近年來塔式起重機監(jiān)控系統(tǒng)不斷創(chuàng)新引用新技術(shù)，使這個塔機整體運行起來越來越有效率、安全

針對塔式起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)易受干擾及存儲掉電受損等問題，導(dǎo)入抖動濾波和平滑處理理念，設(shè)計一種可靠的數(shù)據(jù)采樣濾波算法及數(shù)據(jù)掉電保護(hù)循環(huán)存儲處理方案，提高數(shù)據(jù)采樣的可靠性和數(shù)據(jù)存儲的穩(wěn)定性。愷德爾塔式起重機（以下簡稱“塔機”）安全監(jiān)控系統(tǒng)是一種具有塔機運行安全監(jiān)控數(shù)據(jù)采集、處理、存儲等功能的黑匣子設(shè)備，對數(shù)據(jù)采集的可靠性和存儲的穩(wěn)定性有較高要求。

1 數(shù)據(jù)及存儲構(gòu)成

塔機安全監(jiān)控系統(tǒng)通常由采集傳感器、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)存儲單元構(gòu)成，采集傳感器一般由起重量限制、起重力矩限制、風(fēng)速、幅度、高度、回轉(zhuǎn)角度等傳感器等組成，是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源；數(shù)據(jù)處理單元負(fù)責(zé)采集傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波處理，將數(shù)據(jù)結(jié)果輸出給數(shù)據(jù)存儲單元；數(shù)據(jù)存儲單元負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲，系統(tǒng)數(shù)據(jù)及存儲的基本組成見圖 1。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 設(shè)計原理

數(shù)據(jù)處理單元的采集單元實時采集各個采集

傳感器動態(tài)數(shù)據(jù)并實時寫入緩存隊列，當(dāng)緩存隊列數(shù)量達(dá)到濾波處理數(shù)量時，將該數(shù)量數(shù)據(jù)進(jìn)行出隊放入排序緩存冒泡算法排序處理（圖2）。采集單元應(yīng)盡可能提高采樣率，在塔機安全監(jiān)控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)要求的采樣周期內(nèi)，獲取盡量多的采樣數(shù)據(jù)樣本，提高數(shù)據(jù)的可靠性。排序好的數(shù)據(jù)重新寫入排序緩存中并標(biāo)記已排序，然后數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)篩選單元。篩選單元篩選分別去除排序數(shù)據(jù)中兩端偏大偏小的一定數(shù)量數(shù)據(jù)。然后剩余數(shù)據(jù)進(jìn)行相鄰大小差值逐次比較，差值不符合指定閾值范圍內(nèi)的中間值去掉，閾值限制是為了避免傳感器本身的靜態(tài)噪聲干擾波動，其中閾值根據(jù)各個傳感器實際情況設(shè)定。最后將剩下的數(shù)據(jù)進(jìn)行

平均值平滑處理，避免數(shù)據(jù)小范圍變化，即可得到可靠穩(wěn)定的數(shù)據(jù)結(jié)果。

2.2 重量傳感器實驗

通過上述數(shù)據(jù)采集濾波算法應(yīng)用，針對目前塔機重量傳感器普遍出現(xiàn)誤差較大問題，現(xiàn)場以1100kg 砝碼重量進(jìn)行吊裝擺動實驗，實驗結(jié)果如由圖3所示，其中原始數(shù)據(jù)未經(jīng)任何處理，在吊裝過程中，重物擺動導(dǎo)致數(shù)據(jù)波動頻繁，測量值與實際值偏差大，而通過觀察濾波后數(shù)據(jù)可以看出，重量數(shù)據(jù)較為平穩(wěn)，能有效克服塔機吊裝重量數(shù)據(jù)波動大問題，且濾波實驗重量數(shù)值符合實際重量值±5% 以內(nèi)，滿足標(biāo)準(zhǔn)使用要求。

2.3 電壓型傳感器濾波實驗

目前風(fēng)速、幅度、高度、回轉(zhuǎn)角度等傳感器多采用電位器形式，而電位器實際上為一個旋轉(zhuǎn)式的滑動電阻，原理為固定電阻兩端供電5V，采集滑動端電壓變化值換算出機構(gòu)運行的行程量，但是電壓信號容易受到塔機變頻器磁場瞬間干擾，造成電壓信號疊加，偏離實際值。實驗通過幅度電位器為例，將采集線纜置于運行的塔機變頻器旁，模擬磁場干擾現(xiàn)象。實驗數(shù)據(jù)如圖4所示，采樣時間為200ms/ 次，原始數(shù)據(jù)出現(xiàn) 2 次磁場干擾造成電壓信號疊加情況，而觀察濾波數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，算法可以有效過濾電磁干擾造成的波峰

值，得到平滑數(shù)據(jù)，達(dá)到預(yù)期效果。以此類推，

對于電壓型風(fēng)速儀同樣具有很好抗磁場過濾，避免磁場干擾造成電壓采樣值過大引起風(fēng)速突然變大，錯誤發(fā)出報警提示。

2.4 實驗結(jié)論

綜上所述，本濾波算法對重量傳感器吊裝擺動、風(fēng)速、幅度、高度、回轉(zhuǎn)角度等電壓型傳感器磁場干擾等過程信號有明顯過濾作用，并且數(shù)據(jù)平滑處理，符合實際值誤差范圍內(nèi)，解決傳統(tǒng)塔機安全監(jiān)控系統(tǒng)重量傳感器在吊裝過程信號波動幅度大，風(fēng)速、幅度、高度、回轉(zhuǎn)角度等電壓型傳感器受磁場干擾信號激增，無法有效過濾干擾數(shù)據(jù)，造成提前誤報電子限位報警，引起塔機無法正常作業(yè)等采集數(shù)據(jù)不可靠問題。

3 存儲結(jié)構(gòu)

3.1 設(shè)計原理

掉電保護(hù)循環(huán)存儲主要由數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)管理結(jié)構(gòu)兩部分組成，其中數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲的穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)管理結(jié)果負(fù)責(zé)掉電保護(hù)與循環(huán)存儲。

1）數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)包含數(shù)據(jù)幀頭、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)內(nèi)容，數(shù)據(jù)校驗值 4 個部分，如表 1 所示，其中數(shù)據(jù)幀頭 2 個字節(jié)大小，為固定值，由用戶自定義設(shè)置，用于做數(shù)據(jù)標(biāo)識頭，方便數(shù)據(jù)遍歷查找。

2）數(shù)據(jù)長度為2個字節(jié)大小，用于描述數(shù)據(jù)內(nèi)容的具體存儲多少個字節(jié)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)內(nèi)容長度在 0～65 535 范圍內(nèi)。

3）數(shù)據(jù)內(nèi)容為用戶存儲真實數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)內(nèi)容可以為各個傳感器的實時數(shù)據(jù)或靜態(tài)數(shù)據(jù)等。

4）數(shù)據(jù)校驗值為2個字節(jié)，采用16位CRC 校驗算法，校驗從幀頭到數(shù)據(jù)內(nèi)容截止，用于核對數(shù)據(jù)是否被破壞，存儲是否完整。

5）數(shù)據(jù)管理結(jié)構(gòu)包括數(shù)據(jù)塊起始地址、數(shù)據(jù)塊大小，數(shù)據(jù)塊數(shù)量，最新存儲地址4個部分（表1）。其中，起始地址為標(biāo)識存儲起始位置；數(shù)據(jù)塊大小表示數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)分配的大??；數(shù)據(jù)塊數(shù)量用于限定存儲空間大小，配合數(shù)據(jù)塊大小可以得出結(jié)束地址位置，便于判斷數(shù)據(jù)是否寫入到末端，及時調(diào)整到起始地址循環(huán)存儲；最新存儲地址為每次寫入數(shù)據(jù)都更新一次寫地址，用于下次上電尋找最新寫入位置，做掉電保護(hù)用。

3.2 存儲優(yōu)點

數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)明確寫入數(shù)據(jù)的格式，且加入CRC 校驗算法，每次讀取都進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗核對，確保每次讀取數(shù)據(jù)可靠性，解決數(shù)據(jù)存儲不穩(wěn)定問題。數(shù)據(jù)管理結(jié)構(gòu)規(guī)定了整個存儲區(qū)域的基本信息，明確了數(shù)據(jù)存儲的開始地址、存儲空間大?。蛔钚聦懭氲刂反_保了數(shù)據(jù)能夠自動覆蓋，循環(huán)存儲，且發(fā)生掉電時，通過讀取最新寫入地址找到上一次掉電寫入位置，起到掉電保護(hù)作用，解決了數(shù)據(jù)掉電易失問題。

3.3 實驗論證

實驗通過將本存儲結(jié)構(gòu)應(yīng)用于 Flash 存儲設(shè)備中，每 200ms寫入一次重量、風(fēng)速、幅度、高度、回轉(zhuǎn)角度等傳感器實時數(shù)據(jù)，每5s斷電1次，間隔 5s 重新上電，分別重復(fù) 60、90、120 次，模擬系統(tǒng)異常掉電情況，系統(tǒng)是否能起到掉電保護(hù)，穩(wěn)定存儲的作用。實驗結(jié)果如表 2 所示，其中丟失數(shù)量指重新上電存儲位置與上一次斷電存儲位置的差值除以存儲塊的大小，數(shù)據(jù)異常數(shù)量值讀取的數(shù)據(jù)不合法的傳感器實時數(shù)據(jù)。通過實驗數(shù)據(jù)可以看出，3 次測試結(jié)果的丟失數(shù)量和數(shù)據(jù)異常數(shù)量均為0，表明本存儲結(jié)構(gòu)設(shè)計方案能實現(xiàn)數(shù)據(jù)掉電保護(hù)，穩(wěn)定存儲數(shù)據(jù)，提升傳統(tǒng)安全監(jiān)控系統(tǒng)黑匣子存儲穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語

基于上述的數(shù)據(jù)抖動平滑濾波算法處理及掉電保護(hù)循環(huán)數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)設(shè)計，表明該濾波算法可以有效過濾采樣的抖動數(shù)據(jù)，提取符合實際值的數(shù)據(jù)，誤差范圍符合設(shè)計要求。掉電保護(hù)循環(huán)數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)設(shè)計可以有效提升數(shù)據(jù)存儲的可靠性，同時解決系統(tǒng)掉電造成數(shù)據(jù)易失，無法循環(huán)存儲等問題，有效解決傳統(tǒng)塔機安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采樣不可靠和數(shù)據(jù)存儲不穩(wěn)定的痛點，提升了塔機黑匣子性能。