连接，开始发送保存在设备端的历史数据。设备收到远程服务器端注册请求应答后，把塔机的基本参数和静态参数发送给服务器，然后服务器发送设备校时，请求设备时钟同步。

初始化l 否图3 GPRS发送流程图11O 建筑机械 20 3 3 l 半月刊1(3)参数设置。

参数设置可将塔机的各种基本参数如塔机型号、起重臂长、平衡臂长、塔顶高、塔身高、塔机所在工地名称、塔机在工地的纵横坐标值、各级报警值和标定值、禁行区值在界面进行设置。设置成功后写入到本地SQL Server据库内，并可直接在界面上 (见图4)观察各参数值是否有异常。

数据采集单元采集的模拟数据通过串口传到工控机以后，结合本机的标定设置计算塔机的起升高度、回转角度 、幅度 、风速、起重力矩 、起重量，以及防碰撞的倾角、禁行区等参数，并将其发送到远程平台。并全部保存在本地SQL Server据库。未发送成功的数据作标记以便以后继续发送。

通过界面可以查看这些保存在本地的数据。需要时可以容易地复现塔机的运行状态。为防止数据量过大，影响机器运行效率，在SQL Server上建立定时作业，定时删除超过-定范围的历史数据。

塔机动画显示页面 (见图5)能即时显示塔机当前幅度 、起升高度 、回转角度 ，并直观地反映出来。

系统具有单塔禁行区和群塔防碰撞功能。在参数设置里可设置8个禁行区←行区属性参数分为3种：0是指吊臂可以进入禁行区，小车不可进入禁行区；1是指吊臂和小车均不可进入禁行区；其它参数都指此禁行区无效 ，即不考虑此禁行区。

对于群塔防碰撞，根据国标GB/T 5031-2008《塔式起重机》附录B工作空间-防碰撞/分区装置的规定，不同塔机运行中发生碰字为：①对于本塔机是高塔、相邻低塔平衡臂与臂架处于本塔钢丝绳预警/报警区间时，发出预警或报警信号；②对于本塔机是低塔、相邻高塔的钢丝绳和塔身处于本塔的吊臂/平衡臂的预/报警区间时，发出预警或报警信号；③对于本塔机的塔身与相邻塔机塔顶处于基本相平状态时，相邻塔机的吊臂和平衡臂处于本塔预，手艮警区间时，发出预警或报警信号。

图4 塔机参数设置界面图图5 塔机动 画显示界 面系统中本塔机与周围群塔之间采用Zigbee技术 合的进行防碰撞判断运算。由于防碰撞运算牵涉到进行通讯。Zigbee是-种基于1EEE802.15.4无线标 大量三角函数运算 ，为提高系统运行效率 ，本系准开发的有关组网安全应用方面的技术，是-种 统采用Visual c将防碰撞算法封装fDLL内，由近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双 labview调用。如果塔机的预警/报警区域内有其它向无线通讯技术。主要用于距离短 、功耗低且传 塔机出现，则触发预警和报警功能。

输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以 (7)短信发送。

及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间 本系统可选配短信发送功能，为节省费用，数据的传输。各个塔机通过串行口或其它通讯口分 短信发送最初是选择共用GPRS拈，由Labview按别与Zigbee拈进行有线连接通信。各塔机的参数 照sMs的PDU方式通过AT指令发送短信。这样可如塔身高、塔顶高、臂架长、平衡臂长、回转角 节省-个通信拈成本 (约300元)，缺点是GPRS度、工地位置X、埔寰纵坐标等数据，通过Zigbee模 拈需频繁地在短信模式和数据模式问切换，并且块转化为通讯协议，传递给邻近塔机，本塔机收到 发短信时需AT应答，同时传送数据会影响效率。

数据后，与机内储存的防碰撞塔机ID相比对，符 图6示例选用Wavecom公司的短信猫拈，编CONSTRUCTION MACHINERY 2013 3 1 1 1控制技术I c。 。 cH 。GY程利用该公司提供的sms.dl，可简单地进行短信发送。

l · 月 1 《 # ， Ij L I 1I工 f 2 1O 目 g 日t 1 n E自日 II强 l I - L- F HJ l 蛊压圃 - - - - 旺翻 I . - -- 茧 厂-f目# ＆∞I I魁盟 ＆ 盟 l童皇 堡兰i I 墨 》 l圈 。 习圆 堂重担 l inert into me q ]nfn ， . ， g HI n - 勖 圆 - 固 - n 1r-～ ] l 压 - l 蘑蠢重勐 暖 Ⅲ- 茁JI1霜 嚣 -图6 短信发送拈短信发送时需要注意的是当出现异常时，例如塔机起吊重物时常有瞬时超重，需确认是否需要短信通知。为了防止频繁短信报警，设定相同的报警信息在lOmin之内不发送，在程序里作了相应处置。

短信均保存在本地SQL Server数据库里，并设置了相应群，以便进行群发操作。

本系统同时可以进行远程升级。由于某种原因，系统在使用当中需要修改或增加新功能，而系统分散在各个工地时，逐台进行升级会带来巨额维护费用，为此系统设置了远程升级功能，只需将工控机网口接人Internet，就可随时远程下载新程序进行升级。

4 总结本系统的特点是充分利用价格低廉 、技术成熟的单片机技术替代价格昂贵的数据采集卡，同时又利用Labview强大的计算图形显示功能，各取所长、相得益彰，系统功能完备，较好地满足了实际生产要求。

今后需改进之处有：(1)随着视频越来越广泛的应用，可利用工控机功能进行视频实时传输保存和重放。

(2)塔机动画也可利用保存在数据库里的历史数据，在指定时问段内再现历史塔机运行轨迹。

(3)可统计塔机起吊作业状态，估计塔机的使用寿命，并及时提醒检测。与目前塔机无论是否使用或使用状况不同，都按规定间隔时间进行检测的状况相比，增加了科学依据。