文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.182260
中文引用格式： 孫操，劉士興，宋亞杰，等. 施工升降機防墜安全器嵌入式檢測系統設計[J].電子技術應用，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
施工升降機是建筑施工垂直運輸不可或缺的施工機械，保證施工升降機的安全使用，減少安全事故的發生尤其重要。防墜安全器是施工升降機上防止超速墜落，保證施工升降機安全運行最重要的裝置。為保證防墜安全器有效可靠，定期對防墜安全器進行有效檢測是必不可少的防范措施[1-3]。國家標準GB/T 34025-2017《施工升降機用齒輪漸進式防墜安全器》是齒輪漸進式防墜安全器的現行檢測標準，其中規定齒輪漸進式防墜安全器定期檢驗最主要的檢測參數是制動距離和動作速度。目前行業內施工升降機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，對防墜安全器進行擬真測算，其檢測結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；常規的試驗架法采用游標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，且難以同時實現速度的測量。因此，有必要研究一種新的測量方法替代傳統檢測方法，提高檢測的準確性、全面性和便捷性。
本文施工升降機防墜安全器嵌入式檢測系統針對SAJ30/40型齒輪漸進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而設計的嵌入式檢測設備，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，通過工業平板PC實現數據的分析處理。施工升降機防墜安全器嵌入式檢測系統提升了防墜安全器現場定期檢測的全面性及便捷性，提高了檢測的準確性。
1 檢測原理
防墜安全器定期檢測的主要參數是制動距離和動作速度，基于這兩種參數的檢測要求設計了施工升降機防墜安全器嵌入式檢測系統。
1.1 齒輪漸進式防墜安全器工作原理
施工升降機運行時通過齒條齒輪帶動防墜安全器離心制動塊旋轉，當升降機下行速度達到動作速度時，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，達到動作速度時，離心制動塊甩開嵌入錐轂內側的凹槽并帶動錐轂轉動，齒輪、離心制動塊和錐轂三者同角度共軸旋轉，錐轂外側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。制動距離是制動過程中升降機的運行距離，與制動過程中齒輪旋轉角度對應的分度圓弧長成線性關系。
1.2 制動距離測量原理
施工升降機制動過程中，防墜安全器齒輪、離心制動塊和錐轂三者同角度共軸旋轉，齒輪和錐轂旋轉的角度值相同，根據GB/T 34025-2017《施工升降機用齒輪漸進式防墜安全器》，防墜安全器制動距離的計算公式如式(1)所示。
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，防墜安全器檢測系統采用角度傳感器直接測量卸載螺栓在制動過程中的旋轉角度。
1.3 速度測量原理
防墜安全器檢測系統通過速度傳感器測量施工升降機的運行速度。如圖2所示，測速系統采用結構齒輪與升降機的齒條嚙合，速度傳感器測量結構齒輪的轉速，根據齒輪轉速和分度圓直徑計算升降機的運行速度：
式中V為升降機運行速度(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的運行速度，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的運行速度。利用角度傳感器和速度傳感器采集的實時數據描繪參數-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時刻升降機的運行速度，即防墜安全器的動作速度。
2 檢測系統硬件結構
如圖3所示，防墜安全器檢測系統主要由工業平板PC、角度傳感器和速度傳感器組成，配備微型打印機實現檢測結果的在線打印。
2.1 工業平板PC
工業平板PC是檢測系統中實現傳感器采集數據分析、顯示和存儲的核心設備，工業平板PC內部采用三星S5P4418核心板、四核Cortex-A9架構，操作系統為Android4.4.2，具有2路RS485和2路RS232工業接口。
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，支持RS485 MODBUS RTU工作方式，以差分平衡方式傳輸信號，具有很強的抗共模干擾能力[5-6]。MODBUS協議是工業上常用的通信協議，其標準如下：
[地址碼][功能碼][數據區][校驗碼]
MODBUS協議RTU工作模式下，每個報文須以連續字符流進行傳送且采用CRC校驗，具有較高的數據密度，并且傳輸穩定，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，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速，通過RS232接口與上位機實現通信[9]。
3 數據采集與系統軟件
防墜安全器檢測系統上位機程序是基于Android系統平臺，以Java為基本編程語言，采用可擴展開發工具Eclipse設計開發的數據分析軟件[10-14]。
3.1 軟件系統結構
防墜安全器檢測系統上位機軟件通過串口設置和讀寫串口等操作實現上位機與傳感器之間的數據通信。如圖4所示，程序開始運行后，打開相應的串口，開啟線程，上位機連續讀取傳感器數據，并進行相應的計算、顯示和存儲，觸發“停止”命令，程序關閉相應的線程和串口，數據采集計算過程結束。
3.2 軟件通信主要函數
系統上位機和下位機通過RS485和RS232實現數據通信，上位機程序設計過程中主要涉及SerialPort類，SerialPort類是為了方便串口操作而單獨封裝的串口類，提供了操作串口一系列方法及屬性。通過創建SerialPort類的兩個實例化對象mSerialPort1和mSerialPort2用于對COM1和COM2兩個通信端口進行操作，COM1端口和COM2端口分別是工業平板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上位機軟件對串口的操作有4種操作方式，應用示例代碼如下。
……
//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);
……
//關閉串口
mSerialPort1.close()；
4 實驗數據采集與處理
采用實驗架法進行施工升降機墜落-制動的現場實驗，利用origin8描繪傳感器采集的數據曲線。如圖5所示，t1時刻防墜安全器開始動作，錐轂旋轉，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行剛性契合，導致防墜安全器制動作用力不穩定，升降機速度產生波動，一定時間后，制動作用力逐漸穩定，升降機絕對速度以相對平穩的方式逐漸減小，直至最終停止，制動過程結束。
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確性。對制動過程中升降機的運行速度V進行積分運算和誤差處理，運算結果即為制動過程中升降機的運動距離L1，利用角度值和式(1)可計算制動距離L2。
現場實驗結果的6組數據如表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行剛性契合，契合過程中升降機會產生間隙性短暫空滑，造成積分運算得到的L1相對于真實制動距離必然偏大，應該說角度傳感器測得的制動距離L2更加準確，更能反映防墜安全器的真實制動性能。
5 結論
施工升降機防墜安全器嵌入式檢測系統是以傳感器器件作為檢測基礎的嵌入式檢測設備，基于Android平臺及Java編程語言設計了上位機分析軟件，以串口通信的方式實現傳感器和上位機的數據傳輸。本檢測系統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2
(1.合肥工業大學 電子科學與應用物理學院，安徽 合肥230009；2.安徽省特種設備檢測院，安徽 合肥230051)