塔吊动态平衡监控系统的设计的毕业设计(编辑修改稿)

塔吊动态平衡监控系统的设计的毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

当前塔机的工作状态。 (3) 系统高度集成化 采用集中分布式的基本结构，以高性能的计算机系统做中央控制单元，将运行控制系统、自诊断监控系统、安全监控系统进行集成。 以高性能的计算机系统第 1 章 绪论 6 做中央控制单元，实行运行状态监控、故 障信息的显示与存储并报警、监视各个智能监控单元的工作状态，智能监控单元之间相互监控，并将获得的参数信息通过总线技术传送到中央控制单元。 中央智能控制单元可以由单片机、 PLC、 DSP 等处理器组成，提高了系统的整体性能也降低了系统的开发成本。 课题主要研究内容 (1) 监控系统方案设计。 塔机监控参数的多样性决定了监控系统是一个集信息采集、处理、存储和管理为一体的系统。 选择合适精度的传感器，精确采集所需要监测的信息，保证监控系统能够达到所预期的检测目的。 (2) 监控系统硬件电路设计。 在监控系统方案 的基础上，设计合理的各模块硬件电路。 (3) 监控系统软件设计。 监控软件部分是控制器的重要组成部分，担负着控制器的全部逻辑运算、 I/O 控制、人机交互任务。 软件运行效率、时实性、交互性直接决定了整个监控系统的性能优劣。 本文根据监控系统的需要和硬件电路设计了相关软件。 论文解决的问题 (1) 实时计算并显示塔机的状态参数 ,以实现对塔机的实时监测。 (2) 适应塔机复杂作业环境的信号采集系统的研究与设计。 (3) 提高监测系统可靠性和抗干扰能力。 理工学院毕业设计（论文） 7 第 2 章系统总体方案设计 监控方案设计 监控系统信息处理单 元分析 随着现代化建设速度加快，各种高层、超高层建筑不断涌现，塔机的工作环境变得复杂多样。 这便要求塔机监控系统能够能够快速、准确、实时地处理现场复杂多变的数据，以确保塔机各个环节能够有效、安全地运行。 在整个塔机监控系统中信息处理单元扮演着十分重要的角色，是整个监控系统成功与否的决定性因素。 信息处理单元不仅要及时收集各个传感器所采集来的塔机实时运行状态信息，还要按需对其进行一系列的分析、处理和记录，并且还要反馈给系统的输出接口，从而控制整个塔机的运行状态。 在深入了解塔式起重机结构、运行机构的工作原理，综合国内 外塔式起重机监控系统和国内相关产品的现状，兼顾性价比，最终确定本次所研究的塔机平衡监控系统要求能够实时 监测 塔机倾角 、起重重量、小车幅度以及起重力矩 等参数。 在目前，国内塔机监控系统采用的信息处理单元有主要由以下几个解决方案： (1)以单片机为中央处理核心。 目前国内的单片机应用技术已经成熟，其成本相对较低，在工业领域应用十分广阔。 单片机系统具有体积小、便携性能好、功耗低、使用者众多等优点。 目前的单片器在芯片上集成了更多的功能 ,例如如先进的A/D 接口、数字信息处理功能以及灵巧的电源功能等。 随着最新的亚微米 CMOS工艺技术运用于单片机上，单片机的运算速度有了很大的提高。 (2)以工业控制计算机为中央处理核心。 工控机在主机接口、网络通讯、软件兼容性以及软件升级等方面都遵守开放性原则。 这有利于系统扩充、不同系统之间的连接、软件的移植和互换。 其可靠性比较高，对环境的适应能力比较强，实时性也比较好。 其后备措施比较齐全，拥有后备供电、存储器信息保护、手动 /自动操作、紧急事故切换装置等。 但是工控机的体积比较大，不易于携带，功耗高。 而且运用于塔机监控也不太可能将庞大的工控机放在塔机操控室。 (3)以 PLC 为中央处理核心。 PLC 是一种数字运算操作的电子系统。 其采用大规模集成电路技术，在加上严格的生产工艺制造，使其具有很高的可靠性、抗干扰能力、配置灵活、编程简单一、使用比较方便、易于扩展等优点。 但是 PLC 体系比较封闭，没有一个统一的标准。 这也使得不同生产厂家所生产的 PLC 硬件体第 2 章系统总体方案设计 8 系互不兼容，编程语言及指令系统也各不相同，其通用性差，可扩展性差，不利于塔机监控系统的拓展。 总上所述 ,由于系统的开发要求 ,同时又考虑到目前开发能力。 本文采用了单片机为中心处理器的方式来开发塔机监测系统。 监控结构系统化设计 塔机平衡监控系统集结 了单片机、传感器、传 输反馈模块，各块协同配合，共同完成。 对塔机工作的起升、小车变幅进行 实时跟踪反馈，从最大限度上保障塔机的安全工作。 设计的基本原理为：将传感器（称重传感器、力矩限制器、角度传感器等 )采集的塔机实时信息先进行信号放大，再将放大后的信号经过 A/D 转换成数字信号，送入单片机进行分析、运算、处理和存储。 然后通过 LCD 显示屏将相关的信息显示出来。 另一方面，单片机将处理后的数据与系统内部中预先设定的重量、角度、小车幅度、起重力矩等数值进行比较，当达到或超过预设的数值时发出报警，并且输出相应的控制信号， 断开塔机向危险方向的控制电路，从而达到安全保护的目的。 塔机监控系统传感器设计 倾角传感器的设计 塔机在工作中会受到吊重的影响以及在有风的情况下会发生轻微的倾斜 ,如果不了解塔机的倾斜角 ,就可能在倾斜角过大的情况下发生塔机倒塌的严重事故。 在本次塔机平衡监控系统设计中 ,设计了倾角传感器。 本系统中选用的是北京天海科科技发展有限公司的 QXJ2BZA 型磁敏倾斜角传感器，对倾角的测量从 X 轴和Y 轴两个方向进行。 QXJ2BZA 型磁敏倾斜角传感器是一种高精度的二维倾角传感器。 它采用高性能半导 体磁敏电阻作为其敏感元件（简称为 MR 元件），当外界磁场变化时，它的阻值会产生数倍的变化。 为了使 MR 元件能够充分感应外界磁通量的变化 ,传感器采用自动摆来带动永磁体来转动，将 MR 元件与永磁体之间产生的相对角度的变化转变成电阻阻值的变化 ,再通过信号变换电路将塔机的倾斜角转换成 4~20mA标准电流信号输出。 其接线方式为 :红色线接电源正极，黑色线接电源负极，黄色线接 X 输出信号，蓝色线接 Y 输出信号。 具体参数指标如表 21 所示。 理工学院毕业设计（论文） 9 磁敏倾斜角传感器水平安装在塔机塔帽顶端。 在安装之前，应确定水平位置，即调整被测平面 ,使传感器 X、 Y 方向两路输出信号都是 12mA (3V)。 被测塔机倾斜角度的旋转轴应该垂直于传感器底座上的直线边。 表 21QXJ2BZA 型磁敏倾斜角传感器技术参数 产品型号 QXJBZA 参数名称 测试条件 参数值 单位 最小 典型 最大 电源电压 VCC 8 12 24 V 消耗电流 IS 50 MA 存储温度 TS 55 125 ℃ 使用温度 TA 40 85 ℃ 中点输出 X 、 Y轴 VO MA 满度输出 X 、 Y轴 FS RL250Ω MA 负载阻抗 RL 0 250 Ω 中点温漂 177。 % FS 满度温漂 40℃ TA85℃ 177。 1% FS 分辨率 176。 频率响应 0 28 Hz 复位精度 ≤176。 FS 线性度 θ = 177。 5176。 3‰ FS θ = 177。 8176。 5‰ FS θ = 177。 30176。 % FS θ = 177。 90176。 3% FS 称重传感器设计 起重量传感器是将质量信号转变为电信号输 出的装置，由于起重量传感器在塔机监控系统中的重要性，在选型时应该注意到以下几点：首先其设计许用重量应该大于塔机的许用起吊重量；在称重时应当能够及时、准确、快速的输出信号第 2 章系统总体方案设计 10 给控制器，所以还应当考虑到它的灵敏度；另外，由于建筑工地工作环境的恶劣和复杂性，应该选取密封性好可以在粉尘、潮湿的环境中工作的传感器。 传统的起重量传感器其本质就是一个限位开关，只能定性判断是否超重，而不能反馈起重量到底是多少。 本文采用采用了新型的轴销式传感器，能够通过电信号实时反馈起重量信息。 轴销式传感器有着精度高、稳定性好、结构合理、紧凑 、安装更换便利的特点，实质上就是一根空心截面圆轴。 在其中心孔内凹槽中心的位置上贴有双剪型电阻应变计，两个凹槽处的双剪型电阻可以共同组成惠斯通电桥进行测量也可以分别组成惠斯通电桥再并联进行测量。 其结构简图如图 21示 [5][10]。 图 21 销式起重量传感器外廓图 其输出信号为 0~20 mV电压模拟信号，技术参数如下表： 表 22 销式起重量传感器技术参数 精度等级 灵敏度 177。 输入阻抗 750177。 20Ω 输出阻抗 702177。 2Ω 绝缘电阻 ≥5000MΩ 最大供桥电压 15V 安全过载 150%. 温度范围 30℃ ~+70℃ 防护等级 IP6 IP77 输出信号 0~20mV电压模拟信号 弹性元件的应变区为凹槽中心的空心截面，其中点处剪应力最大。 剪应力可以通过测量安装在其中的应变片的变形来得到，相关算法如下： (21) *2YSZZFSI 理工学院毕业设计（论文） 11 其中：YSF 为横截面上的剪力； *ZS 为对 Z 轴的静矩；  为横截面宽度； ZI 为截面对中性轴 Z 的惯性矩。 (22) (23) (24) 将公式带入得到空心截面处的剪力 : (25) 其剪应变为： (26) 中点处与轴线成 45O角处的主应力、主应变为 : (27) (28) 小车变幅测量 由于塔机工作环境复杂多样，地面设备、障碍物高低不定，塔机操作人员很难判断小车工作幅度。 为了防止起重臂变幅失控，小车工作幅度需要保持在一个安全的范围。 目前，小车行程限位器多用机械齿轮传动式的行程开关，由于机械的频繁接触，限位器容易损坏，从而发生事故。 本文通过传感器对小车行程信息进行采 集，运用数字式开关代替原有的机械开关，使塔机工作更为安全。 小车的工作幅度可以通过测量导向滑轮、旋转齿轮等回转体来测量，而测量回转体一般选用旋转编码器。 旋转编码器根据刻度方法与编码器的输出形式，可以分为增量式和绝对式编/2YSFP2 2 3 3* 223 8 3 8 1 2Z D D d d D dS      4464Z DdI 22448= 3 P D D d dDd   G22448= 3 P D D d dDd      22448 ( 1 )23 P D D d dE D d         第 2 章系统总体方案设计 12 码器 [11]。 增量式光电编码器主要由光源、码盘、监测光栅、光敏元件和转换电路组成。 增量式光电旋转编码器一般输出三路信号，包括以正弦波或方波脉冲出现的 A、 B 相信号以及零位信号 Z。 光敏元件所产生的信号 A、 B 彼此相差 900，利用 A、 B 相之间的相位差，可以判断编码器的转向。 Z 相为每转一圈产生一个脉冲，用于基准点定位。 绝对式光电编码器直接输出二进制数字信息。 在其圆形码盘上，沿半径方向有若干同心码道，每条码道都是由多个透光、不透光的扇区相间组成，在码盘的一侧是发光体，另一侧则是光敏元件，当光线通过透光的扇照射到光敏元件上时，经过光电转换及电子处理电路的调制后将位置信息以数字信号形式输出。 小车工作幅度可通过测量相关工作机构导向滑轮所转过的圈数及导向滑轮的半径间接测出。 当塔机停机时，变幅机构处于制动状态，只要在断电前将小车工作幅度这个物理量存储起来，开机后再从存储器读出这数据即可，因而可以选用没有记忆功能的增 量式光电编码器进行信息采集。 相对于绝对式光电编码器来说价格便宜，性价比高。 通过联轴器将其与变幅机构的传动齿轮或者导向滑轮相连。 本文选用 DBS50 型轻载增量式光电编码器，在同类产品中其性价比最高。 其分辨率可选范围为 100~2500，工作电压有 DC ~ 5V (TTL) 、 DC 7~24V (MTL) , DC ~(NPN)，电气接口有 TTL、 HTL、 NPN 开路集电极。 使用单片机作为数据处理核心时，通过光电耦合器与单片机连接。