一种塔式起重机结构形变在线监测系统及方法

摘要

本发明公开了一种塔式起重机结构形变在线监测系统及方法，其系统包括监测点模块、三维超声扫描模块和主控制台模块，监测点模块包括第一微处理器模块、第一无线通信模块和超声波发射传感器模块；三维超声扫描模块包括第二微处理器模块、云台伺服控制器模块、第二无线通信模块、温度传感器模块、信号调理电路模块、超声波接收传感器模块和三维云台；主控制台模块包括微型计算机和第三无线通信模块；其方法包括步骤：一、系统初始化，二、监测点模块与三维超声扫描模块之间距离数据、监测点模块的方位数据的采集与传输，三、数据分析处理及分析处理结果显示。本发明设计合理，实时性能好，工作可靠性高，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

说明书

技术领域

本发明涉及塔式起重机安全监控技术领域，尤其是涉及一种塔式起重机 结构形变在线监测系统及方法。

背景技术

塔式起重机（简称塔机）属于一类特种机械设备，主要用于建筑工地 上的吊装作业。目前，我国拥有300多个塔机生产厂家，年产塔机数量接 近2万台，其中80吨米以下的中小型塔机占80%以上。

塔机工作范围大，工况复杂，组成塔机的大型钢构件常年暴露在外界 环境中。由于偶尔撞击、气候突变、材料老化和地基沉陷等因素的作用， 这些大型钢构件容易产生形变，导致塔机发生倾斜，甚至导致失稳事故的 发生。

塔机的稳定性一直是行业的关注焦点，同时塔机的稳定性也在制约着 塔机的发展。在塔机设计规范中，塔机的稳定性验算是塔机设计生产的重 要指标。对于塔机的设计，塔机合力矩计算具有明显的指导作用。但是在 实际工作中，直接监测塔机的合力矩几乎是不可能的。传统的监测方案是 通过监测塔机的运行参数，获取塔机的各部分工作状态信息，依靠司机进 行整体状态判断。这种监测方法不仅监测量多，同时增加了塔机司机劳动 强度。

申请日为2009年04月20日、申请号为200910022111.1的中国专利 公开了一种基于超声传感网络的塔式起重机失稳在线监测预警系统及方 法，提出了采用多超声传感器融合技术进行塔机上部结构的摆动和扭动监 测。其特点是固定超声探头，利用参考点与多个监测点的超声距离测量， 进行塔机形变动态监测。但是，由于远距离作用时，超声传感器具有较强 的指向性，当塔机钢结构发生大形变时，该系统及方法的距离测量可能存 在失效问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种 结构简单、设计合理、实现方便、安装布设方便、工作可靠性高的塔式起 重机结构形变在线监测系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种塔式起重机结构 形变在线监测系统，其特征在于：包括设置在塔式起重机顶升套架上的监 测点模块、设置在塔式起重机下方且与所述监测点模块无线连接并通信的 三维超声扫描模块和与所述三维超声扫描模块无线连接并通信的主控制 台模块，所述监测点模块包括第一微处理器模块和为监测点模块中各用电 模块供电的第一电源模块，以及与所述第一微处理器模块相接的第一无线 通信模块和超声波驱动电路模块，所述超声波驱动电路模块的输出端接有 超声波发射传感器模块；所述三维超声扫描模块包括第二微处理器模块和 为三维超声扫描模块中各用电模块供电的第二电源模块，以及与所述第二 微处理器模块相接的数据存储器模块、云台伺服控制器模块和与第一无线 通信模块无线连接并通信的第二无线通信模块，所述第二微处理器模块的 输入端接有温度传感器模块和信号调理电路模块，所述信号调理电路模块 的输入端接有超声波接收传感器模块，所述云台伺服控制器模块上接有三 维云台，所述超声波接收传感器模块安装在所述三维云台上；所述主控制 台模块包括微型计算机和与所述微型计算机相接且与所述第二无线通信 模块无线连接并通信的第三无线通信模块。

上述的一种塔式起重机结构形变在线监测系统，其特征在于：所述监 测点模块的数量为一个或多个。

上述的一种塔式起重机结构形变在线监测系统，其特征在于：所述第 一无线通信模块、第二无线通信模块和第三无线通信模块均为ZIGBEE无 线通信模块。

上述的一种塔式起重机结构形变在线监测系统，其特征在于：所述第 一微处理器模块为ARM微处理器。

上述的一种塔式起重机结构形变在线监测系统，其特征在于：所述ARM 微处理器为芯片LPC1114。

上述的一种塔式起重机结构形变在线监测系统，其特征在于：所述第 二微处理器模块为FPGA微处理器。

上述的一种塔式起重机结构形变在线监测系统，其特征在于：所述 FPGA微处理器为芯片CY7C68013。

上述的一种塔式起重机结构形变在线监测系统，其特征在于：所述数 据存储器模块为RAM存储器模块。

本发明还提供了一种数据处理速度快、实时性强、工作可靠性高、实 用性强的塔式起重机结构形变在线监测方法，其特征在于该方法包括以下 步骤：

步骤一、系统初始化：所述监测点模块、三维超声扫描模块和主控制 台模块开机初始化；

步骤二、监测点模块与三维超声扫描模块之间距离数据、监测点模块 的方位数据的采集与传输，其具体过程为：

步骤201、所述主控制台模块通过第三无线通信模块向三维超声扫描 模块发送指定监测点模块监测指令；

步骤202、所述三维超声扫描模块通过第二无线通信模块无线接收到 主控制台模块发送的指定监测点模块监测指令后，所述第二微处理器模块 对其接收到的指定监测点模块监测指令进行分析处理，得到需要进行监测 的监测点模块的编码并通过第二无线通信模块向具有相应编码的监测点 模块发送监测开始指令；同时，所述第二微处理器模块通过云台伺服控制 器模块控制三维云台在设定的转动角度范围内转动，所述三维云台带动超 声波接收传感器器模块进行三维超声扫描；

步骤203、所述监测点模块通过第一无线通信模块无线接收到三维超 声扫描模块发送的监测开始指令后，首先，所述第一微处理器模块通过第 一无线通信模块向三维超声扫描模块发送同步距离检测信号；然后，所述 第一微处理器模块通过超声波驱动电路模块驱动超声波发射传感器模块 发射超声波信号；

步骤204、所述三维超声扫描模块通过第二无线通信模块无线接收到 所述第一微处理器模块发送的同步距离检测信号后，所述第二微处理器模 块采集经过信号调理电路模块调理后的超声波接收传感器模块接收到的 信号，并对采集到的信号进行分析处理，得到指定监测点模块的距离信息； 同时，所述第二微处理器模块采集云台伺服控制器模块反馈回的三维云台 转动过的角度信号，并对采集到的信号进行分析处理，得到指定监测点模 块的方位信息；然后，所述第二微处理器模块将其得到的指定监测点模块 的距离信息和方位信息通过第二无线通信电路模块传输给主控制台模块；

步骤三、监测点模块与三维超声扫描模块之间距离数据、监测点模块 的方位数据的分析处理及分析处理结果的显示：所述主控制台模块通过第 三无线通信模块无线接收到所述第二微处理器模块发送的指定监测点模 块的距离信息和方位信息后，首先，所述微型计算机调用三维形变位移信 息转换模块将指定监测点模块的距离信息和方位信息转换成指定监测点 模块的三维形变位移信息，并调用塔式起重机稳定性评价模块对塔式起重 机的稳定性进行评价，对得到的三维形变位移信息和稳定性评价结果进行 存储和显示；然后，所述微型计算机将得到的三维形变位移信息与预先设 定的风险三维形变位移阈值相比对，当得到的三维形变位移信息超过预先 设定的风险三维形变位移阈值时，所述微型计算机发出报警提示，提示工 作人员及时采取相应措施。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明塔式起重机结构形变在线监测系统采用了集成化、模块化 的设计，结构简单，设计合理，实现方便。

2、本发明监测点模块、三维超声扫描模块和主控制台模块的安装布 设方便，由于三维超声扫描模块中的超声波接收传感器模块能够在三维云 台的带动下三维转动，因此，使用时，只需一个三维超声扫描模块，且只 需将三维超声扫描模块放置在塔式起重机的下方即可；而且，每个监测点 模块中只需要一个超声波发射传感器，与现有技术相比，有效地减少了超 声波传感器的数量。

3、本发明第一微处理器模块为ARM微处理器，第二微处理器模块为 FPGA微处理器，主控制台模块采用了微型计算机，使得整个系统的数据处 理速度快，实时性强。

4、本发明塔式起重机结构形变在线监测方法的实现简单，能够判断 得到监测点模块安装位置处塔式起重机的结构形变信息，解决了塔式起重 机结构大形变监测这一难题。

5、本发明工作可靠性高，由于三维超声扫描模块能够对监测点模块 发出的超声波信号进行三维扫描，因此即使超声传感器具有较强的指向 性，也不存在失效问题。

6、本发明的实用性强，能够有效降低塔式起重机司机的劳动强度， 提高了塔式起重机的形变监测有效性，能够降低塔式起重机倾覆事故的发 生，使塔式起重机安全、高效运行，使用效果好，便于推广使用。

综上所述，本发明设计合理，实现方便，实时性能好，工作可靠性高， 实用性强，能够降低塔式起重机倾覆事故的发生，使塔式起重机安全、高 效运行，使用效果好，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例1中监测点模块、三维超声扫描模块和主控制台 模块的布置示意图。

图2为本发明实施例2中监测点模块、三维超声扫描模块和主控制台 模块的布置示意图。

图3为本发明塔式起重机结构形变在线监测系统的电路原理框图。

图4为本发明塔式起重机结构形变在线监测方法的方法流程图。

附图标记说明:

1—监测点模块；     1-1—第一微处理器模块；     1-2—第一电源模块；

1-3—第一无线通信模块；          1-4—超声波驱动电路模块；

1-5—超声波发射传感器模块；       2—三维超声扫描模块；

2-1—第二微处理器模块；          2-2—第二电源模块；

2-3—数据存储器模块；            2-4—云台伺服控制器模块；

2-5—第二无线通信模块；          2-6—温度传感器模块；

2-7—信号调理电路模块；          2-8—超声波接收传感器模块；

2-9—三维云台；        3—主控制台模块；      3-1—微型计算机；

3-2—第三无线通信模块。

具体实施方式

实施例1

如图1和图3所示，本发明所述的塔式起重机结构形变在线监测系统， 包括设置在塔式起重机顶升套架上的监测点模块1、设置在塔式起重机下 方且与所述监测点模块1无线连接并通信的三维超声扫描模块2和与所述 三维超声扫描模块2无线连接并通信的主控制台模块3，所述监测点模块 1包括第一微处理器模块1-1和为监测点模块1中各用电模块供电的第一 电源模块1-2，以及与所述第一微处理器模块1-1相接的第一无线通信模 块1-3和超声波驱动电路模块1-4，所述超声波驱动电路模块1-4的输出 端接有超声波发射传感器模块1-5；所述三维超声扫描模块2包括第二微 处理器模块2-1和为三维超声扫描模块2中各用电模块供电的第二电源模 块2-2，以及与所述第二微处理器模块2-1相接的数据存储器模块2-3、 云台伺服控制器模块2-4和与第一无线通信模块1-3无线连接并通信的第 二无线通信模块2-5，所述第二微处理器模块2-1的输入端接有温度传感 器模块2-6和信号调理电路模块2-7，所述信号调理电路模块2-7的输入 端接有超声波接收传感器模块2-8，所述云台伺服控制器模块2-4上接有 三维云台2-9，所述超声波接收传感器模块2-8安装在所述三维云台2-9 上；所述主控制台模块3包括微型计算机3-1和与所述微型计算机3-1相 接且与所述第二无线通信模块2-5无线连接并通信的第三无线通信模块 3-2。

本实施例中，所述监测点模块1的数量为多个。所述第一无线通信模 块1-3、第二无线通信模块2-5和第三无线通信模块3-2均为ZIGBEE无线 通信模块，具有自组网功能。所述第一微处理器模块1-1为ARM微处理器。 所述ARM微处理器为芯片LPC1114。所述第二微处理器模块2-1为FPGA 微处理器。所述FPGA微处理器为芯片CY7C68013，片上开发了uCLinux 操作系统。所述数据存储器模块2-3为RAM存储器模块。

如图4所示，本发明所述的塔式起重机结构形变在线监测方法，包括 以下步骤：

步骤一、系统初始化：所述监测点模块1、三维超声扫描模块2和主 控制台模块3开机初始化；

步骤二、监测点模块1与三维超声扫描模块2之间距离数据、监测点 模块1的方位数据的采集与传输，其具体过程为：

步骤201、所述主控制台模块3通过第三无线通信模块3-2向三维超 声扫描模块2发送指定监测点模块监测指令；

步骤202、所述三维超声扫描模块2通过第二无线通信模块2-5无线 接收到主控制台模块3发送的指定监测点模块监测指令后，所述第二微处 理器模块2-1对其接收到的指定监测点模块监测指令进行分析处理，得到 需要进行监测的监测点模块1的编码并通过第二无线通信模块2-5向具有 相应编码的监测点模块1发送监测开始指令；同时，所述第二微处理器模 块2-1通过云台伺服控制器模块2-4控制三维云台2-9在设定的转动角度 范围内转动，所述三维云台2-9带动超声波接收传感器器模块2-8进行三 维超声扫描；

步骤203、所述监测点模块1通过第一无线通信模块1-3无线接收到 三维超声扫描模块2发送的监测开始指令后，首先，所述第一微处理器模 块1-1通过第一无线通信模块1-3向三维超声扫描模块2发送同步距离检 测信号；然后，所述第一微处理器模块1-1通过超声波驱动电路模块1-4 驱动超声波发射传感器模块1-5发射超声波信号；

步骤204、所述三维超声扫描模块2通过第二无线通信模块2-5无线 接收到所述第一微处理器模块1-1发送的同步距离检测信号后，所述第二 微处理器模块2-1采集经过信号调理电路模块2-7调理后的超声波接收传 感器模块2-8接收到的信号，并对采集到的信号进行分析处理，得到指定 监测点模块1的距离信息；同时，所述第二微处理器模块2-1采集云台伺 服控制器模块2-4反馈回的三维云台2-9转动过的角度信号，并对采集到 的信号进行分析处理，得到指定监测点模块1的方位信息；然后，所述第 二微处理器模块2-1将其得到的指定监测点模块1的距离信息和方位信息 通过第二无线通信电路模块传输给主控制台模块3；具体实施时，所述第 二微处理器模块2-1采集经过信号调理电路模块2-7调理后的超声波接收 传感器模块2-8接收到的信号，并对采集到的信号进行分析处理时，所述 第二微处理器模块2-1还采集温度传感器模块2-6检测到的温度信号，根 据温度传感器模块2-6检测到的温度信号对超声波接收传感器模块2-8接 收到的信号进行温度补偿；

步骤三、监测点模块1与三维超声扫描模块2之间距离数据、监测点 模块1的方位数据的分析处理及分析处理结果的显示：所述主控制台模块 3通过第三无线通信模块3-2无线接收到所述第二微处理器模块2-1发送 的指定监测点模块1的距离信息和方位信息后，首先，所述微型计算机3-1 调用三维形变位移信息转换模块将指定监测点模块1的距离信息和方位信 息转换成指定监测点模块1的三维形变位移信息，并调用塔式起重机稳定 性评价模块对塔式起重机的稳定性进行评价，对得到的三维形变位移信息 和稳定性评价结果进行存储和显示；然后，所述微型计算机3-1将得到的 三维形变位移信息与预先设定的风险三维形变位移阈值相比对，当得到的 三维形变位移信息超过预先设定的风险三维形变位移阈值时，所述微型计 算机3-1发出报警提示，提示工作人员及时采取相应措施。

实施例2

如图2所示，本实施例与实施例1不同的是：所述监测点模块1的数 量为一个。其余结构及方法均与实施例1相同。

具体实施时，所述主控制台模块3可以以人工或自动两种方式实时无 线接收所述第二微处理器模块2-1发送的指定监测点模块1的距离信息和 方位信息。

综上所述，所述三维超声扫描模块2采用三维扫描方式获取塔式起重 机顶升套架上的监测点模块1与三维超声扫描模块2之间的距离数据，并 根据云台伺服控制器模块2-4反馈回的三维云台2-9转动过的角度信号得 到指定监测点模块1的方位信息，主控制台模块3根据监测点模块1与三 维超声扫描模块2之间距离数据、监测点模块1的方位数据能够判断得到 监测点模块1安装位置处塔式起重机的结构形变信息，解决了塔式起重机 结构大形变监测这一难题，每个监测点模块1中只需要一个超声波发射传 感器1-5，与现有技术相比，有效地减少了超声波传感器的数量。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡 是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效 结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。