引言
塔式起重機大規(guī)模應用于工程建設中，我國每年都會發(fā)生 多起塔機倒塌事故?。為了防止重大事故的發(fā)生，保證塔機運 行安全可靠，減少因事故造成的人員和經濟損失，非常有必要 開發(fā)一套可靠性和實時性高、功能強大、成本低的安全監(jiān)控系 統(tǒng)?？刂破骶钟蚓WCAN(ControllerAreaNetwork)總線是一種有 效支持分布式實時控制的串行通信網絡。CAN總線由于具有 傳輸距離長、報文短、通信速率高、出錯率低、糾錯能力強、實時 性和可靠性高、控制簡單等優(yōu)點j，被廣泛應用于自動化控制 系統(tǒng)中。基于CAN總線的塔機安全監(jiān)控系統(tǒng)可以很好的滿足 上述要求。

系統(tǒng)網絡拓撲采用總線型拓撲。這種結構優(yōu)點是采用單 一 信道作為傳輸介質，所需電纜長度短，布線容易，工作的可靠 性高，增加和減少節(jié)點都很方便。

一 、塔機安全監(jiān)控系統(tǒng)設計
1．1監(jiān)控系統(tǒng)整體結構設計
塔機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)主要由HMI、CAN總線、數據采集模塊和繼電器 模塊組成，系統(tǒng)結構如圖1所示。系統(tǒng)數據采集模塊有起重量 檢測模塊、幅度檢測模塊、高度檢測模塊和角度檢測模塊。HMI 通過CAN接口將系統(tǒng)初始參數(起重零點和參考載重校準信 號、最小幅度和最大幅度校準信號、起升高度零點和起升標準 高度校準信號、回轉角度零點校準信號)發(fā)送到CAN總線上， 各數據采集模塊通過判斷接收保存需要的參數。傳感器檢測 塔機運行時的工作參數：起吊重量、小車行走幅度、重物提升高 度和臂架回轉角度，各個數據采集模塊的MCU將檢測到的數 據處理后通過CAN接口實時發(fā)送到CAN總線上，HMI通過 CAN接口接收數據采集模塊發(fā)送到CAN總線上的數據，并通 過硬件和軟件編程方式對接收到的現場數據進行顯示、存儲、 比較報警處理。

塔機安全監(jiān)控系統(tǒng)主要功能：
(1)實時檢測功能，實時監(jiān)測塔機運行時的各狀態(tài)參數。
(2)實時顯示功能，實時顯示塔機運行時的工作參數值。
(3)報警和自動斷電停機功能，系統(tǒng)識別塔機的運行狀態(tài) 后，做出相應的處理。當塔機運行時的狀態(tài)參數值超過其設定 的極限值時，系統(tǒng)報警并斷電停止塔機工作。
(4)參數設定功能，由于不同型號塔機具有不同的固定參 數，可通過按鍵實現系統(tǒng)參數的修改設置，提高系統(tǒng)的通用性。
(5)數據存儲功能，記錄塔機工作參數，作為分析事故原因 的原始數據以及塔機工作損耗的參考。

1．2硬件電路設計
該監(jiān)控系統(tǒng)硬件主要有單片機STC89C516、液晶顯示器 CA320240B、CAN接口、CAN總線、A／D轉換芯片、U盤及U盤 接口芯片等。系統(tǒng)以STC89C516為核心，實現對塔機運行過程 狀態(tài)的監(jiān)控、顯示、記錄和報警。系統(tǒng)模塊有人機界面模塊、數 據采集模塊和繼電器模塊。數據采集模塊共有4個部分：起重 量檢測模塊、幅度檢測模塊、高度檢測模塊和角度檢測模塊，完 成基本的模擬量和數字量的采集及CAN總線的通信功能。

1．2．1CAN總線
CAN總線是一種性價比非常高的現場總線，與一般的通信 總線相比，它的數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活 性J。主要技術特點有：多主方式；節(jié)點分成不同的優(yōu)先級，可 滿足不同的實時要求；采用非破壞總線仲裁技術；極好的檢錯 效果；通信距離最長lOkm，速率最高達1Mbps．CAN總線上任 意2個節(jié)點之間的最大傳輸距離與其位速率的關系 塔機上的通信距離一般就幾十m長，CAN總線完全可以 滿足要求，結合塔機工作的實際情況，選擇最高通信速率1Mb- ps·

1．2．2CAN接口電路設計
CAN接口主要由CAN控制器SJA1000和CAN收發(fā)器 TJA1050組成。CAN控制器SJA1000支持CAN2．0A和 CAN2．0B協(xié)議，可以支持11位、29位標識碼，具有很強的擴展 性。CAN收發(fā)器TJA1050是CAN控制器與物理總線之間的接 口芯片，支持對CAN總線的差動發(fā)送和接收功能。它的電磁 抗干擾EMI性極高，且與ISO11898標準完全兼容。CAN總線 接口是數據采集模塊和上位機通信的模塊，如圖2所示。 SJA1000與單片機的引腳連接如圖所示。TJA1050的引腳8 (S)用于選定收發(fā)器的工作模式，引腳接地表示TJA1050進入 高速模式。收發(fā)器和總線的接口部分必須要加保護防干擾電 路，和魄為CAN匹配電阻，電容C具有退藕作用，c3和c4 起濾波作用。

1．2．3起重量數據采集模塊硬件電路設計
塔機的工作環(huán)境惡劣，周圍各種干擾較為嚴重，系統(tǒng)的抗 干擾能力、可靠性、通用性和靈活性要強，根據CAN通信模塊 加上不同外部電路，電源電壓調節(jié)電路人機接口輸入電路等。 模塊的電路結構如圖3。 重量檢測模塊傳感器采用DEE系列稱重傳感器，為了提高 測量的準確性，根據實際情況不同噸位的塔機應采用不同量程 的傳感器。A／D轉換采用16位高精度串行模數轉換器 CS5523，該芯片內集成了1個儀表放大器、1個可編程增益放大 器、多路開關、數字濾波器、自校正和系統(tǒng)校正電路。通過簡單 的串行連接，MCU可方便地控制CS5523,實現多通道高精度的A/D轉換。 傳感器將檢測到的信號，經A/D轉換器處理將模擬信號轉換成數字信號輸入MCU，MCU進一步處理數據，在程序中計算當前重量以及當 前重量占總重量的百分比。電路中單片機的外部中斷信息由SJA1000的內部寄存器，提取數據確定具體的中斷事件，并做出下應的反 饋。

1.2.4 其它數據采集模塊電路設計
其它數據采集模塊和角度檢測模塊的檢測工作原理完全相同。在塔機幅度、高度和角度限制器的伸出軕上加一塊一半是N極一 半是S極的圓形磁鐵，當塔機工作時磁鐵和軸一起旋轉，利用磁鐵轉極性的變化檢測出小車牽引器機、卷楊機和塔臂轉過的圈數，在 程序中計算出幅度、高度和角度。硬件原理框如圖4所示

1.2.5人機界面硬件電路設計
圖5為人機界面原理框圖，液晶顯示器CA320240B使用功能強大的S1D13305作為控制器。內部固化160種5*7點陳的字符，具有文本和圖 形混合顯示功能，系統(tǒng)采用Inte8080時序。 顯示器實時顯示塔機工作時的力矩、重量、幅度、高度和角度數值，并圖形顯示塔機起重機特性圖和當前工作點的位置。圖6為塔機 起重特性圖，圖中陰影部分為塔機安全工作區(qū)域，正常工作點必須處于陰影區(qū)域內，當工作點超過最大力矩的80%時系統(tǒng)給出預警信 號（黃色LED燈亮報警），超過100%發(fā)出報警信號（紅色LED燈亮和蜂鳴器報警），同時對繼電影模塊動作止電動工作。 系統(tǒng)采用大容量8GU盤存儲數據，存儲內容為塔機每次開作的年份、日期、開始時間、結束時間、開始高度、結束高度、開始角度、 最大力矩和警告。當發(fā)生安全事故或需要評估塔機的使用壽命時，可導出數據進行分析。