1 引言

起重機作為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的特種設備，其安全運行直接關(guān)系到人員生命和財產(chǎn)安全。傳統(tǒng)安全監(jiān)控系統(tǒng)普遍存在功能單一、智能化水平不足等問題，難以適應復雜工況下的安全監(jiān)控需求。隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展，為起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)的升級提供了新的技術(shù)路徑。本文結(jié)合現(xiàn)代電子技術(shù)、傳感測控技術(shù)和智能控制算法，設計了一款集多參數(shù)監(jiān)測、智能控制、超限預警于一體的多功能安全監(jiān)控系統(tǒng)，重點突破了系統(tǒng)自學習能力構(gòu)建和抗干擾性能優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)難題。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設計

1. 功能需求分析

系統(tǒng)設計以GB/T 28264-2020《起重機械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》標準為基礎(chǔ)，結(jié)合工程實際需求，確定以下核心功能模塊：

• 多參數(shù)實時監(jiān)測：包括起重量、起升高度、工作幅度、風速等12項關(guān)鍵參數(shù)
• 智能控制功能：具備過載保護、行程限位、防碰撞等主動安全控制
• 超限預警機制：三級聲光報警系統(tǒng)（預警、報警、急停）
• 數(shù)據(jù)存儲與追溯：黑匣子功能可存儲30天歷史數(shù)據(jù)
• 人機交互界面：128×64點陣式LCM中文顯示屏
• 遠程通訊接口：RS-232/485雙模式通信模塊

2. 硬件系統(tǒng)設計

主控單元選型

采用STC15W4K61S4單片機作為核心控制器，該芯片集成8051內(nèi)核、61KB Flash程序存儲器和4KB RAM，支持ISP/IAP在線編程，滿足復雜控制算法的運算需求。

傳感器模塊設計

• 起重量檢測：采用HBM U2B稱重傳感器，量程0-50t，精度0.05%
• 角度檢測：選用ADXRS453陀螺儀，測量范圍±450°/s
• 風速監(jiān)測：配置LS-102風速傳感器，量程0-60m/s
• 位移檢測：采用歐姆龍E6B2-CWZ6C編碼器，分辨率1000P/R

外圍電路設計

• 信號調(diào)理電路：包含RC濾波、儀表放大器AD620和電壓跟隨器LM358
• 顯示驅(qū)動電路：HT1621驅(qū)動芯片與12864液晶模塊的接口設計
• 電源管理模塊：采用LM2596S-5.0降壓芯片提供穩(wěn)定5V電源

3 軟件系統(tǒng)開發(fā)

1. 軟件架構(gòu)設計

采用模塊化設計理念，構(gòu)建三層軟件架構(gòu)：

• 底層驅(qū)動層：實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換等硬件控制
• 中間處理層：完成數(shù)據(jù)融合、狀態(tài)評估和控制決策
• 應用層：提供人機交互、數(shù)據(jù)存儲和通訊管理功能

2. 核心算法實現(xiàn)

自學習算法設計

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡構(gòu)建起重機工況識別模型，輸入?yún)?shù)包括起重量、工作幅度、起升速度等6項特征值，輸出為安全等級評估結(jié)果。通過離線訓練建立標準工況數(shù)據(jù)庫，在線運行時動態(tài)更新權(quán)值參數(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)自適應能力提升。

抗干擾技術(shù)

• 數(shù)字濾波算法：采用中值濾波結(jié)合滑動平均濾波處理噪聲信號
• 冗余校驗機制：對關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行CRC16校驗
• 看門狗技術(shù)：配置MAX813L復位芯片防止程序跑飛

3. 控制策略設計

構(gòu)建分級控制策略：

1. 實時監(jiān)測階段：持續(xù)采集并顯示各項運行參數(shù)
2. 預警判斷階段：當參數(shù)超過閾值80%時觸發(fā)黃色預警
3. 主動控制階段：超過90%閾值時實施減速控制
4. 緊急制動階段：達到100%額定值時立即切斷動力源

4 系統(tǒng)測試與驗證

1. 實驗室測試

• 精度測試：各傳感器測量誤差均小于0.5%
• 響應時間：超限信號到制動動作的延遲時間≤200ms
• 存儲性能：連續(xù)存儲720小時數(shù)據(jù)無丟失

2. 現(xiàn)場調(diào)試

在某港口集裝箱碼頭進行為期3個月的試運行，累計監(jiān)測吊裝作業(yè)12000余次，成功預警23次，避免事故隱患5起。系統(tǒng)平均無故障運行時間（MTBF）達到3200小時，滿足工業(yè)級應用要求。

5 結(jié)論與展望

本文設計的起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)通過融合智能控制技術(shù)，在傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上實現(xiàn)了三大突破：一是構(gòu)建了基于神經(jīng)網(wǎng)絡的自學習機制，二是開發(fā)了分級式主動安全控制策略，三是創(chuàng)新采用多維度抗干擾技術(shù)。實際應用表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，各項性能指標達到設計要求。未來可進一步研究基于5G的遠程監(jiān)控技術(shù)，探索與起重機群協(xié)同控制系統(tǒng)的集成應用，為智慧港口建設提供技術(shù)支撐。