基于單片機控制的塔式起重機起重性能監測顯示儀

1 引言

塔式起重機通常又稱為塔吊，是目前在建筑工地上使用得非常普遍的大型垂直吊裝起重運輸機械設備。在日常的使用中，如果塔吊司機不知道牽引小車在某一位置時最大能吊起多重的貨物，也不知道正在吊的貨物有多重，所以塔吊存在發生塔身翻側、折斷和塔吊吊臂折斷等事故的危險。由于塔吊體型龐大，一旦發生事故就必然是大事故或者是特大事故，不但造成人員的傷亡，往往還伴隨著巨大的經濟損失；而導致事故的原因大部分都是因為塔吊在起吊貨物時超重。因此，如何知道塔吊當前所起吊貨物的重量和牽引小車在當前位置是否超重至關重要，本文介紹的塔式起重機起重性能顯示儀就是為解決這個問題而研制。

2 起重性能

如圖1所示為塔式起重機起重性能曲線。塔吊根據吊臂長度的不同有45m、50m和55m等多種規格，而每一種不同吊臂長度規格的塔吊根據吊鉤的設置又有二倍率和四倍率之分，一旦吊臂長度確定，吊鉤倍率確定，則牽引小車在吊臂上每一個位置都對應著一個最大吊重量，也就是說牽引小車在某一位置上所起吊貨物的重量不能超過在同一位置所對應允許的最大吊重量，這種塔吊吊臂長度、吊鉤倍率與允許的最大吊重量三者之間嚴格的對應關系所形成的曲線，在塔吊術語上就稱之為起重性能曲線。對于每一臺塔吊，一般其吊臂長度和吊鉤倍率都是確定的，亦即是其起重性能曲線是維一的，因此，塔吊司機必須嚴格按照起重性能曲線操作，牽引小車在每一個位置所起吊的貨物都不能超過起重性能曲線上所對應允許的最大吊重量，否則的話發生事故就不可避免了。可見起重性能曲線對塔吊的安全運行是何等的重要，換言之，本文介紹的塔式起重機起重性能顯示儀是塔吊司機安全操作的保證，為塔吊帶來一種既安全又實用而且也是塔吊必不可少的自動化裝備。


圖1 起重性能曲線

3 起重性能曲線測量系統

塔吊起升貨物的工作主要是由牽引小車來完成；關系牽引小車在吊臂上前進、后退和上、下貨物動作的則是由與電機連接的牽引小車的鋼絲繩繞繩系統，分別有牽引鋼絲繩繞繩系統和起升鋼絲繩繞繩系統，如圖2和圖3所示。要使牽引小車所起吊的貨物不超重，塔吊司機就必須知道小車當前所處的位置和正在起吊貨物的重量，本文介紹的塔式起重機起重性能顯示儀用于檢測牽引小車當前位置的傳感器選用OMRON公司的E6A2增量型兩相光電旋轉編碼器，分辯率是100，如圖2所示，安裝在牽引卷筒的卷軸中心并跟隨牽引卷筒旋轉，牽引卷筒由牽引電動機驅動；當牽引卷筒作正向運轉時，牽引小車前進并向吊臂末端方向運動，此時旋轉編碼器隨牽引卷筒運轉并向單片計算機系統發出連續的A相脈沖信號，每運轉一圈就發出100個脈沖信號，單片機系統接到這些脈沖信號后將其轉換為牽引小車的位置信號經LED數碼顯示。同理，當牽引卷筒作反向運轉時，牽引小車后退并向吊臂塔身方向運動，旋轉編碼器發出連續的B相脈沖信號。


圖2 牽引鋼絲繩繞繩系統
用于檢測牽引小車所起吊貨物的實時重量的傳感器選用國產的應變式測力稱重傳感器，量程為3kN，精度為2%；稱重傳感器的安裝如圖3所示，傳感器一端固定在臂端固定點上，另一端與起升鋼絲繩相接，當吊鉤掛上貨物時，其重量通過鋼絲繩轉化為拉力作用在稱重傳感器上，稱重傳感器感應到這個拉力后，經變送器、A/D模數轉換送入單片計算機系統轉換為實時重量數據經LED數碼顯示。同一臺塔吊，起吊同樣重量的貨物，如果吊鉤倍率不同，作用在稱重傳感器上的拉力也不相同。


圖3 起升鋼絲繩繞繩系統

4 系統硬件結構

塔式起重機起重性能顯示儀系統硬件結構框圖如圖4所示。系統控制核心選用目前使用非常普遍的AT公司的單片計算機AT89C51，其內部帶有存儲容量為4K電可擦除的程序存儲器EEROM；數據存儲器選用DALLAS公司的DS-1225Y非易失性SRAM，斷電后儲存的數據不會丟失；輸入輸出接口選用兩片比較通用的可編程輸入輸出接口芯片82C55A，通過編程設定一片為輸入接口，另一片為輸出接口；地址鎖存選用HC373；A/D轉換選用8位模數轉換器ADC0809；光電隔離選用P521光電耦合器，以提高系統的抗干擾能力；起升重量顯示、最大吊重顯示和小車變幅顯示選用CD4511譯碼芯片和LED數碼管組成。考慮到系統要適合各種不同臂長和不同倍率塔吊的使用要求，在設計系統軟件時已將各種不同規格的塔吊的起重性能曲線編制成表格存入單片機中指定的程序單元；用戶可通過鍵盤將其當前使用塔吊的吊臂長度和吊鉤倍率等數據輸入，這些塔吊數據經輸入接口送入單片機并儲存在數據存儲器指定的單元；稱重傳感器檢測到的重量信號經A/D轉換為數字信號后通過輸入接口送入單片機，單片機將其儲存在數據存儲器的一個固定單元，同時經輸出接口送入起升重量顯示單元顯示當前的瞬時重量；當牽引小車前進時，光電旋轉編碼器隨牽引卷筒轉動并發出A相脈沖信號，A相脈沖信號經光電隔離整形后送入單片機處理從而形成牽引小車的位置數據并查起重性能曲線表檢出對應的最大吊重量，單片機一方面將這些數據存入數據存儲器指定單元，另一方面將這些數據經輸出接口送入相應的顯示電路分別顯示小車變幅和最大吊重，同時，單片機將當前牽引小車所在位置允許的最大吊重量與經稱重傳感器檢測到的起吊重量進行比較，若起吊重量大于允許的最大吊重，則單片機經光電耦合隔離向聲光告警電路發出信號，由聲光告警電路發出斷續的聲響和閃爍的光，向塔吊司機提示塔吊超重。同理，當牽引小車后退時，光電旋轉編碼器發出B相脈沖，其工作原理相同。


圖4 系統硬件結構框圖

5 系統軟件結構框圖

本文介紹的起重性能顯示儀軟件的設計重點是牽引小車位置的檢測和起吊貨物的瞬時重量檢測。系統軟件結構框圖如圖5所示。

圖5 系統軟件結構框
顯示儀上電后即進入初始化程序，將上次停電前儲存在數據存儲器的數據恢復，并將最大吊重、小車變幅、起升重量等數據送到其相應的顯示器進行顯示和將吊臂長度和吊鉤倍率送到相應的輸出口進行指示，同時檢測鍵盤信號，如果有鍵盤信號輸入，則表示有數據設置，程序轉入鍵盤處理子程序，如果沒有鍵盤信號，程序往下執行起升重量檢測，把稱重傳感器檢測到的模擬信號轉換為數字信號進行處理，并與當前允許的最大吊重量進行比較，如果大于允許的最大吊重，則轉入聲光告警子程序，發出超重告警；如果小于允許的最大吊重，說明目前沒有超重，程序繼續往下檢測牽引小車有否動作，如果沒有，說明牽引小車目前靜止，程序返回主程序入口，如果牽引小車有動作，則要確定是前進還是后退，若是前進，程序進入前進處理程序，否則進入后退處理程序，然后返回主程序入口。

由于牽引小車前進和后退是由牽引卷筒帶動，其控制與起重性能顯示儀表不是一個控制系統，因此，檢測牽引小車變幅距離的程序采用中斷控制子程序，只要牽引小車運動，無論程序執行到那一步，都立刻轉入中斷子程序工作，如果牽引小車是作前進運動，則程序轉入前進中斷子程序，A相脈沖信號有效；如果牽引小車是作后退運動，則程序轉入后退中斷子程序，此時B相脈沖信號有效；單片機通過將輸入的脈沖信號進行計數和換算從而確定牽引小車走過的距離和當前的位置。

6 結束語

本文介紹的塔式起重機起重性能顯示儀，可以實時顯示塔吊瞬時吊重量，實時顯示牽引小車在吊臂上的準確位置和與之對應的最大吊重量，這是一種設計先進、性能穩定、安全、實用、準確的自動化儀表，是用現代高新技術裝備傳統的機械產業，使其產品更上一個檔次和更具有可操作性。
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