【学术论文】施工升降机防坠安全器嵌入式检测系统设计
摘要：
作为施工升降机最重要的安全部件，防坠安全器的定期检测尤为重要。基于Android平台设计了SAJ30/40型齿轮渐进式防坠安全器嵌入式检测系统，分别采用角度传感器和速度传感器测量防坠安全器锥毂旋转角度和升降机实时运行速度，通过上位机分析软件进行数据处理，输出防坠安全器的制动距离和动作速度。现场试验架法检测实验结果表明，检测系统能够准确测量防坠安全器制动距离等检测参数，制动距离的测量精度为±1 mm。
中文引用格式： 孙操，刘士兴，宋亚杰，等. 施工升降机防坠安全器嵌入式检测系统设计[J].电子技术应用，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
施工升降机是建筑施工垂直运输不可或缺的施工机械，保证施工升降机的安全使用，减少安全事故的发生尤其重要。防坠安全器是施工升降机上防止超速坠落，保证施工升降机安全运行最重要的装置。为保证防坠安全器有效可靠，定期对防坠安全器进行有效检测是必不可少的防范措施[1-3]。国家标准GB/T 34025-2017《施工升降机用齿轮渐进式防坠安全器》是齿轮渐进式防坠安全器的现行检测标准，其中规定齿轮渐进式防坠安全器定期检验最主要的检测参数是制动距离和动作速度。目前行业内施工升降机防坠安全器的主要检测方法有试验台法和试验架法。试验台法是采用专用试验台模拟防坠安全器工作条件，对防坠安全器进行拟真测算，其检测结果无法完全反映真实工况下防坠安全器的性能，测量误差较大；常规的试验架法采用游标卡尺测量防坠安全器蝶形弹簧的压缩量，依此计算制动距离，测量精度难以保证，且难以同时实现速度的测量。因此，有必要研究一种新的测量方法替代传统检测方法，提高检测的准确性、全面性和便捷性。
本文施工升降机防坠安全器嵌入式检测系统针对SAJ30/40型齿轮渐进式防坠安全器基本检测要求,是以功能集成化和操作人性化为目标而设计的嵌入式检测设备，采用角度传感器和速度传感器作为检测防坠安全器制动距离和动作速度的基本测量器件，通过工业平板PC实现数据的分析处理。施工升降机防坠安全器嵌入式检测系统提升了防坠安全器现场定期检测的全面性及便捷性，提高了检测的准确性。
1 检测原理
防坠安全器定期检测的主要参数是制动距离和动作速度，基于这两种参数的检测要求设计了施工升降机防坠安全器嵌入式检测系统。
1.1 齿轮渐进式防坠安全器工作原理
施工升降机运行时通过齿条齿轮带动防坠安全器离心制动块旋转，当升降机下行速度达到动作速度时，防坠安全器启动制动过程。如图1所示，防坠安全器齿轮与离心制动块共轴，达到动作速度时，离心制动块甩开嵌入锥毂内侧的凹槽并带动锥毂转动，齿轮、离心制动块和锥毂三者同角度共轴旋转，锥毂外侧与摩擦板之间的摩擦力是防坠安全器的最终制动力[4]，并通过齿轮齿条制停升降机。制动距离是制动过程中升降机的运行距离，与制动过程中齿轮旋转角度对应的分度圆弧长成线性关系。
1.2 制动距离测量原理
施工升降机制动过程中，防坠安全器齿轮、离心制动块和锥毂三者同角度共轴旋转，齿轮和锥毂旋转的角度值相同，根据GB/T 34025-2017《施工升降机用齿轮渐进式防坠安全器》，防坠安全器制动距离的计算公式如式(1)所示。
式中L为防坠安全器的制动距离；d1为齿轮分度圆直径，本文采用的齿轮d1=120mm；β为锥毂旋转角度。
如图2所示，制动过程中防坠安全器卸载螺栓与锥毂以相同角度旋转，防坠安全器检测系统采用角度传感器直接测量卸载螺栓在制动过程中的旋转角度。
1.3 速度测量原理
防坠安全器检测系统通过速度传感器测量施工升降机的运行速度。如图2所示，测速系统采用结构齿轮与升降机的齿条啮合，速度传感器测量结构齿轮的转速，根据齿轮转速和分度圆直径计算升降机的运行速度：
式中V为升降机运行速度(m/s)；d2为齿轮分度圆直径，本文采用的齿轮d2=120 mm；n为齿轮转速(r/min)。
防坠安全器的动作速度是防坠安全器开始动作时升降机的运行速度，防坠安全器动作时角度传感器测量角度的变化，故动作速度近似为角度传感器角度值开始变化时升降机的运行速度。利用角度传感器和速度传感器采集的实时数据描绘参数-时间曲线，由角度-时间曲线可得角度开始变化的时刻t1，由速度-时间曲线可得t1时刻升降机的运行速度，即防坠安全器的动作速度。
2 检测系统硬件结构
如图3所示，防坠安全器检测系统主要由工业平板PC、角度传感器和速度传感器组成，配备微型打印机实现检测结果的在线打印。
2.1 工业平板PC
工业平板PC是检测系统中实现传感器采集数据分析、显示和存储的核心设备，工业平板PC内部采用三星S5P4418核心板、四核Cortex-A9架构，操作系统为Android4.4.2，具有2路RS485和2路RS232工业接口。
2.2 角度传感器
角度传感器采用绝对值编码器，分辨率为1 024脉冲/转，支持RS485 MODBUS RTU工作方式，以差分平衡方式传输信号，具有很强的抗共模干扰能力[5-6]。MODBUS协议是工业上常用的通信协议，其标准如下：
[地址码][功能码][数据区][校验码]
MODBUS协议RTU工作模式下，每个报文须以连续字符流进行传送且采用CRC校验，具有较高的数据密度，并且传输稳定，通信效率高[7-8]。
2.3 速度传感器
速度传感器由增量编码器和测速模块组成。增量编码器分辨率1 200脉冲/转，推挽输出方式。测速模块以STM32F103控制器为核心，将增量编码器输出的脉冲信号处理为转速，通过RS232接口与上位机实现通信[9]。
3 数据采集与系统软件
防坠安全器检测系统上位机程序是基于Android系统平台，以Java为基本编程语言，采用可扩展开发工具Eclipse设计开发的数据分析软件[10-14]。
3.1 软件系统结构
防坠安全器检测系统上位机软件通过串口设置和读写串口等操作实现上位机与传感器之间的数据通信。如图4所示，程序开始运行后，打开相应的串口，开启线程，上位机连续读取传感器数据，并进行相应的计算、显示和存储，触发“停止”命令，程序关闭相应的线程和串口，数据采集计算过程结束。
3.2 软件通信主要函数
系统上位机和下位机通过RS485和RS232实现数据通信，上位机程序设计过程中主要涉及SerialPort类，SerialPort类是为了方便串口操作而单独封装的串口类，提供了操作串口一系列方法及属性。通过创建SerialPort类的两个实例化对象mSerialPort1和mSerialPort2用于对COM1和COM2两个通信端口进行操作，COM1端口和COM2端口分别是工业平板PC与角度传感器、速度传感器连接的物理接口。防坠安全器检测系统上位机软件对串口的操作有4种操作方式，应用示例代码如下。
……
//实例化SerialPort对象
SerialPort mSerialPort1 = new SerialPort();
……
//打开串口
mSerialPort1.open("COM1", 115200, 8, "N", 1);
……
//开启线程
ReadThread mReadThread = new ReadThread();
mReadThread.start();
……
//串口写操作
mSerialPort1.write(c, 8);
……
//串口读操作
size1 = mSerialPort1.read(buffer1, buffer1.length);
……
//关闭串口
mSerialPort1.close()；
4 实验数据采集与处理
采用实验架法进行施工升降机坠落-制动的现场实验，利用origin8描绘传感器采集的数据曲线。如图5所示，t1时刻防坠安全器开始动作，锥毂旋转，角度传感器采集角度变化量，同时防坠安全器的制动作用使升降机坠落速度开始减小。在制动过程初期，由于离心制动块与锥毂进行刚性契合，导致防坠安全器制动作用力不稳定，升降机速度产生波动，一定时间后，制动作用力逐渐稳定，升降机绝对速度以相对平稳的方式逐渐减小，直至最终停止，制动过程结束。
实验采用速度和角度两种测量分析方法对比验证制动距离测量的准确性。对制动过程中升降机的运行速度V进行积分运算和误差处理，运算结果即为制动过程中升降机的运动距离L1，利用角度值和式(1)可计算制动距离L2。
现场实验结果的6组数据如表1所示，制动距离L2和制动距离L1具有较好的一致性，制动距离L1较制动距离L2略微偏大，这主要是由于防坠安全器开始动作时离心制动块与锥毂进行刚性契合，契合过程中升降机会产生间隙性短暂空滑，造成积分运算得到的L1相对于真实制动距离必然偏大，应该说角度传感器测得的制动距离L2更加准确，更能反映防坠安全器的真实制动性能。
5 结论
施工升降机防坠安全器嵌入式检测系统是以传感器器件作为检测基础的嵌入式检测设备，基于Android平台及Java编程语言设计了上位机分析软件，以串口通信的方式实现传感器和上位机的数据传输。本检测系统对于制动距离的理论测量精度约为±1 mm，完全可以满足施工升降机防坠安全器的检测要求。
参考文献
[1] 冯功斌，段红莉.施工升降机防坠试验方式探讨[J].建筑机械，2016(4)：85-86.
[2] 卢立东，马俊.便携式施工升降机防坠安全器检测装置[J].建筑机械，2013(21)：113-114.
[3] 马溢坚，黄胜红，陈巍.防坠安全器现场检测装置信号处理方法[J].起重运输机械，2017(8)：37-41.
[4] 杨义，丁涛.两种典型防坠安全器检测方法的比较研究[J].湖北工程学院学报，2016，36(3)：87-89.
[5] 李良，朱善安.基于Java的串口通信[J].电子器件，2007(2)：714-716，720.
[6] 陈小贝，汪志成，叶宝安.基于嵌入式系统的PLC触摸屏控制系统设计[J].电子测量技术，2015，38(3)：54-56.
[7] 秦天柱，张伟刚，瞿少成.基于Modbus协议的多路数据采集器[J].电子测量技术，2017，40(11)：175-178.
[8] 单星，林晓焕，郭丹蕊，等.基于ModBus协议的负载模拟系统设计[J].国外电子测量技术，2015，34(7)：72-74.
[9] 杜颖财，王希军，王树洁，等.增量式编码器自动检测系统[J].电子测量与仪器学报，2012，26(11)：993-998.
[10] 方天恩，漆晶，马金辉，等.基于Android的智能蓝牙温度计的研究与设计[J].电子技术应用，2017，43(3)：73-76.
[11] 吕骏，王仁波，汤彬，等.基于USB总线的多点数据采集系统的设计[J].电子测量技术，2015，38(11)：88-91.
[12] 方勇军，赵红旗，骆星九，等.基于Android平台的心电数据采集与传输系统设计[J].仪表技术，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:
孙 操1，刘士兴1，宋亚杰1，黄 飞1，鲁 伟1，张申生2，王金博2，陈 强2
(1.合肥工业大学 电子科学与应用物理学院，安徽 合肥230009；2.安徽省特种设备检测院，安徽 合肥230051)