專利名稱：模塊化、總線化塔式起重機實時監控系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種機電一體化技術領域的監控系統，具體涉及的是一種模 塊化、總線化塔式起重機實時監控系統。
背景技術：
塔式起重機是建筑領域最常用的工程機械，也是最容易出事故的工程機械之 一。隨著塔式起重機朝大型化、自動化方向發展，其狀態監控實時監控日益重要， 目前市場上塔機監控系統，但缺乏統一標準，沒用廣泛推廣應用的實時監控系統。 開發標準化、易于推廣的塔機實時監控系統成為保證塔機作業安全的重要手段。
經對現有技術的文獻檢索發現，中國發明專利"塔式起重機運行狀態監測安 全保護系統及方法"具有多種數據采集方式的車載工程機械衛星定位通信終端"， 專利號99115812.1，該專利公開了一種塔式起重機運行狀態監測安全保護系統 及方法以單片機為中心，對塔式起重機吊起重量、起調位置及速度、小車位置 及速度、回轉角度及速度通過A/D采集運算，對塔式起重機工作狀態進行判斷、 預測及報警；中國實用新型專利"塔式起重機運行監控裝置"，專利號 02283215.7，該專利公開了一種塔式起重機運行監控裝置以可編程控制器為中 心，對鋼絲繩拉力、變幅電機轉數進行監測，通過計算得出起重力矩，并送到液
晶屏顯示。上述發明及實用新型專利存在以下不足[l]狀態參數得采集以通道
方式進行，采集幾個參數就需單片機或可編程控制器配置相應采集通道，使其監
測參數容量受限；[2]系統不具有擴展性，無法增加新的監測參數；[3]系統標準 化、適應性差，不同產品不具有兼容性、互換性。
發明內容
本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種模塊化、總線化的塔式起 重機實時監控系統，使其滿足監測參數的柔性擴展及產品的兼容性、互換性的需 要，并解決上述背景技術中的不足。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括總線化現場信息采集終端、 總線化數據處理模塊、總線化功能擴展單元，其中
所述總線化現場信息采集終端包括模擬量總線化現場信息采集終端和脈沖 量總線化現場信息采集終端，總線化現場信息采集終端一端接現場傳感器輸出的 模擬量信號和脈沖量信號，另一端通過CAN總線與總線化數據處理模塊相聯，完 成現場狀態模擬量信息和脈沖量信息的總線化并將狀態信息及標識通過CAN總 線發送給總線化數據處理模塊；
所述總線化數據處理模塊通過CAN總線一端與總線化現場信息采集終端，另 一端與總線化功能擴展單元相聯，將參數分類信息傳送給總線化功能擴展單元；
所述總線化功能擴展單元包括總線化現場顯示單元、總線化遠程通信單元和 總線化現場控制單元，總線化現場顯示單元根據接收的CAN總線信息進行塔機工 作狀態現場顯示及報警，總線化遠程通信單元將狀態信息發送到遠程監控中心， 總線化現場控制單元根據接收的CAN總線信息對塔機各電機進行控制。
所述模擬量總線化現場信息采集終端包括A/D變換器、第一控制單元、第一 IEEE1451標準化模塊、第一CAN協議分析及轉換模塊、第一 CAN信號發送模塊、 第一撥碼開關，其中A/D變換器輸入與現場傳感器輸出相聯，輸出通過信號線、 數據線與第一控制單元相聯，將傳感器的模擬量轉換為數字量傳送給第一控制單
元；第一控制單元有兩路輸入 一是A/D變換器的輸出，二是第一撥碼開關輸入， 通過第一撥碼開關不同位的"0N"、 "OFF"設定確定參數的ID號，第一控制單元 輸出與第一 IEEE1451標準化模塊和第一 CAN協議分析及轉換模塊相聯，第一 IEEE1451標準化模塊形成標準化的傳感器電子標簽，第一 CAN協議分析及轉換 模塊將監測的狀態信息轉換標準CAN總線信息格式；第一 CAN協議分析及轉換模 塊輸出與第一 CAN信號發送模塊，第一 CAN信號發送模塊進行信號電平的轉換， 第一 CAN信號發送模塊輸出與CAN總線相聯。
所述脈沖量總線化現場信息采集終端包括光電耦合器、第二控制單元、第二 IEEE1451標準化模塊、第二CAN協議分析及轉換模塊、第二 CAN信號發送模塊、 第二撥碼開關，其中光電耦合器輸入與現場編碼器輸出相聯，輸出通過信號線 與第二控制單元相聯，將現場編碼器信號轉換為數字量傳送給第二控制單元；脈
沖量總線化現場信息采集終端的第二控制單元、第二 IEEE1451標準化模塊、第 二CAN協議分析及轉換模塊、第二CAN信號發送模塊、第二撥碼開關與模擬量總 線化現場信息采集終端的第一控制單元、第一 IEEE1451標準化模塊、第一 CAN 協議分析及轉換模塊、第一CAN信號發送模塊、第一撥碼開關相同。
所述總線化數據處理模塊包括CAN信號接收模塊、第三CAN協議分析及轉換 模塊、數據處理單元、第四CAN協議分析及轉換模塊、第一CAN信號收發模塊， 其中CAN信號接收模塊輸入與CAN總線相聯，接收總線化現場信息采集終端發 送到CAN總線上的信息；第三CAN協議分析及轉換模塊與CAN信號接收模塊輸出 相聯，CAN總線接收模塊將接收到的信息傳送到數據處理單元，數據處理單元通 過參數的ID號對接收到信息進行識別、分類，數據處理單元內包含塔機所有監 測參數的ID，總線化現場顯示單元ID、總線化遠程通信單元ID及總線化現場控 制單元ID，根據CAN總線所接的總線化現場信息采集終端能夠自動識別，總線 化現場信息采集終端具有即插即用功能，數據處理單元的輸出與第四CAN協議分 析及轉換模塊輸入相聯，第四CAN協議分析及轉換模塊輸出與第一 CAN信號收發 模塊輸入相聯，第一CAN信號收發模塊輸出與CAN總線相聯。數據處理單元將監 測參數信息識別分類后通過第四CAN協議分析及轉換模塊進行CAN總線化，通過 CAN信號收發模塊送上CAN總線。
所述總線化功能擴展單元包括第二CAN總線收發模塊、信號轉換器、第三撥 碼開關、功能單元。第二CAN總線收發模塊輸入與CAN總線相聯，輸出與信號轉 換器相聯；信號轉換器實現CAN總線信號與功能單元之間信號匹配轉換，包括 CAN協議解析模塊、第三控制單元、功能單元匹配信號轉換器。信號轉換器的CAN 協議解析模塊輸入與第二 CAN總線收發模塊相聯，輸出與信號轉換器的第三控制 單元相聯，信號轉換器的第三控制單元輸出與功能單元匹配信號轉換器輸入相 聯，功能單元匹配信號轉換器輸出接各功能單元。第三撥碼開關與信號轉換器的 輸入相聯，通過各位的0N、 OFF設定確定各總線化功能擴展單元的ID，總線化 數據處理模塊根據各總線化功能擴展單元的ID對其進行自動識別匹配，實現各 總線化功能擴展單元的即插即用。
所述功能單元包括液晶顯示單元、遠程通信單元和塔機現場控制單元，分別實現信息顯示，遠程通信以及塔機控制。
本發明中，總線化現場信息采集終端通過CAN總線與總線化數據處理模塊，
實現狀態信息向中央控制器的傳輸，總線化現場信息采集終端可實現積木式柔性
擴展，即插即用；總線化數據處理模塊通過CAN總線信號與總線化功能擴展單元 相聯，實現信息的顯示、報警、塔機控制及遠程數據傳輸。功能擴展單元通過總 線進行積木式擴展，功能上即插即用。
本發明采用模塊化、總線化的方法實現了塔式起重機工作狀態的實時監控， 在硬件不變的情況可實現監測參數的柔性擴展和即插即用，同時具有標準化形 式，可與不同公司產品配套使用，具有通用性。
圖l是本發明的總體結構圖2是本發明模擬量總線化現場信息采集終端實施例框圖； 圖3是本發明脈沖量總線化現場信息采集終端實施例框圖； 圖4是本發明總線化數據處理模塊實施例框圖； 圖5是本發明功能擴展單元實施例框圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案 為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和過程，但本發明的保護范圍不限于 下述的實施例。
如圖1所示，本實施例包括總線化現場信息采集終端、總線化數據處理模 塊、總線化功能擴展單元，其中
所述總線化現場信息采集終端包括模擬量總線化現場信息采集終端和脈沖 量總線化現場信息采集終端，總線化現場信息采集終端一端接現場傳感器輸出的 模擬量信號和脈沖量信號，另一端通過CAN總線與總線化數據處理模塊相聯，完
成現場狀態模擬量信息和脈沖量信息的總線化并將狀態信息及標識通過CAN總 線發送給總線化數據處理模塊；
所述總線化數據處理模塊通過CAN總線一端與總線化現場信息采集終端，另 一端與總線化功能擴展單元相聯，將參數分類信息傳送給總線化功能擴展單元；
所述總線化功能擴展單元包括總線化現場顯示單元、總線化遠程通信單元和 總線化現場控制單元，總線化現場顯示單元根據接收的CAN總線信息進行塔機工 作狀態現場顯示及報警，總線化遠程通信單元將狀態信息發送到遠程監控中心， 總線化現場控制單元根據接收的CAN總線信息對塔機各電機進行控制。
如圖2所示，模擬量總線化現場信息采集終端包括A/D變換器、第一控制單 元、第一 IEEE1451標準化模塊、第一 CAN協議分析及轉換模塊、第一 CAN信號 發送模塊、第一撥碼開關。
本實施例中，A/D變換器、第一控制單元、第一 C緒協議分析及轉換模塊采 用ATME1公司的單片機AT89C51CC01-1內部集成功能實現，第一 IEEE1451標準 化模塊通過對AT89C51CC01-1軟件編程實現。第一撥碼開關可由市場購買，CAN 信號發送模塊采用SN65HVD230-1實現。
AT89C51CC01-1的A/D變換器輸入引腳3、 4與現場傳感器輸出相聯，輸出 通過信號線送入AT89C51CC01-1的控制單元。撥碼開關信號通過AT89C51CC01-1 的1/0引腳30、 31、 32、 33、 34、 35、 36、 37進入AT89C51CC01-1的控制單元， 通過第一撥碼開關不同位的"ON"、 "OFF"設定確定參數的ID號，AT89C51CC01-1 的控制單元輸出與和第一 CAN協議分析及轉換模塊相聯，通過軟件編程形成符合 IEEE1451標準的傳感器電子標簽，AT89C51CC01-1的CAN協議分析及轉換模塊將 監測的狀態信息轉換標準CAN總線信息格式，通過引腳20、 21與CAN信號發送 模塊SN65HVD230-1的引腳4、 1相聯，SN65HVD230-1進行信號電平的轉換，通 過引腳7、 8與第一CAN總線的CANH、 CANL信號線相聯。
如圖3所示，脈沖量總線化現場信息采集終端包括光電耦合器、第二控制單 元、第二 IEEE1451標準化模塊、第二 CAN協議分析及轉換模塊、第二 CAN信號 發送模塊、第二撥碼開關。
本實施例中，光電耦合器采用TLP521-4實現，第二控制單元、第二 IEEE1451 標準化模塊、第二 CAN協議分析及轉換模塊采用ATME1公司的單片機 AT89C51CC01-2的內部集成功能實現，CAN信號發送模塊采用TI公司的 SN65HVD230-2實現，第二 IEEE1451標準化模塊通過對AT89C51CC01-1軟件編程 實現，第二撥碼開關可由市場購買。
光電耦合器TLP521-4輸入引腳1、 3、 5、 7經限流電阻與現場編碼器輸出相 聯，TLP521-4的輸出引腳9、 11、 13、 15經下拉電阻與AT89C51CC01-2的I/O 引腳3、 4、 5、 6相聯，將現場編碼器信號轉換為數字量傳送給AT89C51CC01-2 的控制單元；第二撥碼開關的信號通過AT89C51CC01-2的1/0引腳30、 31、 32、 33、 34、 35、 36、 37進入AT89C51CC01-2的控制單元，通過第二撥碼開關不同 位的"0N"、 "OFF"設定確定參數的ID號，AT89C51CC01-2的控制單元輸出與和 其CAN協議分析及轉換模塊相聯，通過軟件編程形成符合IEEE1451標準的傳感 器電子標簽，AT89C51CC01-2的CAN協議分析及轉換模塊將監測的狀態信息轉換 標準CAN總線信息格式，通過21、 20引腳與CAN信號發送模塊SN65HVD230-2 的1、 4管腳，SN65HVD230-2進行信號電平的轉換，通過7、 8管腳與第一 CAN 總線的CANH、 CANL信號線相聯。
如圖4所示，所述總線化數據處理模塊包括CAN信號接收模塊、第三CAN 協議分析及轉換模塊、數據處理單元、第四CAN協議分析及轉換模塊、第一CAN 信號收發模塊。
本實施例中，CAN信號接收模塊采用TI公司的SN65HVD230-3實現，第三CAN 協議分析及轉換模塊、數據處理單元、第四CAN協議分析及轉換模塊采用TI公 司的TMS320F2808內部集成功能實現，CAN信號收發模塊采用TI公司的 SN65HVD230-4實現。
SN65HVD230-3的6、 7引腳與第一 CAN總線的CANL、 CANH信號線相聯，接 收總線化現場信息釆集終端發送到第一 CAN總線上的信息，SN65HVD230-3的1、 4引腳與TMS320F2808的CAN信號引腳6、 7引腳相聯，TMS320F2808的CAN總 線接收模塊將接收到的信息傳送到TMS320F2808的數據處理單元，TMS320F2808 的數據處理單元通過參數的ID號對接收到信息進行識別、分類，包含塔機所有 監測參數的ID，總線化現場顯示單元ID、總線化遠程通信單元ID及總線化現場 控制單元ID，根據第一 CAN總線所接的總線化現場信息采集終端能夠自動識別， 總線化現場信息采集終端具有即插即用功能。TMS320F2808的數據處理單元的輸 出與TMS320F2808的CAN協議分析及轉換模塊2輸入相聯，CAN協議分析及轉換 模塊2輸出管腳67、 63管腳與CAN信號收發模塊SN65HVD230-4的1、 4輸入管
腳相聯，第一 CAN信號收發模塊SN65HVD230-4的6、 7輸出管腳與第二 CAN總線 的CANH、 CANL信號線相聯。
如圖5所示，所述總線化功能擴展單元包括第二 CAN總線收發模塊、信號轉 換器、第三撥碼開關、功能單元。
本實施例中，第二 CAN總線收發模塊采用TI公司的SN65HVD230-5實現。第 三撥碼開關可從市場選購，CAN協議解析器、控制單元采用ATMEL公司的 AT89C51CC01-3的內部集成功能實現，功能單元匹配信號轉換器采用TI公司的 MAX485芯片，實現M0DBUS協議轉換。
SN65HVD230-5的輸入引腳6、 7引腳與第二 CAN總線的CANL和CANH信號線 相聯，輸出引腳l、 4引腳與信號轉換器的CAN信號引腳21、 20引腳相聯。信號 轉換器實現CAN總線信號與功能單元之間信號匹配轉換，包括CAN協議解析器、 第三控制單元、功能單元匹配信號轉換器，AT89C51CC01-3的CAN協議解析器 輸入引歩P 21、 20引腳與SN65HVD230-5的1、 4輸出引腳相聯，AT89C51CC01-3 的CAN協議解析器輸出信號傳送到AT89C51CC01-3的第三控制單元， AT89C51CC01-3的控制單元的I/O引腳12、 13引腳與與功能單元匹配信號轉換 器MAX485的1、 4引腳相聯，MAX485的6、 7引腳按MODBUS協議接接各功能單 元。功能單元包括液晶顯示單元、遠程通信單元和塔機現場控制單元，為可選標 配單元。第三撥碼開關與AT89C51CC01-3的輸入引腳30、 31、 32、 33、 34、 35、 36、 37相聯，通過各位的0N、 OFF設定確定各總線化功能擴展單元的ID，總線 化數據處理模塊根據各總線化功能擴展單元的ID對其進行自動識別匹配，實現 各各總線化功能擴展單元的即插即用。
本實施例的工作過程如下總線化數據處理模塊與第一 CAN總線和第二 CAN總線相聯；總線化現場信息采集終端與現場傳感器相聯；總線化現場信息采集終端與第一 CAN總線相聯；總線化現場信息采集終端ID設置；總線化現場信息采集終端與現場傳感器相聯；總線化功能擴展單元與第二 CAN總線相聯；總線化功能擴展單元ID設置；總線化現場信息采集終端和總線化功能擴展單元向總線化數據處理模 塊發送自身ID身份識別信息；總線化數據處理模塊對總線化現場信息采集終端和總線化功能擴展單
元ID讀取與識別；總線化現場信息采集終端向總線化數據處理模塊發送現場狀態信息； [11]總線化數據處理模塊對現場狀態信息進行分類、處理； [12]總線化數據處理模塊根據需要向各總線化功能擴展單元發送信息； [13]重復循環[8]-[12]的工作過程。
權利要求
1、一種模塊化、總線化塔式起重機實時監控系統，包括總線化現場信息采集終端、總線化數據處理模塊、總線化功能擴展單元，其中所述總線化現場信息采集終端包括模擬量總線化現場信息采集終端和脈沖量總線化現場信息采集終端，總線化現場信息采集終端一端接現場傳感器輸出的模擬量信號和脈沖量信號，另一端通過CAN總線與總線化數據處理模塊相聯，完成現場狀態模擬量信息和脈沖量信息的總線化并將狀態信息及標識通過CAN總線發送給總線化數據處理模塊；所述總線化數據處理模塊通過CAN總線一端與總線化現場信息采集終端，另一端與總線化功能擴展單元相聯，將參數分類信息傳送給總線化功能擴展單元；所述總線化功能擴展單元包括總線化現場顯示單元、總線化遠程通信單元和總線化現場控制單元，總線化現場顯示單元根據接收的CAN總線信息進行塔機工作狀態現場顯示及報警，總線化遠程通信單元將狀態信息發送到遠程監控中心，總線化現場控制單元根據接收的CAN總線信息對塔機各電機進行控制。
2、 根據權利要求1所述的模塊化、總線化塔式起重機實時監控系統，其特 征是，所述模擬量總線化現場信息采集終端包括A/D變換器、第一控制單元、第 一 IEEE1451標準化模塊、第一 CAN協議分析及轉換模塊、第一 CAN信號發送模 塊、第一撥碼開關，其中A/D變換器輸入與現場傳感器輸出相聯，輸出通過信 號線、數據線與第一控制單元相聯，將傳感器的模擬量轉換為數字量傳送給第一 控制單元；第一控制單元有兩路輸入 一是A/D變換器的輸出，二是第一撥碼開 關輸入，通過第一撥碼開關不同位的"ON"、 "OFF"設定確定參數的ID號，第一 控制單元輸出與第一 IEEE1451標準化模塊和第一CAN協議分析及轉換模塊相聯， 第一 IEEE1451標準化模塊形成標準化的傳感器電子標簽，第一 C緒協議分析及 轉換模塊將監測的狀態信息轉換標準CAN總線信息格式；第一 CAN協議分析及轉 換模塊輸出與第一 CAN信號發送模塊，第一 CAN信號發送模塊進行信號電平的轉 換，第一CAN信號發送模塊輸出與CAN總線相聯。
3、 根據權利要求1所述的模塊化、總線化塔式起重機實時監控系統，其特 征是，所述脈沖量總線化現場信息采集終端包括光電耦合器、第二控制單元、第 二 IEEE1451標準化模塊、第二 CAN協議分析及轉換模塊、第二 CAN信號發送模 塊、第二撥碼開關，其中光電耦合器輸入與現場編碼器輸出相聯，輸出通過信 號線與第二控制單元相聯，將現場編碼器信號轉換為數字量傳送給第二控制單 元；脈沖量總線化現場信息采集終端的第二控制單元、第二 IEEE1451標準化模 塊、第二CAN協議分析及轉換模塊、第二CAN信號發送模塊、第二撥碼開關與模 擬量總線化現場信息采集終端的第一控制單元、第一 IEEE1451標準化模塊、第 一CAN協議分析及轉換模塊、第一CAN信號發送模塊、第一撥碼開關相同。
4、 根據權利要求1所述的模塊化、總線化塔式起重機實時監控系統，其特 征是，所述總線化數據處理模塊包括CAN信號接收模塊、第三CAN協議分析及轉 換模塊、數據處理單元、第四CAN協議分析及轉換模塊、CAN信號收發模塊，其 中CAN信號接收模塊輸入與CAN總線相聯，接收總線化現場信息采集終端發送 到CAN總線上的信息；第三CAN協議分析及轉換模塊與CAN信號接收模塊輸出相 聯，CAN總線接收模塊將接收到的信息傳送到數據處理單元，數據處理單元通過 參數的ID號對接收到信息進行識別、分類，數據處理單元內包含塔機所有監測 參數的ID，總線化現場顯示單元ID、總線化遠程通信單元ID及總線化現場控制 單元ID，根據CAN總線所接的總線化現場信息采集終端能夠自動識別，總線化 現場信息采集終端具有即插即用功能，數據處理單元的輸出與第四CAN協議分析 及轉換模塊輸入相聯，第四CAN協議分析及轉換模塊輸出與CAN信號收發模塊輸 入相聯，CAN信號收發模塊輸出與CAN總線相聯，數據處理單元將監測參數信息 識別分類后通過第四CAN協議分析及轉換模塊進行CAN總線化，通過CAN信號收 發模塊送上CAN總線。
5、 根據權利要求1所述的模塊化、總線化塔式起重機實時監控系統，其特 征是，所述總線化功能擴展單元包括CAN總線收發器、信號轉換器、第三撥碼開 關、功能單元，其中CAN總線收發器輸入與CAN總線相聯，輸出與信號轉換器 相聯；信號轉換器實現CAN總線信號與功能單元之間信號匹配轉換，包括CAN 協議解析器、控制單元、功能單元匹配信號轉換器；信號轉換器的CAN協議解析 器輸入與CAN總線收發器相聯，輸出與信號轉換器的控制單元相聯，信號轉換器 控制單元輸出與功能單元匹配信號轉換器輸入相聯，功能單元匹配信號轉換器輸 出接各功能單元；第三撥碼開關與信號轉換器的輸入相聯，通過各位的ON、 OFF 設定確定各總線化功能擴展單元的ID，總線化數據處理模塊根據各總線化功能 擴展單元的ID對其進行自動識別匹配，實現各各總線化功能擴展單元的即插即 用。
6、根據權利要求5所述的模塊化、總線化塔式起重機實時監控系統，其特 征是，所述功能單元包括液晶顯示單元、遠程通信單元和塔機現場控制單元，分 別實現信息顯示，遠程通信以及塔機控制。
全文摘要
一種機電一體化技術領域的模塊化、總線化塔式起重機實時監控系統，包括總線化現場信息采集終端、總線化數據處理模塊、總線化功能擴展單元，其中所述總線化現場信息采集終端完成現場狀態模擬量信息和脈沖量信息的總線化并將狀態信息及標識通過CAN總線發送給總線化數據處理模塊；所述總線化數據處理模塊將參數分類信息傳送給總線化功能擴展單元；所述總線化功能擴展單元中，總線化現場顯示單元根據接收的CAN總線信息進行塔機工作狀態現場顯示及報警，總線化遠程通信單元將狀態信息發送到遠程監控中心，總線化現場控制單元根據接收的CAN總線信息對塔機各電機進行控制。本發明滿足監測參數的柔性擴展及產品的兼容性、互換性的需要。
文檔編號B66C23/88GK101362575SQ20081020041
公開日2009年2月11日 申請日期2008年9月25日 優先權日2008年9月25日
發明者劉成良, 李彥明, 楊山虎, 鄭聰海, 斌 陳 申請人:上海交通大學