1 引言

起重機(jī)作為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的特種設(shè)備，其安全運(yùn)行直接關(guān)系到人員生命和財(cái)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(yīng)復(fù)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(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)的升級(jí)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(cè)控技術(shù)和智能控制算法，設(shè)計(jì)了一款集多參數(shù)監(jiān)測(cè)、智能控制、超限預(yù)警于一體的多功能安全監(jiān)控系統(tǒng)，重點(diǎn)突破了系統(tǒng)自學(xué)習(xí)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(shè)計(jì)

1. 功能需求分析

系統(tǒng)設(shè)計(jì)以GB/T 28264-2020《起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，結(jié)合工程實(shí)際需求，確定以下核心功能模塊：

• 多參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：包括起重量、起升高度、工作幅度、風(fēng)速等12項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)
• 智能控制功能：具備過載保護(hù)、行程限位、防碰撞等主動(dòng)安全控制
• 超限預(yù)警機(jī)制：三級(jí)聲光報(bào)警系統(tǒng)（預(yù)警、報(bào)警、急停）
• 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與追溯：黑匣子功能可存儲(chǔ)30天歷史數(shù)據(jù)
• 人機(jī)交互界面：128×64點(diǎn)陣式LCM中文顯示屏
• 遠(yuǎn)程通訊接口：RS-232/485雙模式通信模塊

2. 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主控單元選型

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

傳感器模塊設(shè)計(jì)

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

外圍電路設(shè)計(jì)

• 信號(hào)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(dòng)電路：HT1621驅(qū)動(dòng)芯片與12864液晶模塊的接口設(shè)計(jì)
• 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(shè)計(jì)

采用模塊化設(shè)計(jì)理念，構(gòu)建三層軟件架構(gòu)：

• 底層驅(qū)動(dòng)層：實(shí)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(píng)估和控制決策
• 應(yīng)用層：提供人機(jī)交互、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和通訊管理功能

2. 核心算法實(shí)現(xiàn)

自學(xué)習(xí)算法設(shè)計(jì)

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建起重機(jī)工況識(shí)別模型，輸入?yún)?shù)包括起重量、工作幅度、起升速度等6項(xiàng)特征值，輸出為安全等級(jí)評(píng)估結(jié)果。通過離線訓(xùn)練建立標(biāo)準(zhǔn)工況數(shù)據(jù)庫(kù)，在線運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)更新權(quán)值參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自適應(yīng)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(dòng)平均濾波處理噪聲信號(hào)
• 冗余校驗(yàn)機(jī)制：對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC16校驗(yàn)
• 看門狗技術(shù)：配置MAX813L復(fù)位芯片防止程序跑飛

3. 控制策略設(shè)計(jì)

構(gòu)建分級(jí)控制策略：

1. 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)階段：持續(xù)采集并顯示各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)
2. 預(yù)警判斷階段：當(dāng)參數(shù)超過閾值80%時(shí)觸發(fā)黃色預(yù)警
3. 主動(dòng)控制階段：超過90%閾值時(shí)實(shí)施減速控制
4. 緊急制動(dòng)階段：達(dá)到100%額定值時(shí)立即切斷動(dòng)力源

4 系統(tǒng)測(cè)試與驗(yàn)證

1. 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

• 精度測(cè)試：各傳感器測(cè)量誤差均小于0.5%
• 響應(yīng)時(shí)間：超限信號(hào)到制動(dòng)動(dòng)作的延遲時(shí)間≤200ms
• 存儲(chǔ)性能：連續(xù)存儲(chǔ)720小時(shí)數(shù)據(jù)無丟失

2. 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試

在某港口集裝箱碼頭進(jìn)行為期3個(gè)月的試運(yùn)行，累計(jì)監(jiān)測(cè)吊裝作業(yè)12000余次，成功預(yù)警23次，避免事故隱患5起。系統(tǒng)平均無故障運(yùn)行時(shí)間（MTBF）達(dá)到3200小時(shí)，滿足工業(yè)級(jí)應(yīng)用要求。

5 結(jié)論與展望

本文設(shè)計(jì)的起重機(jī)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(shí)現(xiàn)了三大突破：一是構(gòu)建了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)機(jī)制，二是開發(fā)了分級(jí)式主動(dòng)安全控制策略，三是創(chuàng)新采用多維度抗干擾技術(shù)。實(shí)際應(yīng)用表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。未來可進(jìn)一步研究基于5G的遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，探索與起重機(jī)群協(xié)同控制系統(tǒng)的集成應(yīng)用，為智慧港口建設(shè)提供技術(shù)支撐。