基于拉繩位移傳感器的登船橋高度測量系統(tǒng)設計

徐漢萍

(深圳中集天達空港設備有限公司，廣東 深圳 518067)

0 引言

隨著中國經(jīng)濟迅速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，促使國內(nèi)郵輪母港快速的發(fā)展［1］。郵輪母港快速的發(fā)展也帶動了連接候船樓與郵輪之間的封閉式連接廊道－登船橋業(yè)務的快速發(fā)展［2］。由于登船橋接船的升降范圍較大，加上其接船口搭接在游輪上，使得原來采用超聲波測量高度的方法變得不可行。為了解決上述問題，必須尋找登船橋高度測量的新方法。

本文介紹的利用拉繩位移傳感器進行登船橋高度測量新方法，其拉繩傳感器安裝在登船橋旋轉平臺與通道的鉸接處，避免了防護網(wǎng)等的干涉，而且成本與10米以內(nèi)的超聲波傳感器的價格較低，測量精度較高，本高度測量新方法解決了上述問題，在實際登船橋運用中經(jīng)濟性較高、使用維護方便，具有推廣應用價值。

1 拉繩位移傳感器在登船橋高度測量系統(tǒng)中的運用研究

登船橋的升降運動采用液壓控制，行走運動采用四個行走電機進行的四輪驅動，行走采用四輪驅動的目的是為了增加登船橋的穩(wěn)定性。登船橋的旋轉平臺既是登船橋運動的支承和旋轉中心，又是登機橋作水平運動和垂直運動的支承點。

當?shù)谴瑯蛟谇岸松盗⒅尿寗酉逻M行橋的上升或下降運動至某一高度時，這時通道底部相對于橋在水平時有一個傾角，計算了這個傾角的度數(shù)，就能計算登船橋相對于水平位置變化的高度，以到達計算登船橋高度的目的。采用拉繩位移傳感器作為檢測元件，測量計算登船橋高度變化時的傾角角度。

1.1 拉繩位移傳感器的工作原理

是借助一根特制的高柔韌性復合鋼絲來測量直線位移的。鋼絲通過合金鋼彈簧被繞于鋁合金滾筒之上，由此將直線位移轉變成旋轉運動。滾筒直接與多級電位器同軸連接，從而使位移量被轉變成電阻信號，由于拉繩傳感器內(nèi)的彈簧保證拉繩均勻收放，使得拉繩收放的長度與輸出的電壓信號成線性的正比關系。在此選用美國CELESCO PT5DC系列20inches長的拉繩位移傳感器［3］，該傳感器為工業(yè)等級，具有測量精度高(最高精度可達到±0.01%)、可靠性好、防護等級高(可達IP68)、壽命長、維護方便等特點。

1.2 登船橋利用拉繩傳感器高度測量原理

登船橋的旋轉平臺和通道通過鉸接形式進行連接，將拉繩傳感器利用L型的支架固定在旋轉平臺上，拉繩通過“‘E”點的轉接件改變方向后與通道底部固定連接，如圖1所示。

圖1 通道水平位置時拉繩傳感器的安裝位置圖

在登船橋的通道進行上升或下降運動時，通道沿著鉸耳中心點“O”點進行轉動。

如圖1所示，通過PLC可計算出初始狀態(tài)下對應的弦長(L0)，其計算公式見式(1)所示，故初始狀態(tài)下的弦長(L0)也是已知數(shù)。

1.3 登船橋高度計算公式推導

1.3.1 登船橋高度變化α傾角計算

如圖2所示，當?shù)谴瑯蛟谒轿恢糜猩仙蛳陆档拿顣r，橋體通道進行上升或下降，通道底部連接拉繩傳感器一端的“F”點就運動至“G”點(以上升運動為例進行計算說明)，這時，通道底部的傾角夾角變化了“α”角度，這時對應的玄長為L，這時變化的玄長L計算公式如下［4］:

圖2 登船橋高度變化α傾角計算原理示意圖

橋高度變化后，拉繩傳感器拉繩伸出變化的長度ΔL，由式(1)、(2)得出式(3)如下:

由式(3)可推導計算出:登船橋高度變化α傾角計算式見如下式(4):

對式(4)說明如下:

(1)ΔL可從拉繩傳感器變化的電壓值送給PLC的AD模塊，經(jīng)過PLC計算獲得。

(2)按照設計規(guī)范的要求，α角的范圍為:－12°≤α≤+12°

1.3.2 登船橋高度計算

經(jīng)過對坐標軸的修正，如圖3所示，登船橋的高度計算公式見式(5)所示:

圖3 登船橋高度計算原理示意圖

式(5)中的α值由式(4)中計算求的。

2 登船橋高度測量控制系統(tǒng)設計

由于登船橋行走采用四輪驅動，有較復雜的函數(shù)計算，其控制系統(tǒng)選用的是三菱Q系列Q02UCPU作為控制元件［5］，采用HAKKO品牌的15寸觸摸屏為觸摸顯示元件［6］。

2.1 控制系統(tǒng)硬件設計

對登船橋高度測量系統(tǒng)的硬件設計，將超聲波傳感器的模擬量信號輸入PLC的A/D模塊，PLC經(jīng)過算術和邏輯運算后，給出登船橋高度顯示值給面板上的LCD觸摸屏進行顯示。可利用面板上LCD觸摸屏的觸摸按鈕，對高度顯示的初始值參數(shù)和顯示值進行設定和修改。其硬件原理框圖見圖4所示。

圖4 登船橋高度測量控制系統(tǒng)硬件原理框圖

2.2 控制系統(tǒng)軟件設計

由于三菱Q系列的PLC具有較強的函數(shù)運算功能［7］，將上述計算公式設定為一個FB功能塊，在計算時調用，可簡化程序設計。

如圖3中所示，登船橋高度計算均是以橋體通道在水平位置的高度作為計算參考的基準，在初始位置拉繩伸出的長度也是后續(xù)登船橋升高或降低引起拉繩長度變化計算的基準，為了使PLC獲得拉繩初始位置的電壓值，在LCD觸摸屏的設定畫面設計了畫面以獲得該值。在PLC程序中還增加了一些邏輯判斷以保證高度數(shù)據(jù)的準確，其控制系統(tǒng)軟件流程圖見圖5。

圖5 登船橋高度測量控制系統(tǒng)軟件流程圖

3 結束語

本文詳細闡述了登船橋高度測量新方法實現(xiàn)的原理、拉繩傳感器的運用、高度測量的公式推導、控制系統(tǒng)硬件原理框圖和控制系統(tǒng)的軟件設計。實際使用結果表明:該高度測量新方法具有較高的測量精度(誤差小于±10 mm)，具有較高的性價比。由于采用工業(yè)級的拉繩傳感器，其可靠性高、使用壽命長，而且使用維護非常方便，實際使用滿足功能要求，達到了理想的設計效果。

［1］ 王諾，郵輪經(jīng)濟［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2008

［2］ 王欣，天津國際郵輪母港客運站設計［J］.建筑技藝，2012，19(3):104－108

［3］ CELESCO Catalogue of cable extension transducers［M］.美國:美國CELESCO公司，2009

［4］ 葉其孝，沈永歡，實用數(shù)學手冊［M］.北京:科學出版社，2005

［5］ 滿永奎，邊春元，趙蘇，三菱Q系列PLC原理與應用設計［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2010

［6］ 李方圓，觸摸屏工程應用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008

［7］ MITSUBISHIQCPU可編程序控制器編程手冊［K］.上海:菱電自動化(上海)有限公司內(nèi)部資料，2009.