起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)已經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 ，結構復雜 ，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 ，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)總體方案設計

1.1 系統(tǒng)總體結構

橋式起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的工作原理設計為 ：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)絡把數(shù)據(jù)存入遠程服務器 ，相關職能部門通過網(wǎng)絡訪問遠程服務器在特點軟件系統(tǒng)中顯示各監(jiān)測對象。

1.2 黑匣子節(jié)點結構

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)的結構框圖如圖 2 所示。

1.3 系統(tǒng)解決方案設計

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、限位開關、同一軌道兩車間距等信息。其中行程開關直接通過單片機數(shù)字 I/O 口采集 ，其他數(shù)據(jù)采集需要其他輔助設備。

1）行程、限位開關采集。限位開關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品 ，型號為 QCX-M 系列。該產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。由于采用機械方式經過幾次轉換 ，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)人員和設備的管理。本系統(tǒng)設計借鑒門禁系統(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 諧振電路產生共振 ，從而使電容內有了電荷 ，在這個電容的另一端 ，接有一個單向導通的電子泵 ，將電容內的電荷送到另一個電容內儲存 ，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 ，并將卡內數(shù)據(jù)發(fā)射出去。讀卡模塊從內部引出四根線 ，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?，F(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 內嵌式 DTU 模塊 ，型號為 KB3021。