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],，并通過齒輪齒條制停升降機(jī),。制動(dòng)距離是制動(dòng)過程中升降機(jī)的運(yùn)行距離，與制動(dòng)過程中齒輪旋轉(zhuǎn)角度對(duì)應(yīng)的分度圓弧長(zhǎng)成線性關(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,，由角度-時(shí)間曲線可得角度開始變化的時(shí)刻t1，由速度-時(shí)間曲線可得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)展開發(fā)工具Eclipse設(shè)計(jì)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(cè)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(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(jì)算,、顯示和存儲(chǔ)，觸發(fā)“停止”命令,，程序關(guān)閉相應(yīng)的線程和串口,，數(shù)據(jù)采集計(jì)算過程結(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RS485和RS232實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信,，上位機(jī)程序設(shè)計(jì)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(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(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。如圖5所示,，t1時(shí)刻防墜安全器開始動(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)墜落速度開始減小,。在制動(dòng)過程初期,，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，完全可以滿足施工升降機(jī)防墜安全器的檢測(cè)要求,。
參考文獻(xiàn)
[1] 馮功斌,，段紅莉.施工升降機(jī)防墜試驗(yàn)方式探討[J].建筑機(jī)械，2016(4)：85-86.
[2] 盧立東,，馬俊.便攜式施工升降機(jī)防墜安全器檢測(cè)裝置[J].建筑機(jī)械,，2013(21)：113-114.
[3] 馬溢堅(jiān)，黃勝紅,，陳巍.防墜安全器現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)裝置信號(hào)處理方法[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,，2017(8)：37-41.
[4] 楊義，丁濤.兩種典型防墜安全器檢測(cè)方法的比較研究[J].湖北工程學(xué)院學(xué)報(bào),，2016,，36(3)：87-89.
[5] 李良，朱善安.基于Java的串口通信[J].電子器件,，2007(2)：714-716,，720.
[6] 陳小貝，汪志成,，葉寶安.基于嵌入式系統(tǒng)的PLC觸摸屏控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù),，2015，38(3)：54-56.
[7] 秦天柱,，張偉剛,，瞿少成.基于Modbus協(xié)議的多路數(shù)據(jù)采集器[J].電子測(cè)量技術(shù)，2017，40(11)：175-178.
[8] 單星,，林曉煥,，郭丹蕊，等.基于ModBus協(xié)議的負(fù)載模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù),，2015,，34(7)：72-74.
[9] 杜穎財(cái)，王希軍,，王樹潔,，等.增量式編碼器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2012,，26(11)：993-998.
[10] 方天恩,，漆晶，馬金輝,，等.基于Android的智能藍(lán)牙溫度計(jì)的研究與設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2017，43(3)：73-76.
[11] 呂駿,，王仁波,，湯彬，等.基于USB總線的多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù),，2015,，38(11)：88-91.
[12] 方勇軍，趙紅旗,，駱星九,，等.基于Android平臺(tái)的心電數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)，2014(4)：36-37,，42.
[13] Zou Xiaojia,，You Xiangdong，Pan Hao,，et al.User interface design and implementation for electricity operation information system based on Android[C].Applied Mechanics and Materials,，2014，3365(602).
[14] Wei Zhiqiang,，Wang Xiaowen,，Jia Dongning，et al.An information collection and transmission strategy of vehicle state-aware system based on OBD tchnology and Android mobile terminals[C].Applied Mechanics and Materials,，2015,，3749(719).
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)