阅读说明：本技术 一种带防御性保护的塔式起重机控制系统 (Tower crane control system with defensive protection ) 是由 赵健 蔡先勇 于 2019-12-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了塔吊集成控制领域的一种带防御性保护的塔式起重机控制系统,包括控制器和位于控制器内的控制器主板,所述控制器主板包括主控芯片、继电器和可控硅控制模块,还包括互感装置、运算放大器、运算放大整流器、宽电压监测模块、光电耦合信号输出模块,还包括主电源和交流电动机,还包括通过数据线路与控制器主板相连接的无线通信模块、视频输出模块,所述控制器主板通过视频输出模块与触摸式显示屏连接,采用新型限位器,可以有效防止线路老化黏连和人为短接造成的误启动或强行通电操作；采用继电器与可控硅联合使用,并增加电流互感器及电压检测器进行输出端监测；采用新型的电阻电路,可以使人脸识别等个人认证系统无法进行短接。(The invention discloses a tower crane control system with defensive protection in the field of tower crane integrated control, which comprises a controller and a controller mainboard positioned in the controller, wherein the controller mainboard comprises a main control chip, a relay and a silicon controlled control module, and also comprises a mutual inductance device, an operational amplifier, an operational amplification rectifier, a wide voltage monitoring module, a photoelectric coupling signal output module, a main power supply and an alternating current motor, and also comprises a wireless communication module and a video output module which are connected with the controller mainboard through data lines; a relay and a thyristor are used in a combined manner, and a current transformer and a voltage detector are added for monitoring the output end; by adopting the novel resistance circuit, personal authentication systems such as face recognition and the like can not be short-circuited.)

一种带防御性保护的塔式起重机控制系统

技术领域

本发明涉及塔吊集成控制技术领域，具体为一种带防御性保护的塔式起重机控制系统。

背景技术

目前市面上没有对限位器、人脸识别、线路电流情况等安全保护装置和传感器保护的塔式起重机集成控制系统。现有的技术方案在塔式起重机运行当中都可以直接将上述安全保护装置或传感器进行短接后造成事实通电，在欺骗总控系统后进行无限制使用，从而在使用当中造成安全隐患。而现有技术没有对线路老化造成的短路和断路问题进行有效的检测，就会在出现这种情况下也以强行使用，从而造成事故发生。

目前现有塔式起重机安装的力矩限制器、重量限制器、高度限位、幅度限位、回转限位（以下称安全保护装置），无论是多功能机械触发式还是传感式的安全保护装置在损毁、失效或电缆老化造成的短路、断路，断轴失转、使用中安全保护装置的输入和输出端的控制电缆均可以被人为的短接，从而强制使用。

鉴于现有的安全保护装置及传感器可以被人为解除保护从而强制起动塔式起重机。经过多年的研究，开发出一种比现有安全保护装置及塔式起重机控制系统更优的方案，可以对起重机运行线路和二次线路进行实时监测、计算。使人为或线路老化造成的短路、断路情况下不能强制开机，从而避免安全事故。非认证工作人员不能通过短接人脸识别等认证功能模块进行强制开机运行，从而避免安全隐患的发生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带防御性保护的塔式起重机控制系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种带防御性保护的塔式起重机控制系统，包括控制器和位于控制器内的控制器主板，所述控制器主板包括主控芯片、继电器和可控硅控制模块，所述可控硅控制模块分别与主控芯片和继电器连接，所述可控硅控制模块包括可控硅控制芯片和可控硅，所述可控硅控制芯片通过主控芯片输出低压直流控制信号，对可控硅控制模块进行通断控制；

还包括互感装置，所述互感装置输出到运算放大器，所述运算放大器通过对互感装置输入的电流变化值进行放大，将产生的低压电流并向运算放大整流器输出，所述主控芯片通过数据线路分别与运算放大整流器和光电耦合信号输出模块连接，所述运算放大整流器对运算放大器的输入电流进行整流，生成被主控芯片有效识别的电流信号，并向主控芯片输出；还包括宽电压监测模块，用于对总电源的两个控制出线进行电压比较，产生一次低压直流信号，并向光电耦合信号输出模块输出，所述光电耦合信号输出模块用于监测交流电压变化，并由主控芯片进行信号识别，以判断塔机运行电源工作状态，并进行控制；

还包括主电源和交流电动机，所述主控芯片通过传感器线路接口与电位器、角度传感器、拉力传感器和人脸识别开关连接。

优选的，所述控制器包括壳体和线路出口，所述控制器主板位于壳体内，所述控制器主板上的电力和数据线路通过所述线路出口接入。

优选的，所述继电器采用12V直流控制继电器，用于对高压交流电路进行通断控制，所述可控硅用于直接控制交流电路通断。

优选的，所述光电耦合信号输出模块用于输出低压电信号，并防止宽电压监测模块在高压下击穿烧毁后再通过线路对主控芯片造成损坏。

优选的，还包括报警电路模块，所述主控芯片通过继电器控制报警电路模块，所述报警电路模块通过报警电路输出接口与外置交流报警器相连接。

优选的，还包括通过数据线路与控制器主板相连接的无线通信模块、视频输出模块，所述控制器主板通过视频输出模块与触摸式显示屏连接，还包括联动开关。

优选的，还包括通过数据线路与控制器主板相连接的

传感器线路接口，包括多个传感器接口，用于接入多个传感器；

电流过流保险丝，用于当动作电路上交流电的电流过大时，自动烧断；

数据存储芯片，用于存储预设数据和运行数据；

多路电子控制开关，用于控制继电器，将3.3V低压控制信号直接输出12V控制电流。

优选的，所述主电源包括12V交直流宽幅变压电源、5V直流降压电源、3.3V直流降压电源、交流电力线路和低压直流线路，所述主电源通过交流电力线路与12V交直流宽幅变压电源、宽电压监测模块、联动开关、交流接触器连接，所述主电源通过继电器与交流报警器连接，所述主电源通过交流接触器与交流电动机连接，所述主电源依次连接联动开关、电流过流保险丝连接、继电器、可控硅控制模块、互感装置和交流接触器后再连接主电源，形成回路，所述12V交直流宽幅变压电源向5V直流降压电源、运算放大器、运算放大整流器、多路电子控制开关供电，所述5V直流降压电源向3.3V直流降压电源、无线通信模块、传感器线路接口供电，所述3.3V直流降压电源向主控芯片、视频输出模块、传感器线路接口供电。

优选的，所述限位器连接低阻值电阻器、高阻值电阻器和微动开关，所述低阻值电阻器和高阻值电阻器使限位器的电信号在输回到主控芯片后与输出电压形成一个固定比值，所述限位器通过对微动开关两路电路的电压比较，通过主控芯片识别电流电动机状态和限位器电路状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、采用新型限位器，可以有效防止线路老化黏连和人为短接造成的误启动或强行通电操作。

2、采用继电器与可控硅联合使用，并增加电流互感器及电压检测器进行输出端监测；可以防止传感器损坏或输出端被移除后强制启动运行；当工作电路中的电流过大或过小时，进行主动断电操作，防止事故发生。

3、采用新型的电阻电路，可以使人脸识别等个人认证系统无法进行短接，从而强制开机运行，有效的防止非认证的工作人员进行误操作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明起重系统高压线路示意图；

图2为本发明直流供电线路示意图；

图3为本发明一路控制电路示意图；

图4为本发明限位器微动开关、传感器电路，及认证接口连接示意图；

图5为本发明电流检测电路示意图；

图6为本发明继电器控制电路及视频输出示意图；

图7为本发明宽电压检测电路示意图；

图8为本发明可控硅控制电路示意图；

图9为本发明控制器示意图；

图10为本发明系统通过电压判定传感器的状态示意图；

图11为本发明系统通过判定对塔式起重机进行权限控制示意图；

图12为本发明系统设置参数阈值波动或走势示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、控制器；101、壳体；102、线路出口；2、控制器主板；201、主控芯片；202、继电器；203、可控硅控制模块；2031、可控硅控制芯片；2032、可控硅；204、互感装置；205、运算放大器；206、运算放大整流器；207、宽电压监测模块；208、光电耦合信号输出模块；209、报警电路模块；2091、报警电路输出接口；2010、无线通信模块；2011、视频输出模块；2012、传感器线路接口；2013、电流过流保险丝；2014、数据存储芯片；2015、多路电子控制开关；3、主电源；301、12V交直流宽幅变压电源；302、5V直流降压电源；303、3.3V直流降压电源；304、交流电力线路；305、低压直流线路；4、交流电动机；501、限位器；5011、低阻值电阻器；5012、高阻值电阻器；5013、微动开关；502、角度传感器；503、拉力传感器；504、人脸识别开关；6、联动开关；7、触摸式显示屏；8、交流接触器；9、交流警报器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-11，本发明提供一种技术方案：一种带防御性保护的塔式起重机控制系统，包括控制器1和位于控制器1内的控制器主板2，控制器1为塔式起重机控制系统的硬件主体，控制器主板2为塔式起重机控制系统的硬件主体，所述控制器主板2包括主控芯片201、继电器202和可控硅控制模块203，主控芯片201为塔式起重机控制系统的系统运行单元，用于处理各种输入信号，和控制各个运行电路模块。所述可控硅控制模块203分别与主控芯片201和继电器202连接，所述可控硅控制模块203包括可控硅控制芯片2031和可控硅2032，所述可控硅控制芯片2031通过主控芯片201输出低压直流控制信号，对可控硅控制模块203进行通断控制；

还包括互感装置204，用于对控制端交流电路电流改变进行低压转换输出，所述互感装置204输出到运算放大器205，所述运算放大器205通过对互感装置204输入的电流变化值进行放大，将产生更大变化值的低压电流并向运算放大整流器206输出，所述主控芯片201通过数据线路分别与运算放大整流器206和光电耦合信号输出模块208连接，所述运算放大整流器206对运算放大器205的输入电流进行整流，生成被主控芯片201有效识别的电流信号，并向主控芯片201输出；

还包括宽电压监测模块207，用于对总电源的两个控制出线进行电压比较，产生一次低压直流信号，并向光电耦合信号输出模块208输出，所述光电耦合信号输出模块208用于监测交流电压变化，并由主控芯片201进行信号识别，以判断塔机运行电源工作状态，并进行控制，宽电压监测模块207可以监测交流电压变化，并由主控芯片201进行信号识别，从而判定塔机运行电源工作状态，并做出控制。如欠压、过压这两种不正常状态下运行塔机都会对整个塔机的各个电动部件造成损伤。同时在运行中，电压没有出变化，则可判定电机没有正常启动。系统就可以做出停止运行命令，直到错误解除。

还包括主电源3和交流电动机4，交流电动机4为塔式起重机的运行电动机，所述主控芯片201通过传感器线路接口2012与电位器501、角度传感器502、拉力传感器503和人脸识别开关504连接。角度传感器502用于输入起重机的水平转动角度，为现有技术；拉力传感器503用于输入起重机的起吊物所带来的对钢丝绳的拉力从而计算出起吊物重量，为现有技术；人脸识别开关504用于对操作人员进行人脸识别，现有技术普通人脸识别开关都只有通断两个功能。这里的开关线路中加入电阻 后就可以形成不同的电压电流回路。可以被主控芯片201识别五种状态。联动开关6为塔机的运行动做手柄机构，属于现有技术产品。

其中，所述控制器1包括壳体101和线路出口102，所述控制器主板2位于壳体101内，所述控制器主板2上的电力和数据线路通过所述线路出口102接入，壳体101用于保护控制器主板2，线路出口102用于电力和数据线路接入。

其中，所述继电器202采用12V直流控制继电器，用于对高压交流电路进行通断控制，所述可控硅2032用于直接控制交流电路通断。

其中，所述光电耦合信号输出模块208用于输出低压电信号，并防止宽电压监测模块207在高压下击穿烧毁后再通过线路对主控芯片201造成损坏。当不使用光电耦合而使用半导体三极管进行电压降低输出信号时，一旦出现高压击穿现象，则整个主板电路上的直流元器件就会全部损坏。

其中，还包括报警电路模块209，所述主控芯片201通过继电器202控制报警电路模块209，所述报警电路模块209通过报警电路输出接口2091与外置交流报警器9相连接。直接使用交流高功率警报器，可以使警报响声传递的更远，方便安全人员进行处理。交流报警器9为大功率，不适于设置在密封盒内。

其中，还包括通过数据线路与控制器主板2相连接的无线通信模块2010、视频输出模块2011，所述控制器主板2通过视频输出模块2011与触摸式显示屏7连接，还包括联动开关6。通过加装无线通信模块2010，可以使塔式起重机控制系统进行远程输出监控信息或警报信息。远程输入有效信息或控制信息。属于现有技术产品。视频输出模块2011现有技术产品，用于显示系统状态，及触摸式显示屏7上进行操作的信息输入。

其中，触摸式显示屏7用于显示塔机运行状态，；交流接触器8为塔机上的交流电动机4运行控制器，用于调换电源电路方向以使电机正、反运转；交流警报器9为大功率声光警报器，触摸式显示屏7、交流接触器8和交流警报器9均为现有技术产品。

其中，还包括通过数据线路与控制器主板2相连接的

传感器线路接口2012，包括多个传感器接口，用于接入多个传感器；

电流过流保险丝2013，用于当动作电路上交流电的电流过大时，自动烧断，以防止过流烧毁主板；

数据存储芯片2014，用于存储预设数据和运行数据；

多路电子控制开关2015，用于控制继电器202，将3.3V低压控制信号直接输出12V控制电流。多路电子控制开关2015为达林顿晶体管，用于控制继电器202，使用此种晶体管的好处是可减少电路板上的电路布设难度，同时大大减少成本。一个七路输入输出控制继电器。采购价低于两元。

其中，所述主电源3包括12V交直流宽幅变压电源301、5V直流降压电源302、3.3V直流降压电源303、交流电力线路304和低压直流线路305，

12V交直流宽幅变压电源301使用小变压器，可以高效率的将高压交流电源转成12V直流电源，以给2主板上的动作机构供电。同时此种变压器可以使用多种交流电压的电源，可以使系统的适用性更广泛（使用小变压器进行降压转换，转换效率比通过半导体电源电路转换的效率高，有效减少能耗，减少损耗发热，缺点是电源电路比半导体电源电路大，在有限空间内不能多个使用。）

5V直流降压电源302通过三端稳压块电容电路，可以在保证功率输出的情况下大大的减少电源电路体积。减少使用小变压器所带来的电路复杂化和由此带来的电磁干扰。

3.3V直流降压电源303通过三端稳压块电容电路，可以在保证功率输出的情况下大大的减少电源电路体积。减少使用小变压器所带来的电路复杂化和由此带来的电磁干扰。

交流电力线路304为大功率交流电路，低压直流线路305，用于传输低压直流电，12V用于继电器202，3.3和5V用于芯片及不同电压规格传感器。 使用直流连续降压的电源电路，可以有效的减少控制器主板2上的电路构成复杂度，并减少电磁干扰，使主板电路电流更稳定。

连接方式：所述主电源3通过交流电力线路304与12V交直流宽幅变压电源301、宽电压监测模块207、联动开关6、交流接触器8连接，通过交流接触器8的不同接线方向来达到正转反转功能，所述主电源3通过继电器202与交流报警器9连接，所述主电源3通过交流接触器8与交流电动机4连接，所述主电源3依次连接联动开关6、电流过流保险丝连接2013、继电器202、可控硅控制模块203、互感装置204和交流接触器8后再连接主电源3，形成回路，所述12V交直流宽幅变压电源301向5V直流降压电源302、运算放大器205、运算放大整流器206、多路电子控制开关2015供电，所述5V直流降压电源302向3.3V直流降压电源303、无线通信模块2010、传感器线路接口2012供电，所述3.3V直流降压电源303向主控芯片201、视频输出模块2011、传感器线路接口2012供电。

其中，所述限位器501连接低阻值电阻器5011、高阻值电阻器5012和微动开关5013，限位器501通过对微动开关5013两路电路的电压比较，可以使控制器精确识别电机状态和限位器电路状态，防止限位器或线路损坏时强行通电运行，所述低阻值电阻器5011和高阻值电阻器5012使限位器501的电信号在输回到主控芯片201后与输出电压形成一个固定比值，低阻值电阻器5011和高阻值电阻器5012在一个输出端使用电阻器后，可以使限位器的电信号在输回到主控芯片201后与输出电压形成一个固定比值。这时当有因为线路老化而造成与正常比例不同的输入电压时，可判定限位器501出错（短路、接地漏电），禁止塔机运行。当人为在限位器501前端传感线路短接时，由于输入输出电压相同，则可判定限位器501被短路，禁止塔机运行。当没有输入电压时。则可判定限位器501电路被断路，禁止塔机运行。所述限位器501通过对微动开关5013两路电路的电压比较，通过主控芯片201识别电流电动机4状态和限位器501电路状态，微动开关5013为现有技术，用于通过微小动作而切换电路。普通微动开关由于没有两个不同阻值电阻器，也没有在系统中设置电压比较，只能判定通、断两种状态，而无法判定是否短路、接地漏电。

具体工作原理如下所述：

如图1所示，为起重系统高压线路示意图，控制器1的内部走线中继电器202、可控硅控制模块203都处于内部。因此，当非工作人员想强制开机时，只能破坏控制器1并将交流线路重新连接，并避开控制器主板2才行。但这样的操作过程对于非工作人员来说，很困难。如图2所示，为直流供电线路示意图，不同电压的直流电供给不同的元器件，可以在使用和维修时更加安全和简单。如图3所示，为一路控制电路示意图，图中是塔式起重机做一次电机运转时的电路连接示意图。如图4所示，为限位器微动开关、传感器电路，及认证接口连接示意图，如图5所示，为电流检测电路示意图，如图6所示，为继电器控制电路及视频输出示意图，由主控制芯片201通过多路电子控制开关2015对12V直流电路进行控制，从而控制继电器202。当系统检测非正常状态时就可以挂起继电器202，使其不能通过交流电，从而避免造成安全隐患。同时由多路电子控制开关2015对交流警报器9供电使其可以鸣笛报警，使操作人员和监护管理人员都 可以听到警报声。如图7所示，为宽电压检测电路示意图，如右图中宽电压监测模块207、光电耦合信号输出模块208的连接关系及与主控制芯片201的连接关系。当宽电压监测模块207被高压击穿或损坏时，如果出现向光电耦合信号输出模块208输出高压的情况，则因为是采用光电耦合电路，所以不会有高压电流流入主控制芯片201，从而对整个主板低压电路造成损坏。如图8所示，为可控硅控制电路示意图主控芯片201通过直接控制可控硅控制芯片2031对可控硅2032进行控制。结合继电器202，可以达到双重断电保护的作用。可以有效防止非工作人员进行违规接线操作。同时两种断电开关同时作用，也防止一个器件不能控制时系统也能进行断电操作。如图9所示，为控制器示意图，如图10所示，为系统通过电压判定传感器的状态示意图，通过对正常电压和运行电压参数进行实时比较，系统就可以及时做出正确判定，使操作人员进行检察，防止出现安全隐患。如图11所示，为系统通过判定对塔式起重机进行权限控制示意图。当出现图上何一处错误时，系统都会断开所有继电器202及可控硅电路203。使安全隐患不出现。如操作员操作吊机前进时控制一路电机供电，如图2 所示。当这路电机运行时出现电压、电流异常，超出系统设置参数阈值波动或走势，如图12.则所有继电器202及可控硅电路203都会被系统挂起。

在工地使用中第一步，由施工人员将塔式起重机主体安装完好后再连接各个传感器与控制器1。

当连接好后，就可以进行开机自检。

首先系统先对传感器进行输入电压、电流检测，做为基础数据存储在数据存储芯片2014当中。并且由工作人员导入操作工人人脸图像到人脸识别开关做为正式操作工人。之后操作工人对塔式起重机进行运转调试。通过联动开关6对塔式起重机进行控制，使其旋转、提升、变幅。同时通过触摸式显示屏6向系统输入，运行参数。如额定吊重、旋转最大角度、变幅距离等。这时系统通过操作工人的调试，就可以采集到传感器的正常使用电压范围参数并保存在数据存储芯片2014当中。调试完成后，塔式起重机就可以正常使用。

通过对传感器的电位差、宽电压检测模块207、运算放大器205的数据输入，经过主控芯片201的数据处理，对继电器202、可控硅2032进行同时控制。

通过使用两种不同电阻值的电阻器501进行输出电位差的改变，可以达到同时检测线路的五种状态正常、短路、漏电、未知错误、断路

通过宽电压检测模块207对电压进行检测，使主控芯片201可以对输入电压进行检测，通过电压变化值来控制继电器202、可控硅2032。

通过运运算放大器205对工作电路电流的检测，可以对继电器202、可控硅2032进行同时控制。

通过对人脸识别装置上人脸识别开关504等认证模块的电路加装不同电阻器501形成电位差数据，可以使主控芯片201对认证装置模块的状态进行监测，也是五种状态（正常、短路、漏电、未知错误、断路）。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。