專利名稱：塔吊群交叉作業(yè)的安全防護(hù)智能測控儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于基于無線自組織網(wǎng)絡(luò)的嵌入式實時測控領(lǐng)域，涉及一套測控儀器，更進(jìn)一步涉及一種塔吊群交叉作業(yè)的安全防護(hù)智能檢測儀器。
背景技術(shù)：
塔吊群交叉作業(yè)作為當(dāng)代建筑行業(yè)廣泛采用的一種施工形式，它的可靠性與高效性直接影響了施工現(xiàn)場人員的人身安全與的整個項目的工期進(jìn)度等。由于大型施工現(xiàn)場交叉作業(yè)的塔吊數(shù)目龐大以及周邊環(huán)境對塔吊作業(yè)范圍的復(fù)雜限制，不可避免地影響了塔吊群交叉作業(yè)的使用效果。為確保安全生產(chǎn)的開展，只能在布設(shè)塔吊的時候，盡量減少交叉作業(yè)情況的產(chǎn)生。這樣顯然降低了整個工地的施工效率，使得塔吊作業(yè)成為影響工期的瓶頸；而且對于由于受作業(yè)面積限制的交叉作業(yè)環(huán)境，只能依靠地面人員的調(diào)度指揮進(jìn)行協(xié)調(diào)，此項工作將變得異常困難與繁重，安全性與高效性都很難得到保障。對于高速運轉(zhuǎn)下的大型塔吊群而言，靠人工指揮是無法進(jìn)行的。因此，如何在保證安全性的同時，進(jìn)一步提高整個塔吊群的作業(yè)效率，縮短項目工期，是整個建筑施工行業(yè)急需解決的問題。在法國、意大利、新加坡等國家，此類設(shè)備已作為國家規(guī)定的強(qiáng)制防護(hù)設(shè)備，安裝于交叉作業(yè)的塔吊上，完成塔吊群作業(yè)的安全保障工作。國內(nèi)在該方面研究大大落后發(fā)達(dá)國家，盡管國內(nèi)同行進(jìn)行過多方面的探索研究，但多停留在單個塔吊的限位、限幅保護(hù)上，幾乎沒有對交叉作業(yè)下塔吊群防碰撞的研究，目前尚無成功的塔吊群交叉作業(yè)安全防護(hù)設(shè)備的相關(guān)報道和產(chǎn)品問世。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷或不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種塔吊群交叉作業(yè)的安全防護(hù)智能測控儀器，該儀器采用無線自組織網(wǎng)絡(luò)的嵌入式，具有工作可靠、能夠?qū)崟r測控塔吊群，以完成塔吊群交叉作業(yè)下的安全防護(hù)和提高工作效率，而且成本低，制備簡單。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，所述的終端設(shè)備包括1)一終端控制器，內(nèi)置終端軟件，用于相關(guān)塔吊群各項工作參數(shù)的設(shè)定，狀態(tài)信息的采集與計算，防碰撞算法的運行，塔吊群運行狀態(tài)的實時圖形化顯示；2)一無線通信模塊，該模塊具有RS232標(biāo)準(zhǔn)接口，具備9.6Kbps以上波特率，用于完成塔吊之間的相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸；3)1～3個AB相增量編碼器，用于采集塔臂回轉(zhuǎn)，小車運動，吊鉤提升的相對位置信息；4)2～8個PNP型接近開關(guān)，用于采集塔吊回轉(zhuǎn)，小車運動的矯正信息，以及采集塔臂回轉(zhuǎn)，小車運動，吊鉤提升的相對位置信息；5)2個滑動變阻器，用于采集小車運動，吊鉤提升的位置信息；6)1個4～20mA輸出的壓力傳感器，用于測量塔吊的吊重；7)12個24VDC或110VAC以下額定耐壓的斷路器，用于控制塔吊2檔位6方向共12組輸出；上述AB相編碼器、接近開關(guān)、滑動變阻器、壓力傳感器作為儀器的檢測單元與終端控制器提供的輸入接口相連，斷路器在與終端控制器提供的輸出接口連接后，串聯(lián)到各向電機(jī)控制回路中，無線通信模塊通過RS232接口與控制終端連接；所述的地面控制臺包括1)一臺計算機(jī)，內(nèi)置基于虛擬儀器設(shè)計的監(jiān)控軟件，用于地面人員對塔吊群遠(yuǎn)程設(shè)定、實時監(jiān)測和人工調(diào)度；2)一無線通信模塊，該模塊具有RS232標(biāo)準(zhǔn)接口，具備9.6Kbps以上波特率，用于完成地面控制臺與終端測控設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸；無線通信模塊通過RS232接口與計算機(jī)連接。
本發(fā)明的塔吊群交叉作業(yè)的安全防護(hù)智能測控儀器，適用于平動式塔吊群交叉作業(yè)的安全防護(hù)，其中包括交叉作業(yè)塔吊間的防碰控制，交叉作業(yè)區(qū)內(nèi)工作塔吊的數(shù)目控制，塔吊與周邊樓宇的防碰控制，塔吊工作區(qū)域的范圍限定，塔吊工作的限速控制和塔吊的力矩保護(hù)等6種功能。同時還提供塔吊群實時運行狀態(tài)和工作參數(shù)的現(xiàn)場顯示和遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)，群內(nèi)塔吊數(shù)可達(dá)到10臺，每單臺塔吊作業(yè)區(qū)內(nèi)的限制區(qū)域及樓宇防護(hù)可達(dá)到5處，系統(tǒng)響應(yīng)時間為50ms～500ms(響應(yīng)時間可根據(jù)需要，隨電臺波特率的提高而進(jìn)一步縮短)。主要技術(shù)指標(biāo)和其總體技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到行業(yè)先進(jìn)水平。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖；圖2是本發(fā)明的軟件功能結(jié)構(gòu)圖；圖3是本發(fā)明的防碰算法功能結(jié)構(gòu)4是本發(fā)明的終端控制器的電路框圖；；圖5是本發(fā)明的防碰撞算法的實現(xiàn)；為了更清楚的理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和發(fā)明人給出的具體實例，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述與說明。
具體實施例方式
如圖1所示，一種塔吊群交叉作業(yè)的安全防護(hù)智能檢測儀器，其特征在于，該儀器由多套終端設(shè)備和一臺地面控制臺構(gòu)成，終端設(shè)備設(shè)置在每臺作業(yè)塔吊上；所述的終端設(shè)備包括1)一臺終端控制器，內(nèi)含基于ARM7平臺的控制器及相關(guān)信號調(diào)理單元，內(nèi)置終端固件，用于相關(guān)塔吊群各項工作參數(shù)的設(shè)定，狀態(tài)信息的采集與計算，防碰撞算法的運行，塔吊群運行狀態(tài)的實時圖形化顯示；2)提供RS232標(biāo)準(zhǔn)接口，具備9.6Kbps以上波特率的無線通信模塊一臺，用于完成塔吊之間的相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸。
3)1～3個AB相增量編碼器，用于采集塔臂回轉(zhuǎn)，小車運動，吊鉤提升的相對位置信息。
4)2～8個PNP型接近開關(guān)，用于采集塔吊回轉(zhuǎn)，小車運動的矯正信息，以及采集塔臂回轉(zhuǎn)，小車運動，吊鉤提升的相對位置信息(可供選擇的輸入方式)。
5)2個滑動變阻器，用于采集小車運動，吊鉤提升的絕對位置信息(可供選擇的輸入方式)6)1個4～20mA輸出的壓力傳感器，用于測量塔吊的吊重。
7)12個24VDC或110VAC以下額定耐壓的斷路器，最多可控制塔吊2檔位6方向共12組輸出。
地面控制臺包括1)計算機(jī)一臺，內(nèi)置基于虛擬儀器設(shè)計的監(jiān)控軟件。用于地面人員對塔吊群遠(yuǎn)程設(shè)定、實時監(jiān)測和人工調(diào)度。
2)提供RS232標(biāo)準(zhǔn)接口，具備9.6Kbps以上波特率的無線通信模塊一臺，用于完成地面控制臺與終端測控設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸。
其中，根據(jù)塔吊的具體要求在編碼器、接近開關(guān)、滑動變阻器、壓力傳感器中選擇合適的輸入方式，作為系統(tǒng)的檢測單元與終端控制器提供的輸入接口相連。斷路器在與終端控制器提供的輸出接口連接后，串聯(lián)到各向電機(jī)控制回路中。無線通信模塊通過RS232接口與控制終端連接。每臺塔吊需配備該終端設(shè)備一套。
地面控制臺由無線通信模塊通過RS232接口與計算機(jī)連接構(gòu)成?？筛⌒枰?，以施工工地為單位進(jìn)行配置。
采集單元將本機(jī)塔吊塔臂回轉(zhuǎn)、小車運動、吊鉤提升的位置信息、塔吊的吊重、塔臂回轉(zhuǎn)及小車運動的位置矯正信息，經(jīng)過輸入采集單元的信號調(diào)理、數(shù)字量化、光電隔離，輸入終端控制器。其他塔吊的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)通過無線通信模塊接收，并由RS232接口輸入至終端控制器。結(jié)合由現(xiàn)場施工人員通過終端控制器的鍵盤輸入設(shè)定的模型參數(shù)，對本機(jī)的12種獨立運動方式的進(jìn)行通斷判定。決策結(jié)果通過光電隔離、繼電器控制轉(zhuǎn)化為控制動作，對串入到電機(jī)回路的斷路器進(jìn)行控制，以完成塔吊群交叉作業(yè)的安全防護(hù)工作。同時對塔吊群的實時狀態(tài)信息及終端控制器的執(zhí)行動作，在屏幕上進(jìn)行圖形化顯示。塔吊群的實時狀態(tài)信息通過無線通信模塊輸入到地面控制臺的計算機(jī)中，完成塔吊群運轉(zhuǎn)情況的地面監(jiān)測。地面調(diào)度人員也能通過虛擬儀器界面對塔吊群的模型參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，以及對塔吊群進(jìn)行人工調(diào)度。
如圖2，所示終端軟件共分為四大模塊，無線自組織網(wǎng)絡(luò)模塊(包括接入點的身份驗證機(jī)制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蒎e控制、無線網(wǎng)絡(luò)的Qos控制和動態(tài)接入退出的服務(wù))、人機(jī)交互界面模塊(包括圖形化實時顯示，菜單管理、參數(shù)的鍵盤錄入和狀態(tài)燈，蜂鳴器等警示裝置的控制)、數(shù)據(jù)管理模塊(包括模擬和數(shù)字信號的數(shù)據(jù)采集、增量式編碼器信號的解碼實現(xiàn)、本機(jī)數(shù)據(jù)的存儲與恢復(fù)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的壓縮解壓和歷史數(shù)據(jù)的備份與查詢)，輸出控制模塊(包括交叉作業(yè)塔吊間的防碰控制、交叉作業(yè)區(qū)內(nèi)工作塔吊的數(shù)目控制、塔吊與周邊樓宇的防碰控制、塔吊工作區(qū)域的范圍限定、塔吊工作的限速控制和塔吊的力矩保護(hù))。各任務(wù)由嵌入式實時操作系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度。地面控制臺軟件由無線自組織網(wǎng)絡(luò)模塊，數(shù)據(jù)庫管理模塊和虛擬儀器模塊構(gòu)成，完成塔吊群參數(shù)的遠(yuǎn)程設(shè)定，塔吊群工作狀態(tài)的地面監(jiān)測和塔吊群工作的地面調(diào)度等功能。
如圖3，其中圖3(A)所示為交叉作業(yè)塔吊間的防碰撞情況。所說的碰撞包括防止等高塔吊之間塔臂的碰撞，防止低塔吊塔臂與高塔吊吊繩和貨物的碰撞，防止本機(jī)塔臂、貨物與對方塔身的碰撞，防止塔臂和貨物的慣性碰撞等。圖3(B)所示為塔吊吊重時傾倒的力矩保護(hù)。(C)所示為塔吊作業(yè)的區(qū)域限定。其中包括，吊重范圍的工地限制，吊重范圍內(nèi)的區(qū)域(如道路，民房的上空)避讓。其中還包括塔吊塔臂與樓宇，貨物與樓宇的碰撞情況。
圖4是發(fā)明人給出的終端控制器的電路框圖?？刂破鞯暮诵臑榛贏RM7TDMI架構(gòu)的S3C44B0X芯片。配合8MB的K4S166432內(nèi)存芯片和2MB的39VF1601閃存芯片構(gòu)成控制器的最小系統(tǒng)。S3C44B0X提供的UART接口通過MAX3232的電平轉(zhuǎn)換，對外提供一組帶硬件流控制的5線串口，供電臺傳輸數(shù)據(jù)使用。S3C44B0X提供的一組LCD接口通過轉(zhuǎn)接板直接驅(qū)動5.7英寸的液晶屏，完成圖形和數(shù)據(jù)的顯示。ZLG7290完成鍵盤掃描工作，鍵值由IIC總線送入S3C44B0X。S3C44B0X通過EMIF接口讀取CPLDEPM7128內(nèi)的寄存器完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及輸出控制。增量式編碼器和接近開關(guān)的數(shù)字信號通過TLP521的光電隔離送入EPM7128進(jìn)行解碼。壓力變送器輸出的4-20mA電流信號通過RCV420轉(zhuǎn)換位電壓信號，連同滑動變阻器上的壓降，分別通過運放LM324進(jìn)行信號調(diào)離后，由TLV2544完成多路AD轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)果經(jīng)由6N139進(jìn)行光電隔離，由SN74ALV164245電平轉(zhuǎn)換，送入EPM7128內(nèi)。系統(tǒng)輸出從EPM7128經(jīng)過SN74ALV164245電平轉(zhuǎn)換后，由TIL113進(jìn)行光電隔離。12路輸出經(jīng)由繼電器后控制斷路器，4路輸出將直接驅(qū)動警示燈和蜂鳴器正常工作。
參見圖5，圖5是防碰算法的主要實現(xiàn)過程。交叉作業(yè)塔吊的實時狀態(tài)歸一為成以點和線段元素的集合。以最小距離規(guī)則選擇得到的限制區(qū)域，通過分解模型，也成為線段集合。對方塔吊的點線集合采用最近更新規(guī)則和進(jìn)入交叉作業(yè)區(qū)規(guī)則進(jìn)行選擇。將結(jié)果與線段集合，依次與本機(jī)實時狀態(tài)信息組合后進(jìn)入點線旋轉(zhuǎn)模型。經(jīng)過碰撞檢測和防碰撞決策，產(chǎn)生判決結(jié)果。通過關(guān)聯(lián)輸出模型進(jìn)行輸出控制。
本發(fā)明的儀器成本低、功能強(qiáng)、精度高，速度極快，操作方便，具有高度智能化與自動化功能。
本發(fā)明已完成樣機(jī)的研制，經(jīng)過工地的現(xiàn)場調(diào)試，并以在新加坡投入試運行，運行結(jié)果表明，工作穩(wěn)定可靠，完全可以替代國外同類型產(chǎn)品。
本發(fā)明的塔吊群交叉作業(yè)的安全防護(hù)智能測控儀器，適用于平動式塔吊群交叉作業(yè)的安全防護(hù)，其中包括交叉作業(yè)塔吊間的防碰控制，交叉作業(yè)區(qū)內(nèi)工作塔吊的數(shù)目控制，塔吊與周邊樓宇的防碰控制，塔吊工作區(qū)域的范圍限定，塔吊工作的限速控制和塔吊的力矩保護(hù)等6種功能。同時還提供塔吊群實時運行狀態(tài)和工作參數(shù)的現(xiàn)場顯示和遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)，群內(nèi)塔吊書可達(dá)到10臺，每單臺塔吊作業(yè)區(qū)內(nèi)的限制區(qū)域及樓宇防護(hù)可達(dá)到5處，系統(tǒng)響應(yīng)時間為50ms～500ms(響應(yīng)時間可根據(jù)需要，隨電臺波特率的提高而進(jìn)一步縮短)，主要技術(shù)指標(biāo)和其總體技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到行業(yè)先進(jìn)水平。
權(quán)利要求
1.一種塔吊群交叉作業(yè)的安全防護(hù)智能檢測儀器，其特征在于，其特征在于，該儀器由多套終端設(shè)備和一臺地面控制臺構(gòu)成，終端設(shè)備設(shè)置在每臺作業(yè)塔吊上；所述的終端設(shè)備包括1)一終端控制器，內(nèi)置終端軟件，用于相關(guān)塔吊群各項工作參數(shù)的設(shè)定，狀態(tài)信息的采集與計算，防碰撞算法的運行，塔吊群運行狀態(tài)的實時圖形化顯示；2)一無線通信模塊，該模塊具有RS232標(biāo)準(zhǔn)接口，具備9.6Kbps以上波特率，用于完成塔吊之間的相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸；3)1～3個AB相增量編碼器，用于采集塔臂回轉(zhuǎn)，小車運動，吊鉤提升的相對位置信息；4)2～8個PNP型接近開關(guān)，用于采集塔吊回轉(zhuǎn)，小車運動的矯正信息，以及采集塔臂回轉(zhuǎn)，小車運動，吊鉤提升的相對位置信息；5)2個滑動變阻器，用于采集小車運動，吊鉤提升的位置信息；6)1個4～20mA輸出的壓力傳感器，用于測量塔吊的吊重；7)12個24VDC或110VAC以下額定耐壓的斷路器，用于控制塔吊2檔位6方向共12組輸出；上述AB相編碼器、接近開關(guān)、滑動變阻器、壓力傳感器作為儀器的檢測單元與終端控制器提供的輸入接口相連，斷路器在與終端控制器提供的輸出接口連接后，串聯(lián)到各向電機(jī)控制回路中，無線通信模塊通過RS232接口與控制終端連接；所述的地面控制臺包括1)一臺計算機(jī)，內(nèi)置基于虛擬儀器設(shè)計的監(jiān)控軟件，用于地面人員對塔吊群遠(yuǎn)程設(shè)定、實時監(jiān)測和人工調(diào)度；2)一無線通信模塊，該模塊具有RS232標(biāo)準(zhǔn)接口，具備9.6Kbps以上波特率，用于完成地面控制臺與終端測控設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸；無線通信模塊通過RS232接口與計算機(jī)連接。
2.如權(quán)利要求1所述的塔吊群交叉作業(yè)的安全防護(hù)智能檢測儀器，其特征在于，所述的終端控制器的核心為基于ARM7TDMI架構(gòu)的S3C44B0X芯片，配合8MB的K4S166432內(nèi)存芯片和2MB的39VF1601閃存芯片構(gòu)成控制器的最小系統(tǒng)；其中S3C44B0X提供的UART接口通過MAX3232的電平轉(zhuǎn)換，對外提供一組帶硬件流控制的5線串口，供電臺傳輸數(shù)據(jù)使用。
3.如權(quán)利要求1所述的塔吊群交叉作業(yè)的安全防護(hù)智能檢測儀器，其特征在于，所述的終端軟件由無限自組織網(wǎng)絡(luò)模塊、人機(jī)交互模塊、數(shù)據(jù)管理模塊和輸出控制模塊構(gòu)成；所述的監(jiān)控軟件由無線自組織網(wǎng)絡(luò)模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊和虛擬儀器模塊構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種塔吊群交叉作業(yè)的安全防護(hù)智能檢測儀器，該儀器由多套終端設(shè)備和一臺地面控制臺構(gòu)成，終端設(shè)備設(shè)置在每臺作業(yè)塔吊上；該儀器制造成本低、功能強(qiáng)、精度高，速度快，操作方便，適用于平動式塔吊群交叉作業(yè)的安全防護(hù)，其中包括交叉作業(yè)塔吊間的防碰控制，交叉作業(yè)區(qū)內(nèi)工作塔吊的數(shù)目控制，塔吊與周邊樓宇的防碰控制，塔吊工作區(qū)域的范圍限定，塔吊工作的限速控制和塔吊的力矩保護(hù)等6種功能。同時還提供塔吊群實時運行狀態(tài)和工作參數(shù)的現(xiàn)場顯示和遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)，群內(nèi)塔吊數(shù)可達(dá)到10臺，每單臺塔吊作業(yè)區(qū)內(nèi)的限制區(qū)域及樓宇防護(hù)可達(dá)到5處，系統(tǒng)響應(yīng)時間為50ms～500ms，并可根據(jù)需要，隨電臺波特率的提高而進(jìn)一步縮短。
文檔編號H04L12/28GK1819521SQ20061004183
公開日2006年8月16日 申請日期2006年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月27日
發(fā)明者韓九強(qiáng), 趙瑋, 魏全瑞, 張新曼, 申建坤 申請人:西安交通大學(xué)