文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.182260
中文引用格式： 孫操，劉士興，宋亞杰，等. 施工升降機(jī)防墜安全器嵌入式檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2019，45(2)：105-108.
英文引用格式： Sun Cao，Liu Shixing，Song Yajie，et al. Design of the embedded detection system of construction elevator anti-falling safety device[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(2)：105-108.
0 引言
施工升降機(jī)是建筑施工垂直運(yùn)輸不可或缺的施工機(jī)械，保證施工升降機(jī)的安全使用，減少安全事故的發(fā)生尤其重要。防墜安全器是施工升降機(jī)上防止超速墜落，保證施工升降機(jī)安全運(yùn)行最重要的裝置。為保證防墜安全器有效可靠，定期對(duì)防墜安全器進(jìn)行有效檢測(cè)是必不可少的防范措施[1-3]。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 34025-2017《施工升降機(jī)用齒輪漸進(jìn)式防墜安全器》是齒輪漸進(jìn)式防墜安全器的現(xiàn)行檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，其中規(guī)定齒輪漸進(jìn)式防墜安全器定期檢驗(yàn)最主要的檢測(cè)參數(shù)是制動(dòng)距離和動(dòng)作速度。目前行業(yè)內(nèi)施工升降機(jī)防墜安全器的主要檢測(cè)方法有試驗(yàn)臺(tái)法和試驗(yàn)架法。試驗(yàn)臺(tái)法是采用專(zhuān)用試驗(yàn)臺(tái)模擬防墜安全器工作條件，對(duì)防墜安全器進(jìn)行擬真測(cè)算，其檢測(cè)結(jié)果無(wú)法完全反映真實(shí)工況下防墜安全器的性能，測(cè)量誤差較大；常規(guī)的試驗(yàn)架法采用游標(biāo)卡尺測(cè)量防墜安全器蝶形彈簧的壓縮量，依此計(jì)算制動(dòng)距離，測(cè)量精度難以保證，且難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)速度的測(cè)量。因此，有必要研究一種新的測(cè)量方法替代傳統(tǒng)檢測(cè)方法，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性、全面性和便捷性。
本文施工升降機(jī)防墜安全器嵌入式檢測(cè)系統(tǒng)針對(duì)SAJ30/40型齒輪漸進(jìn)式防墜安全器基本檢測(cè)要求,是以功能集成化和操作人性化為目標(biāo)而設(shè)計(jì)的嵌入式檢測(cè)設(shè)備，采用角度傳感器和速度傳感器作為檢測(cè)防墜安全器制動(dòng)距離和動(dòng)作速度的基本測(cè)量器件，通過(guò)工業(yè)平板PC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析處理。施工升降機(jī)防墜安全器嵌入式檢測(cè)系統(tǒng)提升了防墜安全器現(xiàn)場(chǎng)定期檢測(cè)的全面性及便捷性，提高了檢測(cè)的準(zhǔn)確性。
1 檢測(cè)原理
防墜安全器定期檢測(cè)的主要參數(shù)是制動(dòng)距離和動(dòng)作速度，基于這兩種參數(shù)的檢測(cè)要求設(shè)計(jì)了施工升降機(jī)防墜安全器嵌入式檢測(cè)系統(tǒng)。
1.1 齒輪漸進(jìn)式防墜安全器工作原理
施工升降機(jī)運(yùn)行時(shí)通過(guò)齒條齒輪帶動(dòng)防墜安全器離心制動(dòng)塊旋轉(zhuǎn)，當(dāng)升降機(jī)下行速度達(dá)到動(dòng)作速度時(shí)，防墜安全器啟動(dòng)制動(dòng)過(guò)程。如圖1所示，防墜安全器齒輪與離心制動(dòng)塊共軸，達(dá)到動(dòng)作速度時(shí)，離心制動(dòng)塊甩開(kāi)嵌入錐轂內(nèi)側(cè)的凹槽并帶動(dòng)錐轂轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪、離心制動(dòng)塊和錐轂三者同角度共軸旋轉(zhuǎn)，錐轂外側(cè)與摩擦板之間的摩擦力是防墜安全器的最終制動(dòng)力[4]，并通過(guò)齒輪齒條制停升降機(jī)。制動(dòng)距離是制動(dòng)過(guò)程中升降機(jī)的運(yùn)行距離，與制動(dòng)過(guò)程中齒輪旋轉(zhuǎn)角度對(duì)應(yīng)的分度圓弧長(zhǎng)成線(xiàn)性關(guān)系。
1.2 制動(dòng)距離測(cè)量原理
施工升降機(jī)制動(dòng)過(guò)程中，防墜安全器齒輪、離心制動(dòng)塊和錐轂三者同角度共軸旋轉(zhuǎn)，齒輪和錐轂旋轉(zhuǎn)的角度值相同，根據(jù)GB/T 34025-2017《施工升降機(jī)用齒輪漸進(jìn)式防墜安全器》，防墜安全器制動(dòng)距離的計(jì)算公式如式(1)所示。
式中L為防墜安全器的制動(dòng)距離；d1為齒輪分度圓直徑，本文采用的齒輪d1=120mm；β為錐轂旋轉(zhuǎn)角度。
如圖2所示，制動(dòng)過(guò)程中防墜安全器卸載螺栓與錐轂以相同角度旋轉(zhuǎn)，防墜安全器檢測(cè)系統(tǒng)采用角度傳感器直接測(cè)量卸載螺栓在制動(dòng)過(guò)程中的旋轉(zhuǎn)角度。
1.3 速度測(cè)量原理
防墜安全器檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)速度傳感器測(cè)量施工升降機(jī)的運(yùn)行速度。如圖2所示，測(cè)速系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)齒輪與升降機(jī)的齒條嚙合，速度傳感器測(cè)量結(jié)構(gòu)齒輪的轉(zhuǎn)速，根據(jù)齒輪轉(zhuǎn)速和分度圓直徑計(jì)算升降機(jī)的運(yùn)行速度：
式中V為升降機(jī)運(yùn)行速度(m/s)；d2為齒輪分度圓直徑，本文采用的齒輪d2=120 mm；n為齒輪轉(zhuǎn)速(r/min)。
防墜安全器的動(dòng)作速度是防墜安全器開(kāi)始動(dòng)作時(shí)升降機(jī)的運(yùn)行速度，防墜安全器動(dòng)作時(shí)角度傳感器測(cè)量角度的變化，故動(dòng)作速度近似為角度傳感器角度值開(kāi)始變化時(shí)升降機(jī)的運(yùn)行速度。利用角度傳感器和速度傳感器采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)描繪參數(shù)-時(shí)間曲線(xiàn)，由角度-時(shí)間曲線(xiàn)可得角度開(kāi)始變化的時(shí)刻t1，由速度-時(shí)間曲線(xiàn)可得t1時(shí)刻升降機(jī)的運(yùn)行速度，即防墜安全器的動(dòng)作速度。
2 檢測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
如圖3所示，防墜安全器檢測(cè)系統(tǒng)主要由工業(yè)平板PC、角度傳感器和速度傳感器組成，配備微型打印機(jī)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果的在線(xiàn)打印。
2.1 工業(yè)平板PC
工業(yè)平板PC是檢測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)傳感器采集數(shù)據(jù)分析、顯示和存儲(chǔ)的核心設(shè)備，工業(yè)平板PC內(nèi)部采用三星S5P4418核心板、四核Cortex-A9架構(gòu)，操作系統(tǒng)為Android4.4.2，具有2路RS485和2路RS232工業(yè)接口。
2.2 角度傳感器
角度傳感器采用絕對(duì)值編碼器，分辨率為1 024脈沖/轉(zhuǎn)，支持RS485 MODBUS RTU工作方式，以差分平衡方式傳輸信號(hào)，具有很強(qiáng)的抗共模干擾能力[5-6]。MODBUS協(xié)議是工業(yè)上常用的通信協(xié)議，其標(biāo)準(zhǔn)如下：
[地址碼][功能碼][數(shù)據(jù)區(qū)][校驗(yàn)碼]
MODBUS協(xié)議RTU工作模式下，每個(gè)報(bào)文須以連續(xù)字符流進(jìn)行傳送且采用CRC校驗(yàn)，具有較高的數(shù)據(jù)密度，并且傳輸穩(wěn)定，通信效率高[7-8]。
2.3 速度傳感器
速度傳感器由增量編碼器和測(cè)速模塊組成。增量編碼器分辨率1 200脈沖/轉(zhuǎn)，推挽輸出方式。測(cè)速模塊以STM32F103控制器為核心，將增量編碼器輸出的脈沖信號(hào)處理為轉(zhuǎn)速，通過(guò)RS232接口與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通信[9]。
3 數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)軟件
防墜安全器檢測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)程序是基于Android系統(tǒng)平臺(tái)，以Java為基本編程語(yǔ)言，采用可擴(kuò)展開(kāi)發(fā)工具Eclipse設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)分析軟件[10-14]。
3.1 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
防墜安全器檢測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)軟件通過(guò)串口設(shè)置和讀寫(xiě)串口等操作實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與傳感器之間的數(shù)據(jù)通信。如圖4所示，程序開(kāi)始運(yùn)行后，打開(kāi)相應(yīng)的串口，開(kāi)啟線(xiàn)程，上位機(jī)連續(xù)讀取傳感器數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算、顯示和存儲(chǔ)，觸發(fā)“停止”命令，程序關(guān)閉相應(yīng)的線(xiàn)程和串口，數(shù)據(jù)采集計(jì)算過(guò)程結(jié)束。
3.2 軟件通信主要函數(shù)
系統(tǒng)上位機(jī)和下位機(jī)通過(guò)RS485和RS232實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，上位機(jī)程序設(shè)計(jì)過(guò)程中主要涉及SerialPort類(lèi)，SerialPort類(lèi)是為了方便串口操作而單獨(dú)封裝的串口類(lèi)，提供了操作串口一系列方法及屬性。通過(guò)創(chuàng)建SerialPort類(lèi)的兩個(gè)實(shí)例化對(duì)象mSerialPort1和mSerialPort2用于對(duì)COM1和COM2兩個(gè)通信端口進(jìn)行操作，COM1端口和COM2端口分別是工業(yè)平板PC與角度傳感器、速度傳感器連接的物理接口。防墜安全器檢測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)軟件對(duì)串口的操作有4種操作方式，應(yīng)用示例代碼如下。
……
//實(shí)例化SerialPort對(duì)象
SerialPort mSerialPort1 = new SerialPort();
……
//打開(kāi)串口
mSerialPort1.open("COM1", 115200, 8, "N", 1);
……
//開(kāi)啟線(xiàn)程
ReadThread mReadThread = new ReadThread();
mReadThread.start();
……
//串口寫(xiě)操作
mSerialPort1.write(c, 8);
……
//串口讀操作
size1 = mSerialPort1.read(buffer1, buffer1.length);
……
//關(guān)閉串口
mSerialPort1.close()；
4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與處理
采用實(shí)驗(yàn)架法進(jìn)行施工升降機(jī)墜落-制動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，利用origin8描繪傳感器采集的數(shù)據(jù)曲線(xiàn)。如圖5所示，t1時(shí)刻防墜安全器開(kāi)始動(dòng)作，錐轂旋轉(zhuǎn)，角度傳感器采集角度變化量，同時(shí)防墜安全器的制動(dòng)作用使升降機(jī)墜落速度開(kāi)始減小。在制動(dòng)過(guò)程初期，由于離心制動(dòng)塊與錐轂進(jìn)行剛性契合，導(dǎo)致防墜安全器制動(dòng)作用力不穩(wěn)定，升降機(jī)速度產(chǎn)生波動(dòng)，一定時(shí)間后，制動(dòng)作用力逐漸穩(wěn)定，升降機(jī)絕對(duì)速度以相對(duì)平穩(wěn)的方式逐漸減小，直至最終停止，制動(dòng)過(guò)程結(jié)束。
實(shí)驗(yàn)采用速度和角度兩種測(cè)量分析方法對(duì)比驗(yàn)證制動(dòng)距離測(cè)量的準(zhǔn)確性。對(duì)制動(dòng)過(guò)程中升降機(jī)的運(yùn)行速度V進(jìn)行積分運(yùn)算和誤差處理，運(yùn)算結(jié)果即為制動(dòng)過(guò)程中升降機(jī)的運(yùn)動(dòng)距離L1，利用角度值和式(1)可計(jì)算制動(dòng)距離L2。
現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的6組數(shù)據(jù)如表1所示，制動(dòng)距離L2和制動(dòng)距離L1具有較好的一致性，制動(dòng)距離L1較制動(dòng)距離L2略微偏大，這主要是由于防墜安全器開(kāi)始動(dòng)作時(shí)離心制動(dòng)塊與錐轂進(jìn)行剛性契合，契合過(guò)程中升降機(jī)會(huì)產(chǎn)生間隙性短暫空滑，造成積分運(yùn)算得到的L1相對(duì)于真實(shí)制動(dòng)距離必然偏大，應(yīng)該說(shuō)角度傳感器測(cè)得的制動(dòng)距離L2更加準(zhǔn)確，更能反映防墜安全器的真實(shí)制動(dòng)性能。
5 結(jié)論
施工升降機(jī)防墜安全器嵌入式檢測(cè)系統(tǒng)是以傳感器器件作為檢測(cè)基礎(chǔ)的嵌入式檢測(cè)設(shè)備，基于Android平臺(tái)及Java編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)了上位機(jī)分析軟件，以串口通信的方式實(shí)現(xiàn)傳感器和上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。本檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)于制動(dòng)距離的理論測(cè)量精度約為±1 mm，完全可以滿(mǎn)足施工升降機(jī)防墜安全器的檢測(cè)要求。
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作者信息:
孫 操1，劉士興1，宋亞杰1，黃 飛1，魯 偉1，張申生2，王金博2，陳 強(qiáng)2
(1.合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽 合肥230009；2.安徽省特種設(shè)備檢測(cè)院，安徽 合肥230051)