塔吊动态平衡监控系统的设计毕业论文设计.docx
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塔吊动态平衡监控系统的设计毕业论文设计.docx
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塔吊动态平衡监控系统的设计毕业论文设计
理工学院毕业设计(论文)
塔式起重机动态平衡监控系统设计
毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺:
所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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学位论文原创性声明
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所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
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日期:
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涉密论文按学校规定处理。
作者签名:
日期:
年月日
导师签名:
日期:
年月日
指导教师评阅书
指导教师评价:
一、撰写(设计)过程
1、学生在论文(设计)过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性;技术线路的可行性;设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文(设计)期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
指导教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价:
一、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
评阅教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
教研室(或答辩小组)及教学系意见
教研室(或答辩小组)评价:
一、答辩过程
1、毕业论文(设计)的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
教研室主任(或答辩小组组长):
(签名)
年月日
教学系意见:
系主任:
(签名)
年月日
毕业设计(论文)任务书
设计(论文)题目:
塔吊动态平衡监控系统的设计
1.毕业设计(论文)的主要内容及基本要求
(1)设计目标:
理解塔式起重机的工作原理,熟悉单片机的功能及引脚,掌握单片机在塔吊动态平衡监控系统中的应用。
(2)主要内容及基本要求
①简述塔式起重机的工作原理;
②完成塔吊动态平衡监控系统的硬件与软件设计。
2.指定查阅的主要参考文献及说明
①张清国.建筑工程机械[M].重庆:
重庆大学出版社,2004
②丁元杰.单片机原理及应用[M].机械工业出版社,1999.8
③贾伯年,俞朴.传感器技术[M].东南大学出版社,1999.6
④韩志军,沈晋源.单片机应用系统设计[M].北京:
机械工业出版社,2005
3.进度安排
设计(论文)各阶段名称
起止日期
1
查阅资料,学习传感器及单片机的基本知识
3月4日—3月24日
2
完成系统硬件设计
3月25日—4月21日
3
完成软件的编写
4月22日—5月19日
4
完成论文的撰写
5月20日—6月2日
5
毕业设计(论文)的修改、答辩准备工作及毕业答辩
6月3日—6月23日
摘要
随着近年来高层建筑的兴起,塔机在现代化建筑施工过程中起着作用越来越大的作用,并且不断向智能化、大型化方向发展。
与此同时,塔式起重机事故也在频繁发生,塔机事故已成为威胁建筑施工安全的重要隐患之一。
为使塔式起重机安全运行减少因事故造成的经济及人员损失,研究开发一种塔式起重机监控系统有着极其重要的工程应用价值。
本文对塔式起重机平衡监控技术进行了研究,并在此基础上设计开发了基于单片机的塔式起重机监控系统。
本文对塔式起重机工作原理及其监控需求进行了详细阐述,分析了国内外塔式起重机监控系统的研究现状。
然后,对塔式起重机监控系统进行了设计。
本课题的监控系统运用角度传感器、鞘式重量传感器、绝对式光电编码器等,通过创新的安装方式,提高了塔机动态平衡监控的技术性能。
关键词:
塔式起重机;平衡检测;单片机;传感器
ABSTRACT
Withthedevelopofthearchitectureindustry,thestructureoftowercraneshasbeendevelopedtowardhigher,biggerandintelligent.Atthesametime,thetowercraneaccidentsalsooccurfrequently.ItcanbesaidtowercraneAccidenthasbecomeamajorthreattothesafetyofbuildingconstruction.Forthetowercranesafeoperation,reducingtheaccidentcausedbytheeconomiclossandpersonnel.Researchanddevelopmentofanintelligentmonitoringsystemoftowercranehasimportantengineeringapplication.Thispaperstudiedthetechnologyoftowercrane,andonthisbasis,designanddevelopmentoftowercranemonitoringsystembasedonMCU.Thispaperfirstlydetailthetowercraneworkingprincipleandcontroldemand,analysisofdomesticandinternationalmonitoringsystemoftowercrane,Secondly,designofthetowercranemonitoringsystem.Thesubjectwiththeadvancedcontrolsystemfromtheanglesensor,shaftpinsensor,absolutephotoelectricencoder,throughinnovativemethodstoinstall,improvedtowercranesafetymonitoringoftechnicalperformance.
Keywords:
Towercrane;balanceddetection;MCU;transducer
第1章绪论
1.1课题研究背景和意义
塔式起重机(简称塔机)起源于西欧,它是为适应欧洲工业革命建设的需要,由系缆式桅杆吊演变而来的[12]。
到如今,塔机越来越多的运用于工业和民用建筑领域来垂直搬运和移动货物,可以说是大型建筑必不可少的工具之一。
由于塔机机体庞大、起升高度高、起吊重量大、作业范围广等原因,也是一个蕴藏危险较多的机构。
近年来随着各类高层、超高层建筑的兴起和生产自动化程度的提高,为提高工作效率,塔机也日益向大型化、高速化、智能化方向发展,因而对其安全性能也提出更高要求。
因而研发一种能对塔机的运行状态进行实时监控,并提供安全有效的保障措施的塔机安全监控系统有着十分重要的意义。
本文在分析并总结当前塔式起重机监控系统研究现状和不足的基础上,研究开发一种基于单片机的塔机动态平衡远程监控系统。
对于机械设备来说,完全不出故障是不可能做到的,关键是在于能够早期发觉,防患于未然。
而以定期维护、维修的方式也必定不能完全杜绝安全事故的发生,所以必然会过渡到以状态为基础的状态检测维修制度。
现代塔机的应用一方面能够大大加快建设的速度,而另一方面也潜伏着巨大的危机,由于塔式起重机特殊的结构和使用方式,一旦稍有不慎,很容易引起很严重的安全事故。
为了能够保障塔机安全工作,降低建筑施工事故发生,国家制定了比较完善的标准和规范,颁布了《塔式起重机安全操作规程》等一系列的文件。
安全规程对塔机安全保护装置作了详细规定,强制要求塔机上必须装设安全保护装置。
但即便如此,目前在建筑施工中,由塔机引起的人员伤亡和设备事故依旧屡屡发生。
表1-1塔机结构损坏统计表
塔机事故类别
所占百分比(%)
整体倾覆
52
起重臂折断或碰毁
18
塔身断折或底架碰毁
27
塔机出轨
2
机构损坏
1
由于塔机的特殊结构和使用方式,塔机事故具有多样性和复杂性。
有资料对1200例塔机事故进行了统计分析。
如果按塔机结构损坏情况分类,塔机典型事故情况见表1-1[13]。
由上表可以知道,塔机事故的发生主要是由于整体倾覆。
塔机的倾覆归根结底在于塔机在工作时产生的不平衡,基于此提出了此课题的研究。
1.2塔式起重机简介
1.2.1塔式起重机特点
塔式起重机属于起重机门类中的一大专门类型,它是工程建筑中应用的重要起重设备。
其主要优点有以下几个当面:
塔身高,起重臂的绞点装置处于塔身的顶部,使塔式起重机的有效起吊高度距离更大,能满足工程建筑施工中物料运输的高度;塔式起重机起重臂较长,旋转后水平覆面广;塔机在工作运行状态时能同时进行起升、变幅、回转和行走等运动,作业效率高,因此塔式起重机成为了建筑工程中不可替代的重要设备之一。
1.2.2塔式起重机结构及其工作原理
目前使用的塔式起重机大多数都是变幅小车式,其主要机构包括:
起升机构、回转机构、变幅机构与行走机构等几大机构组成,为塔式起重机的功能执行机构。
在塔机的主要工作参数相同的情况下,起升、变幅及回转三大机构的工作性能决定了塔机的性能好坏。
(1)塔式起重机起升机构
起升机构通过吊绳实现物料的垂直上下运动,其构实际上就是一台可调速的卷扬机。
由原动机、卷筒、钢丝绳、制动器、滚轮组和吊钩组成。
通过原动机旋转带动变速器,然后通过卷筒、钢丝绳、滚轮组等机构将原动机的旋转变为吊钩的垂直运动。
当钢丝绳缠绕达到一定的圈数值时,制动器触发,切断起升机构的电源。
(2)塔式起重机回转机构
回转机构作用是实现物料在任意方向内的移动。
由电机、行星齿轮减速器、回转齿圈和液力耦合器等构成。
大多数的塔机是通过电机经行星齿轮减速器带动小齿轮,使其围绕大齿轮转动,从而驱动塔机的回转。
回转机构设有回转限位器,通过调整限位器凸轮角度,限制塔身的回转角度。
(3)塔式起重机变幅机构
变幅机构作用是改变吊钩中心位置与塔式起重机回转中心轴线位置之间的距离。
变幅机构主要包括括电动机、蜗轮蜗杆减速机、变幅小车、钢丝绳、卷筒、导向轮和张紧轮等几部分。
变幅变化时,电机通过减速机、卷筒带动钢丝绳的运动。
钢丝绳两端分别通过臂架根滑轮和臂架前滑轮来连接到小车。
其中一端收缩钢丝绳,另一端放出钢丝绳,带动小车的运动。
变幅机构设有行程限位器。
小车运动时,齿轮带动凸轮运动。
通过设定凸轮转动的角度范围来限定小车的极限行程。
1.3塔式起重机监控系统研究概况
随着高层建筑物和大型工程不断出现,塔式起重机向着大型化、高速化、智能化方向发展。
但塔式起重机安全事故也逐年增加。
而塔机监控系统的出现,在一定范围内防止了塔机安全事故的发生。
塔式起重机在建筑业中成为工程机械一个重要分支以来,其安全性问题一直在国内外引起了巨大的关注,塔机安全监控系统也被广泛应用于各类塔式起重机。
1.3.1国际研究概况
随着计算机技术、信息技术、机械技术的不断融合,塔机各方面性能在不断改进,其监控系统功能也逐渐完善。
国际上塔机设计制造行业较发达的国家主要有德国、英国、法国、意大利、俄罗斯、丹麦、西班牙、美国和日本。
其中又以法国和德国生产的塔机最具代表性。
比较著名的塔机生产厂家有德国的LIEBHERR公司、法国的POTAIN公司、意大利的SIMMA等几十家制造商,其产品在国际塔机市场占据着大部分份额,同时也代表着塔机生产的发展历程、现状和未来趋势。
较之国内国外塔机监控系统研制比较早,其监控系统参数比较全面,数字化和智能化程度都很高。
塔机监控系统的应用对于遏制重大事故,减少一般事故起到了巨大的作用,改变了塔机事故频繁发生的被动局面,实现了预防事故的目的。
1997年德国利勃海尔公司率先应用了全参数监控系统,而后这套系统迅速普及到欧美等发达国家。
至2001年欧美各国所有的建筑塔式起重机都已安装了该系统,并且将其列入了技术法规。
利用这些高新技术不仅保证了塔机的工作安全,取得最佳的工作效率,也使它们的产品在国际上保持着领先的地位。
1.3.2国内研究现状
与国外先进塔机制造企业相比,国内塔机安全监控系统发展起步比较晚,主要是一些科学研究院所和高等院校在进行开发、研究和设计。
虽然我国从五六十年代就开始引进国外先进的塔机,但是塔机的生产研究工作却是在改革开放之后,随着工业建设和民用建筑规模不断扩大,才渐渐被提上日程。
目前国内塔机仍以中小型起重机为主,刚完成机械液压一体化,智能化塔机监控系统还处于比较落后的阶段。
有实验室试验结果显示,国产塔机监控系统普遍存在着漂移大,数据不稳定的现象,而国外产品则要好的多。
从选用的电子元件上看,国内一些厂家使用了级别较低,价格便宜的电子元件,达到了一定的自动化水平,在价格方面也占有一定的优势,但在上和寿命上还值得商榷。
近几年,国内也研制出了一些塔机安全综合监测仪,将塔机起吊重量、回转力矩、起吊高度、风力大小等数据收集进去,轮流切换并在屏幕上显示,技术上取得了较大成功。
总体上说,国内塔机安全监控系统相对国外先进的塔机监控系统来说价格比较便宜。
但是,国内产品在稳定性和可靠性上与国外相比仍有较大差距,不能适应在较为复杂的环境下运行的要求,整体性能完善方面以及长远发展战略上还有待提高。
1.3.3塔机监控的发展趋势
随着自动控制技术、计算机技术、传感器技术的快速发展,为了提高塔机工作效率和保证施工安全,塔机安全监控系统被要求具有更高的信息采集和数据处理能力。
塔机监控系统快速向着硬件可靠化、软件智能化、系统高度集成化的方向发展。
(1)硬件的可靠化
使用高性能的电子元器件,增强系统的稳定性、可靠性和抗干扰能力。
对输入和输出信号进行隔离,防止外界环境对系统的干扰,加强硬件系统的抗干扰能力。
为了防止电网谐波对系统的干扰,采用稳定可靠的电源技术。
(2)软件智能化
软件智能化主要体现在系统参数设置、系统自诊断能力和记录功能以及优良的人机界面三个方面。
可以根据不同的工作情况,选择不同的工作参数。
在系统的参数出现故障的时候系统能自动识别,例如某个传感器没输出信号,系统能够检测到传感器出现故障,并显示在屏幕上,方便工作人员能很快找到故障原因并进行处理。
系统能够实时记录塔机工作中出现的异常参数信息。
优良的人机界面,通俗易懂,操作更加快捷、简单,界面显示的信息更加全面,显示画面更加直观。
将塔机的工作的实际运行模型模拟显示,操作人员不用直接观察塔机便能够了解当前塔机的工作状态。
(3)系统高度集成化
采用集中分布式的基本结构,以高性能的计算机系统做中央控制单元,将运行控制系统、自诊断监控系统、安全监控系统进行集成。
以高性能的计算机系统做中央控制单元,实行运行状态监控、故障信息的显示与存储并报警、监视各个智能监控单元的工作状态,智能监控单元之间相互监控,并将获得的参数信息通过总线技术传送到中央控制单元。
中央智能控制单元可以由单片机、PLC、DSP等处理器组成,提高了系统的整体性能也降低了系统的开发成本。
1.3.4课题主要研究内容
(1)监控系统方案设计。
塔机监控参数的多样性决定了监控系统是一个集信息采集、处理、存储和管理为一体的系统。
选择合适精度的传感器,精确采集所需要监测的信息,保证监控系统能够达到所预期的检测目的。
(2)监控系统硬件电路设计。
在监控系统方案的基础上,设计合理的各模块硬件电路。
(3)监控系统软件设计。
监控软件部分是控制器的重要组成部分,担负着控制器的全部逻辑运算、I/O控制、人机交互任务。
软件运行效率、时实性、交互性直接决定了整个监控系统的性能优劣。
本文根据监控系统的需要和硬件电路设计了相关软件。
1.3.5论文解决的问题
(1)实时计算并显示塔机的状态参数,以实现对塔机的实时监测。
(2)适应塔机复杂作业环境的信号采集系统的研究与设计。
(3)提高监测系统可靠性和抗干扰能力。
第2章系统总体方案设计
2.1监控方案设计
2.1.1监控系统信息处理单元分析
随着现代化建设速度加快,各种高层、超高层建筑不断涌现,塔机的工作环境变得复杂多样。
这便要求塔机监控系统能够能够快速、准确、实时地处理现场复杂多变的数据,以确保塔机各个环节能够有效、安全地运行。
在整个塔机监控系统中信息处理单元扮演着十分重要的角色,是整个监控系统成功与否的决定性因素。
信息处理单元不仅要及时收集各个传感器所采集来的塔机实时运行状态信息,还要按需对其进行一系列的分析、处理和记录,并且还要反馈给系统的输出接口,从而控制整个塔机的运行状态。
在深入了解塔式起重机结构、运行机构的工作原理,综合国内外塔式起重机监控系统和国内相关产品的现状,兼顾性价比,最终确定本次所研究的塔机平衡监控系统要求能够实时监测塔机倾角、起重重量、小车幅度以及起重力矩等参数。
在目前,国内塔机监控系统采用的信息处理单元有主要由以下几个解决方案:
(1)以单片机为中央处理核心。
目前国内的单片机应用技术已经成熟,其成本相对较低,在工业领域应用十分广阔。
单片机系统具有体积小、便携性能好、功耗低、使用者众多等优点。
目前的单片器在芯片上集成了更多的功能,例如如先进的A/D接口、数字信息处理功能以及灵巧的电源功能等。
随着最新的亚微米CMOS工艺技术运用于单片机上,单片机的运算速度有了很大的提高。
(2)以工业控制计算机为中央处理核心。
工控机在主机接口、网络通讯、软件兼容性以及软件升级等方面都遵守开放性原则。
这有利于系统扩充、不同系统之间的连接、软件的移植和互换。
其可靠性比较高,对环境的适应能力比较强,实时性也比较好。
其后备措施比较齐全,拥有后备供电、存储器信息保护、手动/自动操作、紧急事故切换装置等。
但是工控机的体积比较大,不易于携带,功耗高。
而且运用于塔机监控也不太可能将庞大的工控机放在塔机操控室。
(3)以PLC为中央处理核心。
PLC是一种数字运算操作的电子系统。
其采用大规模集成电路技术,在加上严格的生产工艺制造,使其具有很高的可靠性、抗干扰能力、配置灵活、编程简单一、使用比较方便、易于扩展等优点。
但是PLC体系比较封闭,没有一个统一的标准。
这也使得不同生产厂家所生产的PLC硬件体系互不兼容,编程语言及指令系统也各不相同,其通用性差,可扩展性差,不利于塔机监控系统的拓展。
总上所述,由于系统的开发要求,同时又考虑到目前开发能力。
本文采用了单片机为中心处理器的方式来开发塔机监测系统。
2.1.2监控结构系统化设计
塔机平衡监控系统集结了单片机、传感器、传输反馈模块,各块协同配合,共同完成。
对塔机工作的起升、小车变幅进行实时跟踪反馈,从最大限度上保障塔机的安全工作。
设计的基本原理为:
将传感器(称重传感器、力矩限制器、角度传感器等)采集的塔机实时信息先进行信号放大,再将放大后的信号经过A/D转换成数字信号,送入单片机进行分析、运算、处理和存储。
然后通过LCD显示屏将相关的信息显示出来。
另一方面,单片机将处理后的数据与系统内部中预先设定的重量、角度、小车幅度、起重力矩等数值进行比较,当达到或超过预设的数值时发出报警,并且输出相应的控制信号,断开塔机向危险方向的控制电路,从而达到安全保护的目的。
2.2塔机监控系统传感器设计
2.2.1倾角传感器的设计
塔机在工作中会受到吊重的影响以及在有风的情况下会发生轻微的倾斜,如果不了解塔机的倾斜角,就可能在倾斜角过大的情况下发生塔机倒塌的严重事故。
在本次塔机平衡监控系统设计中,设计了倾角传感器。
本系统中选用
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