基于CAN总线的塔机安全监控系统的设计

发布时间：2021-06-07

CAN总线应用

21 0 0正

仪表技术与传感器I sr me t T c n q e a d S n o n tu n e h i u n e s r

2 0 0l NO 4 .

第 4期

基于 C N总线的塔机安全监控系统的设计 A王仁群，晨波，殷张凇，缪彬彬20 0 ) 10 9 (南京工业大学机械与动力工程学院，江苏南京

摘要：据塔机运行时数据采集和传输的特点，计了一套基于 C N总线的塔机安全监控系统，根设 A系统由人机界面、数据采集模块和 C N总线组成。采用液晶显示器以图形和文字的方式实时显示塔机运行时的工作状态。系统采用分布式 A

结构，易于扩展，具有突出的实时性和可靠性，高了塔机操作运行的安全性和自动化程度。提关键词：塔机；监控系统；A C N总线；单片机

中图分类号：P 1 T22

文献标识码： A

文章编号：0 2—14 (0 0 0 0 4 o 10 8 1 2 1 ) 4— 0 8一 4

T we a e S f t o i rn n n r lS se Ba e n CAN s o r Cr n a ey M n t i g a d Co to y t m s d o o BuW ANG Re— u YI h n b, n q n, N C e— o ZHAN S n, AO B n b n G o g MI i— i

( co l f c a i l n o e n ier N nigUnvri f eh ooyN nig20 0 C ia S h o h nc dP w rE g e, aj i s yo c n lg a j 10 9, hn ) o Me aa n n e t T nAb ta t Ac o d n ot e tw rc a ec a a trs iso a ac l cin a d t n miso, o r r n a ey mo i r g a d sr c: c r ig t h e rn h r ee ii c f t o l t a s si n atwe a es ft n ti n o t d e o n r c on

c nr ls se b s d o N u s d sg e w ih i o o e fHMI d t c u st n mo ue a d CA US o t y tm a e n CA b swa e in d, h c sc mp s d o o, aa a q i i d l NB .B sn i— io n y u i g d st b td sr cu e

t e s se c n b a i x e d d, a h h r ce fr a—i n ei bl y,O i i rv st e s f t d r u e t t r,h y t m a e e sl e p n e i h st e c aa tro e lt i u y t me a d r l i t S t mp o e h a ey a a i n a t main wh n o e ai g te t w rc a e u o t e p r t h o e rn . o n Ke r s t w rc a e mo i rn y tm; AN b s MC y wo d:o e r; n t i g s se C u; U n o

0引言

系统网络拓扑采用总线型拓扑。这种结构优点是采用单一

塔式起重机大规模应用于工程建设中，国每年都会发生我多起塔机倒塌事故…。为了防止重大事故的发生，保证塔机运行安全可靠，减少因事故造成的人员和经济损失，非常有必要

信道作为传输介质，所需电缆长度短，布线容易，工作的可靠

性高，增加和减少节点都很方便。1监控系统设计

开发一套可靠性和实时性高、能强大、功成本低的安全监控系统。控制器局域网 C N C nr l ra e o ) A ( ot l r e t r总线是一种有 oeA N w k

1 1监控系统整体结构设计 .监控系统主要由 H、 A MIC N总线、据采集模块和继电器数

效支持分布式实时控制的串行通信网络。C N总线由于具有 A传输距离长、报文短、通信速率高、出错率低、纠错能力强、实时

模块组成，系统结构如图 1所示。系统数据采集模块有起重量检测模块、幅度检测模块、高度检测模块和角度检测模块。HM I通过 C N接口将系统初始参数 ( A起重零点和参考载重校准信号、最小幅度和最大幅度校准信号、升高度零点和起升标准起高度校准信号、回转角度零点校准信号 )发送到 C N总线上， A

性和可靠性高、控制简单等优点，广泛应用于自动化控制 j被系统中。基于 C N总线的塔机安全监控系统可以很好的满足 A上述要求。

图1监控系统结构框图

各数据采集模块通过判断接收保存需要的参数。传感器检测收稿日期：0 9—0 2收修改稿日期：0 0—0 20 8— 9 2 1 2—1 5

塔机运行时的工作参数：吊重量、起小车行走幅度、物提升高

重度和臂架回转角度，个数据采集模块的 M U将检测到的数各 C

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王仁群等：于 C N总线的塔机安全监控系统的设计基 A

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据处理后通过 C N接口实时发送到 C N总线上， MI过 A A H通

效果；通信距离最长 l m, Ok速率最高达 1 bsC N总线上任 p.A M意2个节点之间的最大传输距离与其位速率的关系见表 1。表 1 C N总线系统任意 2节点之间的最大距离 A位速率/ ) 最大距离/ 位速￣/ b s|p ds m k p1O oo5 o 0

C N接口接收数据采集模块发送到 C N总线上的数据， A A并通过硬件和软件编程方式对接收到的现场数据进行显示、存储、比较报警处理。系统主要功能：

最大距离/ m13 o 033o o

4 010 3

5 O2 0

() 1实时检测功能，实时监测塔机运行时的各状态参数。 () 2实时显示功能，实时显示塔机运行时的工作参数值。 () 3报警和自动断电停机功能，系统识别塔机的运行状态后，出相应的处理。当塔机运行时的状态参数值超过其设定做的极限值时，系统报警并断电停止塔机工作。 () 4参数设定功能，由于不同型号塔机具有不同的固定参数，可通过按键实现系统参数的修改设置，提高系统的通用性。 () 5数据存储功能，录塔机工作参数，为分析事故原因记作的原始数据以及塔机工作损耗的参考。12硬件电路设计 .p s

2O 5 15 2 1o o

20 7 50 3 60 2

1 O 5

670 0 1 o 00 O

塔机上的通信距离一般就几十 m长， A C N总线完全可以满足要求，结合塔机工作的实际情况，选择最高通信速率 1M - b1 2 2 C N接口电路设计 . . A

C N接口主要由 C N控制器 SA 0 0和 C N收发器 A A J 10 A

该监控系统硬件主要有单片机 S C 9 5 6液晶显示器 T 8C 1、C 3 04 B C N接口、 A A 22 0、 A C N总线、/ A D转换芯片、 U盘及 U盘接口芯片等。系统以 S C 9 56为核心， T 8C 1实现对塔机运行过程

TA15 J 0 0组成。 C N控制器 SA10支持 C N .0和 A J 00 A2 A C N .B A 2 0协议，以支持

1位、9位标识码，可 1 2具有很强的扩展性。C N收发器 T A 0 0是 C N控制器与物理总线之间的接 A J 15 A口芯片，支持对 C N总线的差动发送和接收功能。它的电磁 A

状态的监控、显示、录和报警。系统模块有人机界面模块、记数

据采集模块和继电器模块。数据采集模块共有 4个部分：重起量检测模块、幅度检测模块、高度检测模块和角度检测模块，完成基本的模拟量和数字量的采集及 C AN总线的通信功能。1 2 1 C N总线 . . A

抗干扰 E性极高， MI且与 IO 9 S 18 8标准完全兼容。C N总线 1 A接口是数据采集模块和上位机通信的模块，图 2所示。如 SA10 J 0 0与单片机的引脚连接如图所示。TA15 J 0 0的引脚 8() S用于选定收发器的工作模式，引脚接地表示 TA 00进入 J 15高速模式。收发器和总线的接口部分必须要加保护防干扰电路，和魄为 C N匹配电阻， A电容 C具有退藕作用， 3 c c和 4 起滤波作用。

C N总线是一种性价比非常高的现场总线， A与一般的通信

总线相比，的数据通信具有突出的可靠性、时性和灵活它实性 J。主要技术特点有：多主方式；节点分成不同的优先级，可

满足不同的实时要求；用非破坏总线仲裁技术；采极好的检错

图 2 C N总线通信模块 A

12 3起重量数据采集模块硬件电路设计 ..

重量检测模块传感器采用 D E系列称重传感器，了提高 E为测量的准确性，根据实际情况不同吨位的塔机应采用不同量程的传感器。A D转换采用 1/ 6位高精度串行模数转换器C52, S5 3该芯片内集成了 1个仪表放大器、个可编程增益放大 1器、多路开关、数字滤波器、自校正和系统校正电路。通过简单

塔机的工作环境恶劣，围各种干扰较为严重，周系统的抗干扰能力、可靠性、用性和灵活性要强，据 C N通信模块通根 A加上不同外部电路，电源电压调节电路人机接口输入电路等。模块的电路结构如图 3。

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王仁群等：基于 C N总线的塔机安全监控系统的设计 A

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提升高度节点，0 10为 H节点，0,1 1 1 MI 11 10,1作为扩展用。 ( )D 8可以作为组网扩展

。 5I12 2程序流程图设计 .

在软件平台设计中，采用模块化设计方法，强了代码的增可维护性，高了代码的重用性，于实现扩展。主要模块包提易括初始化程序，数据采集程序，模数转换程序，塔机状态参数的计算和监测程序，晶显示程序，液键盘扫描、处理程序，键系统

运行自动保护程序，时钟程序等。文中给出数据采集模块主程序流程图和人机界面主程序流程图。数据采集模块主程序流程如图 7所示。系统初始化主要包括系统的启动、复位、电恢复、掉系统自启动、中断的设定、看门狗的初始化、通讯的初始化、传感器的初始化。系统采用多

次采样取平均值的方法减小采样误差，每次采样多少次通过初始化程序中的采样次数设定。程序中定义 BT S MP E X为采样完成标志位， I N I_ A L— BT E—ABLE_

X为发送数据使能位( X在各个数据采集模块中分别为

w、 H、 ) R、 A。当采样完成标志位置位为 1时，将采集的数据存

人到 C T 0 1中。发送数据使能位置位为 1时， A 12将处理好的数据写入到 C N控制器 SA O 0的发送缓冲器 T B中，位 A J I0 X置 SAI0 J O 0命令寄存器的发送请求位 T即可将数据通过 C N R, A收发器 TA 0 0发送到 C N总线上。收发器从总线上接收数 J 15 A

据，处理后存入接收缓冲区，给出接收中断信号，时 MC 并这 U从 C N控制器的接收缓冲区取走数据。 A 人机界面主程序流程图如图 8所示。初始化主要包括系统的启动、复位、电恢复、掉系统自启动、中断的设定、门狗的看图 7数据采集模块主程序流程

初始化、通讯的初始化、 C L D初始化、时时钟初始化。主要完实成系统在没有按键操作下的正常启动，监测等基本功能。

主机 H启动后， MI自动运行初始化程序，对节点进行巡检，检测节点是否存在并在主循环中依次发送采样命令，待节点等应答。系统以图形方式显示塔机工作的起重特性曲线和当前工作点，以文本方式显示塔机当前的工作状态以及当前数据和

极限值的百分比。通过按键修改时间和日期，设定系统参数。3结论

基于 C N总线的塔机安全监控系统充分利用了 C N的特 A A

点，有高度的稳定性

、具灵活性，合配置在各种不同型号塔式适起重机上。系统可以记录下塔机在使用过程中的工作情况、频繁程度和超载违章情况，为分析事故原因和塔机使用寿命评估提供科学依据。该系统已经投入到实际应用中，行效果良运好。

参考文献：[]孙在鲁.式起重机应用技术.北京：国建材工业出版社， 1塔中2 0 8—8 0 3: 5 7.

图8 HMI程序流程主

[] K N O s S K M , O M , 1 b s e e plh g o 4 O D, U AN H M AY e a A t .A r i f e osi r a v r i n fc p e a s e e i tr o n . o p rd ma c n n e c n e

[]饶运涛. 2现场总线 C N原理与应用技术.京： A北北京航空航天大学出版社，07:7—2 . 20 1 5

作者简介：王仁群 (9 3 )在读硕士， 18一，主要研究塔机监控。E—mal wa g e q n.h@ 1 3. o i: n rn u 1x 6 cr n