引言
塔式起重機大規(guī)模應用于工程建設中，我國每年都會發(fā)生 多起塔機倒塌事故?。為了防止重大事故的發(fā)生，保證塔機運 行安全可靠，減少因事故造成的人員和經(jīng)濟損失，非常有必要 開發(fā)一套可靠性和實時性高、功能強大、成本低的安全監(jiān)控系 統(tǒng)?？刂破骶钟蚓W(wǎng)CAN(ControllerAreaNetwork)總線是一種有 效支持分布式實時控制的串行通信網(wǎng)絡。CAN總線由于具有 傳輸距離長、報文短、通信速率高、出錯率低、糾錯能力強、實時 性和可靠性高、控制簡單等優(yōu)點j，被廣泛應用于自動化控制 系統(tǒng)中?；贑AN總線的塔機安全監(jiān)控系統(tǒng)可以很好的滿足 上述要求。

系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲采用總線型拓撲。這種結構優(yōu)點是采用單 一 信道作為傳輸介質(zhì)，所需電纜長度短，布線容易，工作的可靠 性高，增加和減少節(jié)點都很方便。

一 、塔機安全監(jiān)控系統(tǒng)設計
1．1監(jiān)控系統(tǒng)整體結構設計
塔機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)主要由HMI、CAN總線、數(shù)據(jù)采集模塊和繼電器 模塊組成，系統(tǒng)結構如圖1所示。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊有起重量 檢測模塊、幅度檢測模塊、高度檢測模塊和角度檢測模塊。HMI 通過CAN接口將系統(tǒng)初始參數(shù)(起重零點和參考載重校準信 號、最小幅度和最大幅度校準信號、起升高度零點和起升標準 高度校準信號、回轉(zhuǎn)角度零點校準信號)發(fā)送到CAN總線上， 各數(shù)據(jù)采集模塊通過判斷接收保存需要的參數(shù)。傳感器檢測 塔機運行時的工作參數(shù)：起吊重量、小車行走幅度、重物提升高 度和臂架回轉(zhuǎn)角度，各個數(shù)據(jù)采集模塊的MCU將檢測到的數(shù) 據(jù)處理后通過CAN接口實時發(fā)送到CAN總線上，HMI通過 CAN接口接收數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送到CAN總線上的數(shù)據(jù)，并通 過硬件和軟件編程方式對接收到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行顯示、存儲、 比較報警處理。

塔機安全監(jiān)控系統(tǒng)主要功能：
(1)實時檢測功能，實時監(jiān)測塔機運行時的各狀態(tài)參數(shù)。
(2)實時顯示功能，實時顯示塔機運行時的工作參數(shù)值。
(3)報警和自動斷電停機功能，系統(tǒng)識別塔機的運行狀態(tài) 后，做出相應的處理。當塔機運行時的狀態(tài)參數(shù)值超過其設定 的極限值時，系統(tǒng)報警并斷電停止塔機工作。
(4)參數(shù)設定功能，由于不同型號塔機具有不同的固定參 數(shù)，可通過按鍵實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的修改設置，提高系統(tǒng)的通用性。
(5)數(shù)據(jù)存儲功能，記錄塔機工作參數(shù)，作為分析事故原因 的原始數(shù)據(jù)以及塔機工作損耗的參考。

1．2硬件電路設計
該監(jiān)控系統(tǒng)硬件主要有單片機STC89C516、液晶顯示器 CA320240B、CAN接口、CAN總線、A／D轉(zhuǎn)換芯片、U盤及U盤 接口芯片等。系統(tǒng)以STC89C516為核心，實現(xiàn)對塔機運行過程 狀態(tài)的監(jiān)控、顯示、記錄和報警。系統(tǒng)模塊有人機界面模塊、數(shù) 據(jù)采集模塊和繼電器模塊。數(shù)據(jù)采集模塊共有4個部分：起重 量檢測模塊、幅度檢測模塊、高度檢測模塊和角度檢測模塊，完 成基本的模擬量和數(shù)字量的采集及CAN總線的通信功能。

1．2．1CAN總線
CAN總線是一種性價比非常高的現(xiàn)場總線，與一般的通信 總線相比，它的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活 性J。主要技術特點有：多主方式；節(jié)點分成不同的優(yōu)先級，可 滿足不同的實時要求；采用非破壞總線仲裁技術；極好的檢錯 效果；通信距離最長lOkm，速率最高達1Mbps．CAN總線上任 意2個節(jié)點之間的最大傳輸距離與其位速率的關系 塔機上的通信距離一般就幾十m長，CAN總線完全可以 滿足要求，結合塔機工作的實際情況，選擇最高通信速率1Mb- ps·

1．2．2CAN接口電路設計
CAN接口主要由CAN控制器SJA1000和CAN收發(fā)器 TJA1050組成。CAN控制器SJA1000支持CAN2．0A和 CAN2．0B協(xié)議，可以支持11位、29位標識碼，具有很強的擴展 性。CAN收發(fā)器TJA1050是CAN控制器與物理總線之間的接 口芯片，支持對CAN總線的差動發(fā)送和接收功能。它的電磁 抗干擾EMI性極高，且與ISO11898標準完全兼容。CAN總線 接口是數(shù)據(jù)采集模塊和上位機通信的模塊，如圖2所示。 SJA1000與單片機的引腳連接如圖所示。TJA1050的引腳8 (S)用于選定收發(fā)器的工作模式，引腳接地表示TJA1050進入 高速模式。收發(fā)器和總線的接口部分必須要加保護防干擾電 路，和魄為CAN匹配電阻，電容C具有退藕作用，c3和c4 起濾波作用。

1．2．3起重量數(shù)據(jù)采集模塊硬件電路設計
塔機的工作環(huán)境惡劣，周圍各種干擾較為嚴重，系統(tǒng)的抗 干擾能力、可靠性、通用性和靈活性要強，根據(jù)CAN通信模塊 加上不同外部電路，電源電壓調(diào)節(jié)電路人機接口輸入電路等。 模塊的電路結構如圖3。 重量檢測模塊傳感器采用DEE系列稱重傳感器，為了提高 測量的準確性，根據(jù)實際情況不同噸位的塔機應采用不同量程 的傳感器。A／D轉(zhuǎn)換采用16位高精度串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器 CS5523，該芯片內(nèi)集成了1個儀表放大器、1個可編程增益放大 器、多路開關、數(shù)字濾波器、自校正和系統(tǒng)校正電路。通過簡單 的串行連接，MCU可方便地控制CS5523,實現(xiàn)多通道高精度的A/D轉(zhuǎn)換。 傳感器將檢測到的信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器處理將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入MCU，MCU進一步處理數(shù)據(jù)，在程序中計算當前重量以及當 前重量占總重量的百分比。電路中單片機的外部中斷信息由SJA1000的內(nèi)部寄存器，提取數(shù)據(jù)確定具體的中斷事件，并做出下應的反 饋。

1.2.4 其它數(shù)據(jù)采集模塊電路設計
其它數(shù)據(jù)采集模塊和角度檢測模塊的檢測工作原理完全相同。在塔機幅度、高度和角度限制器的伸出軕上加一塊一半是N極一 半是S極的圓形磁鐵，當塔機工作時磁鐵和軸一起旋轉(zhuǎn)，利用磁鐵轉(zhuǎn)極性的變化檢測出小車牽引器機、卷楊機和塔臂轉(zhuǎn)過的圈數(shù)，在 程序中計算出幅度、高度和角度。硬件原理框如圖4所示

1.2.5人機界面硬件電路設計
圖5為人機界面原理框圖，液晶顯示器CA320240B使用功能強大的S1D13305作為控制器。內(nèi)部固化160種5*7點陳的字符，具有文本和圖 形混合顯示功能，系統(tǒng)采用Inte8080時序。 顯示器實時顯示塔機工作時的力矩、重量、幅度、高度和角度數(shù)值，并圖形顯示塔機起重機特性圖和當前工作點的位置。圖6為塔機 起重特性圖，圖中陰影部分為塔機安全工作區(qū)域，正常工作點必須處于陰影區(qū)域內(nèi)，當工作點超過最大力矩的80%時系統(tǒng)給出預警信 號（黃色LED燈亮報警），超過100%發(fā)出報警信號（紅色LED燈亮和蜂鳴器報警），同時對繼電影模塊動作止電動工作。 系統(tǒng)采用大容量8GU盤存儲數(shù)據(jù)，存儲內(nèi)容為塔機每次開作的年份、日期、開始時間、結束時間、開始高度、結束高度、開始角度、 最大力矩和警告。當發(fā)生安全事故或需要評估塔機的使用壽命時，可導出數(shù)據(jù)進行分析。