《電子技術(shù)應(yīng)用》
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施工升降機(jī)防墜安全器嵌入式檢測系統(tǒng)設(shè)計
2019年電子技術(shù)應(yīng)用第2期
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)備檢測院，安徽 合肥230051
摘要： 作為施工升降機(jī)最重要的安全部件，防墜安全器的定期檢測尤為重要。基于Android平臺設(shè)計了SAJ30/40型齒輪漸進(jìn)式防墜安全器嵌入式檢測系統(tǒng)，分別采用角度傳感器和速度傳感器測量防墜安全器錐轂旋轉(zhuǎn)角度和升降機(jī)實時運(yùn)行速度，通過上位機(jī)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，輸出防墜安全器的制動距離和動作速度。現(xiàn)場試驗架法檢測實驗結(jié)果表明，檢測系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確測量防墜安全器制動距離等檢測參數(shù)，制動距離的測量精度為±1 mm。
中圖分類號： TH89；TN919.6
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： 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系統(tǒng)設(shè)計[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.
Design of the embedded detection system of construction elevator anti-falling safety device
Sun Cao1，Liu Shixing1，Song Yajie1，Huang Fei1，Lu Wei1，Zhang Shensheng2，Wang Jinbo2，Chen Qiang2
1.School of Electronic Science & Applied Physics，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China； 2.Anhui Special Equipment Inspection Institute，Hefei 230051，China
Abstract： As the most important safety component of the construction elevators, the periodic detection of anti-falling safety devices is particularly important. The embedded detection system based on the Android platform of the SAJ30/40 gear progressive anti-falling safety device was designed, the angle sensor was used to measure the rotation angle of cone hub of the anti-falling safety device and the speed sensor was used to measure the real-time running speed of the elevator respectively, the data was processed by the upper computer analysis software, the braking distance and the operating speed of the anti-falling safety device were output. The test results of the method of the field test frame show that the detection system can measure the braking distance of the anti-falling safety device and other testing parameters accurately, and the measurement accuracy of the braking distance is ±1 millimeter.
Key words : anti-falling safety device；embedded；angle sensor；braking distance；Android

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，定期對防墜安全器進(jìn)行有效檢測是必不可少的防范措施[1-3]。國家標(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)行檢測標(biāo)準(zhǔn)，其中規(guī)定齒輪漸進(jìn)式防墜安全器定期檢驗最主要的檢測參數(shù)是制動距離和動作速度。目前行業(yè)內(nèi)施工升降機(jī)防墜安全器的主要檢測方法有試驗臺法和試驗架法。試驗臺法是采用專用試驗臺模擬防墜安全器工作條件，對防墜安全器進(jìn)行擬真測算，其檢測結(jié)果無法完全反映真實工況下防墜安全器的性能，測量誤差較大；常規(guī)的試驗架法采用游標(biāo)卡尺測量防墜安全器蝶形彈簧的壓縮量，依此計算制動距離，測量精度難以保證，且難以同時實現(xiàn)速度的測量。因此，有必要研究一種新的測量方法替代傳統(tǒng)檢測方法，提高檢測的準(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系統(tǒng)針對SAJ30/40型齒輪漸進(jìn)式防墜安全器基本檢測要求,是以功能集成化和操作人性化為目標(biāo)而設(shè)計的嵌入式檢測設(shè)備，采用角度傳感器和速度傳感器作為檢測防墜安全器制動距離和動作速度的基本測量器件，通過工業(yè)平板PC實現(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系統(tǒng)提升了防墜安全器現(xiàn)場定期檢測的全面性及便捷性，提高了檢測的準(zhǔn)確性。

1 檢測原理

    防墜安全器定期檢測的主要參數(shù)是制動距離和動作速度，基于這兩種參數(shù)的檢測要求設(shè)計了施工升降機(jī)防墜安全器嵌入式檢測系統(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)行時通過齒條齒輪帶動防墜安全器離心制動塊旋轉(zhuǎn)，當(dāng)升降機(jī)下行速度達(dá)到動作速度時，防墜安全器啟動制動過程。如圖1所示，防墜安全器齒輪與離心制動塊共軸，達(dá)到動作速度時，離心制動塊甩開嵌入錐轂內(nèi)側(cè)的凹槽并帶動錐轂轉(zhuǎn)動，齒輪、離心制動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力[4]，并通過齒輪齒條制停升降機(jī)。制動距離是制動過程中升降機(jī)的運(yùn)行距離，與制動過程中齒輪旋轉(zhuǎn)角度對應(yīng)的分度圓弧長成線性關(guān)系。

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1.2 制動距離測量原理

    施工升降機(jī)制動過程中，防墜安全器齒輪、離心制動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》，防墜安全器制動距離的計算公式如式(1)所示。

    qrs3-gs1.gif

式中L為防墜安全器的制動距離；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，制動過程中防墜安全器卸載螺栓與錐轂以相同角度旋轉(zhuǎn)，防墜安全器檢測系統(tǒng)采用角度傳感器直接測量卸載螺栓在制動過程中的旋轉(zhuǎn)角度。

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1.3 速度測量原理

    防墜安全器檢測系統(tǒng)通過速度傳感器測量施工升降機(jī)的運(yùn)行速度。如圖2所示，測速系統(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)速和分度圓直徑計算升降機(jī)的運(yùn)行速度：

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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)。

    防墜安全器的動作速度是防墜安全器開始動作時升降機(jī)的運(yùn)行速度，防墜安全器動作時角度傳感器測量角度的變化，故動作速度近似為角度傳感器角度值開始變化時升降機(jī)的運(yùn)行速度。利用角度傳感器和速度傳感器采集的實時數(shù)據(jù)描繪參數(shù)-時間曲線，由角度-時間曲線可得角度開始變化的時刻t1，由速度-時間曲線可得t1時刻升降機(jī)的運(yùn)行速度，即防墜安全器的動作速度。

2 檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

    如圖3所示，防墜安全器檢測系統(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)實現(xiàn)檢測結(jié)果的在線打印。

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2.1 工業(yè)平板PC

    工業(yè)平板PC是檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)傳感器采集數(shù)據(jù)分析、顯示和存儲的核心設(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，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)][校驗碼]

    MODBUS協(xié)議RTU工作模式下，每個報文須以連續(xù)字符流進(jìn)行傳送且采用CRC校驗，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。測速模塊以STM32F103控制器為核心，將增量編碼器輸出的脈沖信號處理為轉(zhuǎn)速，通過RS232接口與上位機(jī)實現(xiàn)通信[9]。

3 數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)軟件

    防墜安全器檢測系統(tǒng)上位機(jī)程序是基于Android系統(tǒng)平臺，以Java為基本編程語言，采用可擴(kuò)展開發(fā)工具Eclipse設(shè)計開發(fā)的數(shù)據(jù)分析軟件[10-14]。

3.1 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    防墜安全器檢測系統(tǒng)上位機(jī)軟件通過串口設(shè)置和讀寫串口等操作實現(xiàn)上位機(jī)與傳感器之間的數(shù)據(jù)通信。如圖4所示，程序開始運(yùn)行后，打開相應(yīng)的串口，開啟線程，上位機(jī)連續(xù)讀取傳感器數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的計算、顯示和存儲，觸發(fā)“停止”命令，程序關(guān)閉相應(yīng)的線程和串口，數(shù)據(jù)采集計算過程結(jié)束。

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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RS485和RS232實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，上位機(jī)程序設(shè)計過程中主要涉及SerialPort類，SerialPort類是為了方便串口操作而單獨(dú)封裝的串口類，提供了操作串口一系列方法及屬性。通過創(chuàng)建SerialPort類的兩個實例化對象mSerialPort1和mSerialPort2用于對COM1和COM2兩個通信端口進(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。防墜安全器檢測系統(tǒng)上位機(jī)軟件對串口的操作有4種操作方式，應(yīng)用示例代碼如下。

……

//實例化SerialPort對象

SerialPort mSerialPort1 = new SerialPort();

……

//打開串口

mSerialPort1.open("COM1", 115200, 8, "N", 1);

……

//開啟線程

ReadThread mReadThread = new ReadThread();

mReadThread.start();

……

//串口寫操作

mSerialPort1.write(c, 8);

……

//串口讀操作

size1 = mSerialPort1.read(buffer1, buffer1.length);

……

//關(guān)閉串口

mSerialPort1.close()；

4 實驗數(shù)據(jù)采集與處理

    采用實驗架法進(jìn)行施工升降機(jī)墜落-制動的現(xiàn)場實驗，利用origin8描繪傳感器采集的數(shù)據(jù)曲線。如圖5所示，t1時刻防墜安全器開始動作，錐轂旋轉(zhuǎn)，角度傳感器采集角度變化量，同時防墜安全器的制動作用使升降機(jī)墜落速度開始減小。在制動過程初期，由于離心制動塊與錐轂進(jìn)行剛性契合，導(dǎo)致防墜安全器制動作用力不穩(wěn)定，升降機(jī)速度產(chǎn)生波動，一定時間后，制動作用力逐漸穩(wěn)定，升降機(jī)絕對速度以相對平穩(wěn)的方式逐漸減小，直至最終停止，制動過程結(jié)束。

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    實驗采用速度和角度兩種測量分析方法對比驗證制動距離測量的準(zhǔn)確性。對制動過程中升降機(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)果即為制動過程中升降機(jī)的運(yùn)動距離L1，利用角度值和式(1)可計算制動距離L2。

    現(xiàn)場實驗結(jié)果的6組數(shù)據(jù)如表1所示，制動距離L2和制動距離L1具有較好的一致性，制動距離L1較制動距離L2略微偏大，這主要是由于防墜安全器開始動作時離心制動塊與錐轂進(jìn)行剛性契合，契合過程中升降機(jī)會產(chǎn)生間隙性短暫空滑，造成積分運(yùn)算得到的L1相對于真實制動距離必然偏大，應(yīng)該說角度傳感器測得的制動距離L2更加準(zhǔn)確，更能反映防墜安全器的真實制動性能。

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5 結(jié)論

    施工升降機(jī)防墜安全器嵌入式檢測系統(tǒng)是以傳感器器件作為檢測基礎(chǔ)的嵌入式檢測設(shè)備，基于Android平臺及Java編程語言設(shè)計了上位機(jī)分析軟件，以串口通信的方式實現(xiàn)傳感器和上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。本檢測系統(tǒng)對于制動距離的理論測量精度約為±1 mm，完全可以滿足施工升降機(jī)防墜安全器的檢測要求。

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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)備檢測院，安徽 合肥230051)

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