起重機(jī)械是八大類特種設(shè)備之一。起重機(jī)械的產(chǎn)品質(zhì)量和安全生產(chǎn)不僅關(guān)系到生產(chǎn)效率和人民的生命安全，也關(guān)系到國家經(jīng)濟(jì)運行安全和社會穩(wěn)定，是公共安全的重要組成部分。以上海為例，“十一五”期間，中小起重機(jī)械事故多發(fā)，全市共發(fā)生近43起起重機(jī)械事故，造成39人死亡、14人受傷；起重機(jī)械事故占全市特種設(shè)備事故的31％，位居全國第二；在用起重機(jī)械定檢的合格率只有9．4％；起重機(jī)械安全性能監(jiān)督檢驗合格率只有0％。統(tǒng)計分析表明：起重機(jī)械事故中，設(shè)備的無證使用占了事故總數(shù)的32％；無證人員作業(yè)導(dǎo)致事故發(fā)生占了23％；因使用、管理不善導(dǎo)致的事故占事故總數(shù)的56％；與維修有關(guān)的事故占事故總數(shù)的33％。

起重機(jī)械安全監(jiān)管技術(shù)列入了《國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要》第58項重大生產(chǎn)事故預(yù)警與救援優(yōu)先主題。國家質(zhì)檢總局和國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會也聯(lián)合發(fā)布GB／T28264-2012((起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》。因此，應(yīng)用現(xiàn)代信息管理技術(shù)，以生產(chǎn)單位和使用單位為主體，規(guī)范、加強(qiáng)起重機(jī)械的使用和維保，提高起重機(jī)械本質(zhì)安全性能，防范事故，保障安全，具有重要的經(jīng)濟(jì)意義和社會意義。在1臺在用32t／10t×22．5in、A5工作制通用起重機(jī)的繼電器控制基礎(chǔ)上，采用嵌入式技術(shù)，對該起重機(jī)進(jìn)行信息化改造，使之初步滿足了國標(biāo)要求的安全監(jiān)控管理要求，采集的相關(guān)信息可以進(jìn)一步作為起重機(jī)維保和性能評估的依據(jù)。

1橋式起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)要求

1．1安全監(jiān)控系統(tǒng)要求

起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)的信息采集源應(yīng)依據(jù)GB／T28264-2012表1的要求，結(jié)合具體情況確定信號源進(jìn)行安全監(jiān)控。對橋式起重機(jī)應(yīng)采集的信息源包括：起重量限制器、起升高度限位器／下降深度限位器、運行行程限位器、聯(lián)鎖保護(hù)安全裝置、同一或不同一軌道運行機(jī)構(gòu)防碰撞裝置、超速保護(hù)裝置、起升機(jī)構(gòu)制動器(宜采集)。起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)對起重機(jī)械運行狀態(tài)及故障信息進(jìn)行實時記錄和歷史追溯功能。

1．2電氣控制方式

通用橋式起重機(jī)通常采用繼電器、接觸器方式控制。駕駛室控制電器采用聯(lián)動臺對起重機(jī)進(jìn)行操作，控制器的布置方式為：右手用一個主令控制主鉤和副鉤，右手主令前一后動作時控制主鉤下一上運行，3～5個擋位，右手主令左一右動作時控制副鉤上一下運行，3～5個擋位；左手一個主令控制大車和小車運行，左手主令前一后動作時控制小車前一后運行，5個擋位，左手主令左一右動作時控制大車左一右運行，5個擋位；聯(lián)動臺上設(shè)有鑰匙開關(guān)、啟動和緊停按鈕、主電源和控制電源指示燈；駕駛室內(nèi)設(shè)有總空氣斷路器、6V低壓風(fēng)扇、維修插座、照明開關(guān)等。通用起重機(jī)通常有較為完備的安全保護(hù)措施。例如，安裝有起重量限制器進(jìn)行超載保護(hù)，其他的安全保護(hù)措施還包括起升上下限位、運行機(jī)構(gòu)行程限位、聯(lián)鎖安全保護(hù)等。由于采用繼電器控制回路實現(xiàn)，無法進(jìn)行故障信息的實時記錄和歷史追溯。

1．3安全監(jiān)控采集信息源

該橋式起重機(jī)安裝有起重量限制器，采用ModBusRTU協(xié)議，通過RS485總線和起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)連接。起重量限制器以0．5S間隔發(fā)送載荷信息，通信協(xié)議中包含有循環(huán)冗余校驗碼(CRC16)以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。起重機(jī)中的限位、安全聯(lián)鎖等信號為開關(guān)量信號。開關(guān)量信號又分為無源開關(guān)和有源開關(guān)，無源開關(guān)俗稱干接點，如起升高度限位器／下降深度限位器、大小車行程限位器、聯(lián)鎖保護(hù)安全裝置、防碰撞裝置等。可通過圖1所示接口電路接入系統(tǒng)，該接口電路具有限流、濾波、鉗位、光電隔離功能，工作可靠，抗干擾能力強(qiáng)；有源開關(guān)接點之間有極性，具有有電和無電2種狀態(tài)。在起重機(jī)的控制回路中，少量用于強(qiáng)電控制回路(～380V)繼電器沒有多余的觸點，為了采集這些繼電器狀態(tài)，采用了交流開關(guān)隔離變送器，將交流380V信號轉(zhuǎn)換成TTL電平后接人系統(tǒng)。交流開關(guān)隔離變送器采用DC24V供電，輸入／輸出隔離，隔離電壓2500VAC／min，使起重機(jī)的控制回路和嵌入式系統(tǒng)隔離，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

1．4累積工作時間計算

由起重機(jī)的電氣控制原理可知(見圖2)，起升機(jī)構(gòu)電機(jī)由交流接觸器ZC、FC、DC及相應(yīng)回路控制，因此，采集線圈狀態(tài)并進(jìn)行累加即可統(tǒng)計起重機(jī)的累積工作時間，也可以通過起重量信息計算累積工作時間。

2、嵌入式起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)組成

通過對橋式起重機(jī)電氣控制原理分析，提出采用嵌入式系統(tǒng)對該起重機(jī)進(jìn)行信息化改造，使之能滿足GB／T28214-2012規(guī)定的安全監(jiān)控要求。嵌入式起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)采用了freescaleiMX25系列32位ARM9核心微控制器(MicroControllerUnit)，主頻400M，通過外圍電路擴(kuò)展，使該系統(tǒng)具有64MDDR2系統(tǒng)內(nèi)存，128MFlash存儲器。支持實時時鐘、大容量SD卡、1路以太網(wǎng)、多路串行通信(包括RS232、RS485GPRS／CDMA)、工業(yè)現(xiàn)場總線(CAN)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TFT彩色LCD、4線制電阻觸摸屏、32路GPIO；支持WindowsCE6．0嵌入式實時系統(tǒng)。通過移植，支持嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite3。系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3中RS485和起重量限制器連接，實時獲取載荷信息，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸模塊GPRS(或CD—A)用于和后臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，觸摸屏用于工作狀態(tài)顯示和參數(shù)設(shè)置，實時時鐘用于記錄故障信息的時間戳，SD卡則用于保存故障信息，GPIO則用于采集開關(guān)信號的狀態(tài)。

3、起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

嵌入式起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)基于WindowsCE．0嵌入式實時系統(tǒng)，移植了基于文件的嵌入式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)SQLite3，開發(fā)工具采用MicrosoftVisualtudio2005。系統(tǒng)組成如圖3所示，上層是起重機(jī)安全監(jiān)控應(yīng)用程序，下層是嵌入式操作系統(tǒng)WinowsCE6．0和嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite3。起重機(jī)安全監(jiān)控應(yīng)用程序通過WindowsCE控制硬件操作。

WindowsCE6．0支持多任務(wù)，軟件設(shè)計應(yīng)利用多任務(wù)特性以提高程序運行效率。起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)需要執(zhí)行的主要任務(wù)有：

1)定時輪詢安全信號，如果相應(yīng)的信號被觸發(fā)，則記錄信號值及發(fā)生的時間；

2)記錄起重機(jī)的工作載荷，記錄開始作業(yè)的時間和結(jié)束作業(yè)的時間；

3)作業(yè)信息(界面)的更新；

4)作業(yè)信息的遠(yuǎn)程傳輸，包括通過GPRS撥號建立遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)鏈接并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

其中1)和2)具有實時j生，3)和4)則是非實時的，應(yīng)采用不同的方法進(jìn)行處理。實際中，針對第1種情況，采用了WindowsCE系統(tǒng)自帶的定時器，每隔100ms對L／O信號進(jìn)行采集，如果信號改變，則記錄相應(yīng)事件。針對第2種情況，采用了多線程和信號量機(jī)制確保及時正確的接收起重量限制器傳送的數(shù)據(jù)。針對第3種情況，采用了WindowsCE的消息機(jī)制更新界面元素。針對第4種情況，則利用了非作業(yè)時間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。軟件設(shè)計基于WindowsMFC，采用了面向?qū)ο蠹夹g(shù)，圖4顯示了參與通信的各對象之間的交互。和起重量限制器通信過程中涉及了串口類(SefiM)、起重量限制器類(LoadCel1)、應(yīng)用程序類(App)和界面交互類(Dialog)。應(yīng)用程序類(App)用于實現(xiàn)全監(jiān)控系統(tǒng)控制邏輯，初始化界面交互對象(1)、起重量限制器對象(2)和串口對象(3)；界面交互類實現(xiàn)了輸入控制和信息顯示；串口類實現(xiàn)了串口的初始化，并啟動單獨的線程(receiver)接收起重量傳感器的數(shù)據(jù)(4)并進(jìn)行通信過程中的錯誤處理，例如奇偶校驗錯，然后將接收到的正確字節(jié)流數(shù)據(jù)傳遞給起重量限制器類(5)；起重量限制器類對接收的字節(jié)流進(jìn)行緩存，并依據(jù)ModBus協(xié)議提取其中的載荷信息并進(jìn)行校驗(6)，之后將完整的起重量信息通過消息機(jī)制通知界面交互類(7)；最后由界面交互類更新起重量信息(8)由于不同類型的起重機(jī)顯示的內(nèi)容差異大，不同類型的起重量限制器其通信協(xié)議、解析方法也不同，因此Dialog類、LoadCell類變化較大。而起重機(jī)安全監(jiān)控流程、接收起重量限制器之間的數(shù)據(jù)通信則是相同的，因此，App類、Serial類相對固定。通過類的抽象和接口定義，將安全監(jiān)控系統(tǒng)的控制流程和易于發(fā)生變化的部分進(jìn)行了封裝，提高了軟件復(fù)用。

采用通道表示某個安全監(jiān)控信息源，每個通道隸屬某個機(jī)構(gòu)，某個機(jī)構(gòu)可包括多個通道，例如起升機(jī)構(gòu)包含了上限位、下限位、超載等多個通道，借鑒設(shè)計模式中的復(fù)合模式，構(gòu)建了如圖5所示的類層次結(jié)構(gòu)，Assembly類抽象了起重機(jī)機(jī)構(gòu)，通過該類的Add方法將通道(安全監(jiān)控信息源)進(jìn)行動態(tài)分類，實現(xiàn)了安全監(jiān)控信息源的結(jié)構(gòu)化，利于信息的存儲、傳輸和檢索

4、結(jié)論和展望

采用嵌人式系統(tǒng)對繼電器控制的32t／|0t×22．5m(A5)通用橋式起重機(jī)進(jìn)行信息化改造，使該起重機(jī)初步具備了實施GB／T28264-2012規(guī)定的安全監(jiān)控的條件。通過面向?qū)ο蠹夹g(shù)，將安全監(jiān)控信息源進(jìn)行了結(jié)構(gòu)化和層次化，以利于故障信息的存儲和檢索。同時，利用LoadCell等類，將系統(tǒng)中變化部分進(jìn)行了隔離和封裝，提高了軟件復(fù)用。嵌入式系統(tǒng)配置靈活，軟硬件一體，性能強(qiáng)大，完全可以替代傳統(tǒng)的工業(yè)控制計算機(jī)(IPC)，而成本只有后者的1／3，具有很高的性價比。