基于嵌入式Linux的液壓靜力壓樁機(jī)吊裝過載安全監(jiān)控

廖　平，余衛(wèi)星，劉純亮，李　玉，鄭友娟

(中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院高性能復(fù)雜國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長沙 410083)

基于嵌入式Linux的液壓靜力壓樁機(jī)吊裝過載安全監(jiān)控

廖平，余衛(wèi)星，劉純亮，李玉，鄭友娟

(中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院高性能復(fù)雜國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長沙 410083)

摘要：針對(duì)實(shí)現(xiàn)液壓靜力壓樁機(jī)吊裝部分智能化的需求，提出了一套基于S5PV210處理器和嵌入式Linux操作系統(tǒng)的安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法.通過多傳感器對(duì)靜力壓樁機(jī)吊裝部分的各種工況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以判斷其工作狀態(tài)并實(shí)現(xiàn)圖文和聲光報(bào)警提示；并通過Linux操作系統(tǒng)記錄保存吊裝部分運(yùn)行狀態(tài)及操作信息，實(shí)現(xiàn)類似黑匣子功能以便于事故記錄查詢.試驗(yàn)實(shí)踐結(jié)果表明，該套系統(tǒng)能夠有效地防止靜力壓樁機(jī)吊裝部分出現(xiàn)過載問題，實(shí)現(xiàn)了安全監(jiān)控保護(hù)功能.

關(guān)鍵詞：液壓靜力壓樁機(jī)；安全監(jiān)控；S5PV210；嵌入式Linux

0引言

液壓靜力壓樁機(jī)具有施工速度快、工效高、無噪聲污染、無劇烈振動(dòng)、無廢氣污染、無泥漿污染等特點(diǎn)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于房屋建筑、橋梁基礎(chǔ)、基礎(chǔ)路基、有軌和無軌路基的預(yù)制樁基礎(chǔ)施工[1].在文獻(xiàn)[2]中，作者采用了一套基于凸輪機(jī)構(gòu)控制比例溢流閥的溢流壓力來實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)壓力以達(dá)到系統(tǒng)過載保護(hù)功能的系統(tǒng).但該系統(tǒng)對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)的安裝要求較高，而凸輪磨損對(duì)系統(tǒng)性能影響較大，導(dǎo)致整套系統(tǒng)在實(shí)時(shí)性、可靠性上很有限.筆者在此基礎(chǔ)上，利用三星S5PV210微處理器，設(shè)計(jì)了一套基于Linux+QT4.5的嵌入式系統(tǒng).系統(tǒng)通過傾角傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)吊臂變幅傾角α，并根據(jù)α值實(shí)時(shí)改變對(duì)應(yīng)角度狀態(tài)下比例溢流閥的上限卸荷壓力，從而保證系統(tǒng)最大壓力不會(huì)超過過載極限壓力；壓力變送器實(shí)時(shí)檢測(cè)出系統(tǒng)壓力值通過轉(zhuǎn)換計(jì)算得到實(shí)時(shí)工作下的實(shí)際吊重，并與該角度對(duì)應(yīng)下的額定吊重進(jìn)行比較判斷，過載則立即通過溢流閥鎖定吊臂，并給以聲光報(bào)警以示提醒，實(shí)現(xiàn)吊裝過載保護(hù)功能[3-4].利用嵌入式Linux系統(tǒng)進(jìn)行吊裝運(yùn)行工況狀態(tài)記錄，實(shí)現(xiàn)黑匣子功能，以便事故時(shí)查詢.

1系統(tǒng)原理和總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的是三星基于ARM Cortex-A8內(nèi)核的S5PV210微處理器，系統(tǒng)運(yùn)行嵌入式ARM Linux系統(tǒng)，利用QT4.5設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面.系統(tǒng)通過壓力變送器實(shí)時(shí)檢測(cè)油缸大腔壓力P1和系統(tǒng)壓力P2，通過傾角傳感器檢測(cè)得到吊臂傾角α(圖1)，然后根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算出吊機(jī)在該吊臂傾角α下的實(shí)時(shí)吊重m，將m與當(dāng)前吊臂傾角α所對(duì)應(yīng)的額定吊重Me進(jìn)行比較，若m>δMe(δ為安全系數(shù))，則可以判定系統(tǒng)處于過載狀態(tài)，此時(shí)通過先導(dǎo)式比例溢流閥對(duì)系統(tǒng)壓力進(jìn)行控制，從而起到過載保護(hù)作用.另外系統(tǒng)根據(jù)信息及時(shí)給出聲光報(bào)警信號(hào)，并在界面上給操作人員以提示信息，引導(dǎo)操作人員正確操作.

2系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)學(xué)原理模型

系統(tǒng)通過檢測(cè)到的吊臂傾角α，可以計(jì)算出油缸仰角θ，根據(jù)油缸仰角是否大于90°，可以分為兩種情況進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再根據(jù)系統(tǒng)吊臂工作數(shù)學(xué)模型得到系統(tǒng)工作實(shí)時(shí)檢測(cè)的吊重大小.(1)油缸仰角小于等于90°時(shí)(圖2)，即c·cosα≥(a+b)時(shí)

(1)

(2)油缸仰角大于等于90°時(shí)(圖3)，即c·cosα≤(a+b)時(shí)

(2)

式中：α為吊臂鉸座到回轉(zhuǎn)中心的距離；b為油缸下鉸座到回轉(zhuǎn)中心距離；c為吊臂鉸座到油缸上鉸座距離；α為吊臂傾角；θ為油缸仰角.

根據(jù)θ、α等值可以得到吊機(jī)的實(shí)時(shí)吊重為

(3)

式中：m為實(shí)時(shí)吊重；P為油缸大腔壓力；c為吊臂鉸座到油缸上鉸座距離；α為吊臂傾角；θ為油缸仰角；d為油缸大腔直徑；L為吊臂長度；Mq0為自重力矩；mhl為滑輪組質(zhì)量.

3系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要分為兩大模塊，1為微處理器模塊主板，2為數(shù)據(jù)信號(hào)處理模塊板.主板上有UART串口、USB接口電路，以實(shí)現(xiàn)開發(fā)階段與PC機(jī)交互作用；有顯示屏幕接口、SD卡、時(shí)鐘電路，用以顯示時(shí)間和記錄.主板實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟硬件資源管理功能，主要進(jìn)行人機(jī)交互功能.信號(hào)處理模板主要為主機(jī)提供外接傳感器的數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)采集、處理、轉(zhuǎn)換，開關(guān)量信號(hào)采集、處理，開關(guān)量信號(hào)輸出等功能.系統(tǒng)整體硬件框圖如圖4所示[6].

3.1微處理器主控模塊

主控模塊采用的是天嵌科技公司的主控核心板TQ210_COREB核心板，該核心板處理器采用的是三星S5PV210微處理器，主頻可達(dá)1 GHz，處理器內(nèi)部為64/32位總線結(jié)構(gòu)，2/32 kB一級(jí)緩存，512 kB二級(jí)緩存.核心板配置1 G的DDR2內(nèi)存，1 G的SLC Flash.運(yùn)行Linux系統(tǒng)，有效地管理系統(tǒng)資源，主控模塊主板為核心板設(shè)計(jì)了連接接口、SD卡電路(黑匣子功能)、RS232串口電路、7寸觸摸屏、攝像頭、音頻、USB下載電路、時(shí)鐘電路等.該處理器能提供很高的數(shù)據(jù)處理能力，主頻可達(dá)到1 GHz，使系統(tǒng)可以滿足更高的實(shí)時(shí)性要求.Linux系統(tǒng)具有非常好的軟硬件資源管理能力使系統(tǒng)可以簡便地利用文本文件進(jìn)行多機(jī)型初始化配置， 實(shí)現(xiàn)一套系統(tǒng)多機(jī)型適用；并且能夠保存機(jī)子運(yùn)行狀態(tài)信息，方便事故原因的調(diào)查和分析，為往后的系統(tǒng)程序開發(fā)升級(jí)維護(hù)提供便利.

3.2信號(hào)處理模塊

信號(hào)處理模塊可以分為4個(gè)部分，分別為模擬信號(hào)輸入、輸出模塊，數(shù)字量開關(guān)信號(hào)量輸入、輸出模塊.

3.2.1模擬輸入

主要是對(duì)傳感器輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)理轉(zhuǎn)換，模擬信號(hào)處理總流程如圖5所示.本系統(tǒng)共安裝了2個(gè)壓力變送器、1個(gè)傾角傳感器共3個(gè)傳感器，考慮到信號(hào)需要長距離傳輸，所選用的傳感器均為4～20 mA電流型輸出傳感器.在對(duì)傳感器輸出電流信號(hào)轉(zhuǎn)電壓信號(hào)過程中，采用了高精度電流環(huán)接收器RCV420芯片，該芯片內(nèi)部集成了高精度的靈敏電阻，能夠保證較高的轉(zhuǎn)換精度.為了消除工業(yè)供電上的工頻干擾，進(jìn)一步提高AD轉(zhuǎn)換精度，對(duì)轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)進(jìn)行了工頻50 Hz的陷波處理.工頻陷波采用雙T型帶阻濾波電路，陷波電路如圖6所示，Multisim仿真結(jié)果如圖7所示.陷波處理之后進(jìn)一步進(jìn)行低通濾波，消除噪聲干擾，提高可靠性.最后進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換之前加上了電壓跟隨器，進(jìn)行阻抗匹配.本系統(tǒng)AD轉(zhuǎn)換采用的AD7928芯片，該芯片支持8個(gè)模擬輸入通道(以備升級(jí)使用)，具有12位轉(zhuǎn)換精度，轉(zhuǎn)換速率可以達(dá)到1MSPS，完全滿足系統(tǒng)精度和實(shí)時(shí)性要求.

3.2.2模擬輸出

系統(tǒng)比例溢流閥的控制通過電壓控制配套使用的放大器板實(shí)現(xiàn).放大器所要求的輸入信號(hào)為0～10 V的電壓信號(hào).本系統(tǒng)利用DA轉(zhuǎn)換電路以輸出電壓信號(hào)，所采用的DA芯片的型號(hào)為AD5328芯片，該芯片具有12位轉(zhuǎn)換精度，輸出0～5 V電壓信號(hào)，通過對(duì)0～5V輸出進(jìn)行2倍線性放大處理，得到0～10 V電壓信號(hào)的輸出.在最終輸出前加以光耦隔離，以提高系統(tǒng)抗干擾能力，如圖8所示.光耦電路中的VR400為可調(diào)電阻，用以精確調(diào)整光耦兩端的電壓，以保證輸出電壓與輸入電壓大小相等.在對(duì)系統(tǒng)模擬輸出進(jìn)行電壓測(cè)試時(shí)，將0～10 V電壓進(jìn)行20等分，分別利用放大器控制比例溢流閥得到比例溢流閥的卸荷壓力，利用Matlab對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)擬合，得到的比例溢流閥的二次擬合曲線如圖9所示.

3.2.3開關(guān)量信號(hào)輸入

系統(tǒng)本部分電路主要是利用接近開關(guān)識(shí)別吊機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，分為油缸舉升、油缸下放、卷揚(yáng)抬升、卷揚(yáng)下放等工況，通過對(duì)不同的工況的識(shí)別可以對(duì)不同工況下的吊機(jī)過載情況進(jìn)行不同的處理，并在顯示器上顯示不同工況下的系統(tǒng)運(yùn)行信息，在系統(tǒng)過載情況下，給以相應(yīng)的過載報(bào)警信息和正確的處理操作，以防止客戶在系統(tǒng)過載后進(jìn)一步錯(cuò)誤操作.

3.2.4開關(guān)量信號(hào)輸出

開關(guān)量信號(hào)輸出主要是實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警功能，提示客戶以報(bào)警信息，避免進(jìn)一步的錯(cuò)誤操作.具體的報(bào)警控制策略如圖10所示.信號(hào)輸出主要是利用ULN2003A芯片以控制24 V繼電器的輸出，并加以線性光耦隔離實(shí)現(xiàn)抗干擾能力.

4系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)

Linux操作系統(tǒng)下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序主要扮演系統(tǒng)應(yīng)用與系統(tǒng)硬件直接實(shí)際操作映射的作用，主要有3類設(shè)備：塊設(shè)備、字符設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備.本系統(tǒng)采用的硬件均是通過SPI接口以流字節(jié)的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，固以字符型設(shè)備來設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序[7].如圖11所示，系統(tǒng)應(yīng)用程序是利用系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)與運(yùn)行于系統(tǒng)內(nèi)核層中的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行交互，并通過驅(qū)動(dòng)接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)具體底層硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和控制[8-9].

5系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主控制邏輯由面向?qū)ο缶幊誊浖t4.5實(shí)現(xiàn)，并通過開機(jī)運(yùn)行腳本，設(shè)置系統(tǒng)開機(jī)后進(jìn)入主監(jiān)控程序中，然后循環(huán)監(jiān)測(cè)運(yùn)行.Qt是基于面向?qū)ο蟮腃++語言，是跨平臺(tái)的圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架，Qt所獨(dú)有的信號(hào)與槽通信機(jī)制使得系統(tǒng)在事件設(shè)計(jì)處理中很方便，Qt也提供了簡便的國際化支持和語言字符翻譯.為了運(yùn)行嵌入式系統(tǒng)Qt應(yīng)用，首先要進(jìn)行環(huán)境配置，在ubuntu系統(tǒng)中進(jìn)行Qt源碼的交叉編譯，得到嵌入式系統(tǒng)環(huán)境下的Qt運(yùn)行庫，將相應(yīng)庫文件移植進(jìn)嵌入式系統(tǒng)設(shè)備中，配置好系統(tǒng)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)Qt應(yīng)用程序的運(yùn)行[10].

系統(tǒng)主監(jiān)測(cè)控制程序主要實(shí)現(xiàn)吊機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的界面顯示：①顯示系統(tǒng)壓力、回油壓力、實(shí)時(shí)吊重、變幅傾角、吊臂重物下放時(shí)的極限角度、系統(tǒng)工作狀態(tài)、信息提醒以及系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的相關(guān)信息的顯示；②實(shí)現(xiàn)吊機(jī)機(jī)型等參數(shù)顯示；③實(shí)現(xiàn)吊機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的信息記錄保存，包括報(bào)警記錄信息的記錄和查閱，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)相關(guān)的幫助功能介紹及查閱；④實(shí)現(xiàn)出廠化進(jìn)行特定機(jī)子型號(hào)的選擇，并設(shè)置用戶密碼登錄界面以防止客戶對(duì)機(jī)型參數(shù)數(shù)據(jù)的誤操作.主要實(shí)現(xiàn)功能框圖如圖12所示.

系統(tǒng)進(jìn)入主控制程序后，首先讀取SD卡中配置好的吊機(jī)參數(shù)、吊機(jī)額定吊重、程序顯示語言、時(shí)鐘等信息；隨即進(jìn)入吊機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的檢測(cè)掃描，得到吊機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行的相關(guān)信息，并進(jìn)入主控制邏輯，圖13為系統(tǒng)控制主流程，對(duì)應(yīng)不同的工況條件，程序跳轉(zhuǎn)至不同的判斷邏輯中，并在主界面上進(jìn)行對(duì)應(yīng)的操作顯示狀態(tài)和報(bào)警狀態(tài)[11-14].

6試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

利用一臺(tái)120 t液壓靜力壓樁機(jī)進(jìn)行上機(jī)調(diào)試試驗(yàn)，為了方便試驗(yàn)過載情況，進(jìn)行修改吊機(jī)額定起重參數(shù)，變幅傾角小于18°的額定起重參數(shù)全修改為0.9 t，18°以上的額定起重按比例進(jìn)行縮小.表1中數(shù)據(jù)為液壓靜力壓樁機(jī)起吊1.4 t重重物的測(cè)試數(shù)據(jù)，表中測(cè)試數(shù)據(jù)為吊臂舉升重物所測(cè)得的實(shí)時(shí)吊重檢測(cè)數(shù)據(jù)，吊臂下降時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，吊臂下放重物所測(cè)得的實(shí)時(shí)吊重檢測(cè)數(shù)據(jù)，最大誤差可以達(dá)到27.20%.從表中可以看出，重物在抬升過程中，系統(tǒng)所測(cè)得數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，除了小角度下的誤差在8%左右外，其他數(shù)據(jù)誤差均比較小，但重物在下放過程中系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)誤差普遍比較大，且基本上是大于與抬升過程對(duì)應(yīng)角度的數(shù)據(jù)，這是因?yàn)橄到y(tǒng)下放重物時(shí)，油缸無桿腔有較大壓力對(duì)油缸有桿腔檢測(cè)的油壓影響有關(guān).所以系統(tǒng)在顯示實(shí)時(shí)吊重檢測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)該采用抬升重物所測(cè)得的實(shí)時(shí)重物重量.在吊機(jī)模擬系統(tǒng)過載情況時(shí)，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確迅速的檢測(cè)出過載情況并立即停止吊臂的繼續(xù)危險(xiǎn)操作，然后給出聲光報(bào)警，在界面上給以用戶正確操作提醒.試驗(yàn)表明，高達(dá)1 GHz的32位處理器能夠完成高性能、高速率的數(shù)據(jù)處理任務(wù)，加上linux系統(tǒng)并行任務(wù)的處理，該系統(tǒng)能夠滿足液壓靜力壓裝機(jī)吊機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性準(zhǔn)確性要求，能夠較好的解決液壓靜力壓樁機(jī)吊機(jī)施工過程中出現(xiàn)的過載情況.

7結(jié)論

通過現(xiàn)場(chǎng)吊裝系統(tǒng)模擬過載試驗(yàn)可知：在吊裝系統(tǒng)過載情況時(shí)，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確迅速的檢測(cè)出過載情況并立即停止切斷系統(tǒng)，防止吊臂的繼續(xù)危險(xiǎn)操作，然后聲光報(bào)警，并在界面上給以正確操作提示。并且能有效記錄系統(tǒng)運(yùn)行信息，實(shí)現(xiàn)了黑匣子可查功能。另外，試驗(yàn)結(jié)果表明，高達(dá)1GHz的32位處理器能夠完成高性能、高速率的數(shù)據(jù)處理任務(wù)，加上linux系統(tǒng)并行任務(wù)的處理，該系統(tǒng)能夠滿足液壓靜力壓裝機(jī)吊裝系統(tǒng)實(shí)時(shí)性準(zhǔn)確性要求，能夠較好的解決液壓靜力壓樁機(jī)吊裝施工過程中出現(xiàn)的過載情況。

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An Overload Safety Monitoring System of Lifting in Hydraulic Static Pile Driver Based on Embedded Linux

LIAO Ping, YU Wei-xing， LIU Chun-liang， LI Yu， ZHENG You-juan

(State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing, Central South University,Changsha 410083, China)

Abstract:For the realization of intelligent demand of the lifting part of the hydraulic static pile driver,a design about a set of safety monitoring system based on S5PV210 processor and embedded Linux operating system is proposed in the paper. To achieve the function of graphics, sound and light alarm, the system monitors the real-time status of various conditions by multi-sensor installed on the static pile driver lifting parts. We record the running and lifting operation information via the Linux operating system, which is similar to the black box. The experiment results demonstrate that the system can effectively prevent the overload problem and achieve the monitor protection function.

Key words:hydraulic static pile driver; safety monitoring system; S5PV210; embedded Linux

中圖分類號(hào)：TP277

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.2015.02.022

文章編號(hào):1671-6833(2015)02-0099-06

作者簡介:廖平(1964-)，男，江西樟樹人，中南大學(xué)教授，博士，主要研究方向：機(jī)電一體化和計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù).

收稿日期:2014-06-03；

修訂日期：2014-09-06