基于嵌入式系統(tǒng)的施工升降機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

東華理工大學(xué)地球物理與測(cè)控技術(shù)學(xué)院 洪偉力 王金博

引言

在建設(shè)高層建筑或在進(jìn)行大型的施工建設(shè)中，施工升降機(jī)是一種不可或缺的設(shè)備，它能夠?qū)崿F(xiàn)施工人員以及施工物資的運(yùn)送功能。在現(xiàn)階段的調(diào)查中能夠發(fā)現(xiàn)，施工升降機(jī)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并不先進(jìn)，技術(shù)水平較低。這樣的情況增加了施工的安全隱患和工期的浪費(fèi)。尤其是在施工升降機(jī)的運(yùn)行中，施工單位并沒有對(duì)升降機(jī)的負(fù)荷進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)定，導(dǎo)致危險(xiǎn)系數(shù)增加。為了保證施工的安全，并實(shí)現(xiàn)人力資源和物質(zhì)資源的合理運(yùn)用，對(duì)嵌入式系統(tǒng)的施工升降機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是十分重要的。

1.嵌入式系統(tǒng)的施工升降機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際的施工需要，展開對(duì)嵌入式系統(tǒng)的施工升降機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行整體的設(shè)計(jì)工作。系統(tǒng)中應(yīng)用的單元和器材包括：重量傳感器、光電編碼器、風(fēng)速傳感器、無線收發(fā)模塊、外圍電路、中央處理器、存儲(chǔ)單元、Linux操作系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序、LCD顯示器、觸摸屏、警報(bào)輸出單元、控制量輸出單元、繼電器、交流接觸器以及電機(jī)。同時(shí)，也要配套架設(shè)樓層呼叫裝置。利用S3C2440處理器作為主控制器應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)的施工升降機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)[1]。

嵌入式系統(tǒng)的施工升降機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要運(yùn)行流程為：利用系統(tǒng)中的重量傳感器，對(duì)進(jìn)入升降機(jī)中的人或施工物資進(jìn)行重量的檢測(cè)，保證升降機(jī)中的重量在合理范圍內(nèi)。光電編碼器對(duì)施工升降機(jī)的位置進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)合風(fēng)速傳感器對(duì)外界風(fēng)速的測(cè)定，影響施工升降機(jī)的運(yùn)行。無線收發(fā)模塊會(huì)對(duì)各個(gè)施工樓層傳來的施工升降機(jī)呼叫信息進(jìn)行收集。這些數(shù)據(jù)及信息都會(huì)由主控制器進(jìn)行處理和控制，保證一旦施工環(huán)境中的風(fēng)速達(dá)到六級(jí)，就會(huì)立即停止施工升降機(jī)的工作，并切斷運(yùn)行電源。在施工升降機(jī)中的重量達(dá)到規(guī)定負(fù)荷的90%時(shí)，會(huì)通過報(bào)警輸出單元發(fā)出警報(bào)，而在達(dá)到滿載或者超載的情況下，施工升降機(jī)的警報(bào)輸出單元會(huì)發(fā)出聲光結(jié)合的報(bào)警信號(hào)，并利用主控制器對(duì)施工升降機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行停止。只有當(dāng)施工升降機(jī)中的重量下降到設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，主控制器才會(huì)恢復(fù)施工升降機(jī)的運(yùn)行。

施工升降機(jī)的主控制器通過收集并判斷各個(gè)施工樓層發(fā)出的呼叫信號(hào)，并結(jié)合施工升降機(jī)中當(dāng)前的負(fù)荷及運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)施工升降機(jī)的選層和?？窟M(jìn)行判斷。

2.系統(tǒng)中傳感器檢測(cè)單元的設(shè)計(jì)

傳感器檢測(cè)單元屬于嵌入式系統(tǒng)的施工升降機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的硬件部分，主要包括重量傳感器、光電編碼器和風(fēng)速傳感器。在進(jìn)行傳感器檢測(cè)單元的設(shè)計(jì)時(shí)，要明確該單元的主要作用是信息數(shù)據(jù)的采集和傳遞。重量傳感器會(huì)對(duì)施工升降機(jī)中當(dāng)前的負(fù)荷進(jìn)行感應(yīng)和數(shù)據(jù)采集，光電編碼器對(duì)施工升降機(jī)當(dāng)前所處的位置進(jìn)行判斷、風(fēng)速傳感器會(huì)對(duì)施工環(huán)境中的風(fēng)速進(jìn)行檢測(cè)，這些數(shù)據(jù)在采集完畢后都會(huì)提交到中央處理子系統(tǒng)中進(jìn)行綜合的分析及判斷，完成施工升降機(jī)安全運(yùn)行。

在施工升降機(jī)的傳感器檢測(cè)單元中，重量傳感器中的兩個(gè)拉板傳感器分別連接在施工升降機(jī)的吊籠掛軸以及驅(qū)動(dòng)板掛軸上，這樣的方式能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)重量傳感器中對(duì)于受力方向的要求較高的漏洞，保證施工升降機(jī)中重力檢測(cè)模塊的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

光電編碼器主要是對(duì)輸至軸上的幾何位移量通過光電轉(zhuǎn)換變成脈沖或是數(shù)字量進(jìn)行輸出。在嵌入式系統(tǒng)的施工升降機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)正式投入使用之前，要對(duì)主控制器中進(jìn)行初始化操作，使主控制器對(duì)于光電編碼器輸出的各種脈沖或是數(shù)字量進(jìn)行記錄，保證施工升降機(jī)實(shí)際運(yùn)行的準(zhǔn)確。

在系統(tǒng)中使用的風(fēng)速傳感器，可以選擇使用三杯式的風(fēng)速傳感器，通過三個(gè)風(fēng)杯的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與輸出，并將其連接于主控制器，完成風(fēng)速數(shù)據(jù)的采集工作。基于S3C2440處理器的主控制器中能夠與A/D采集端口，實(shí)現(xiàn)風(fēng)速傳感器輸出的電壓數(shù)據(jù)的采集。

3.系統(tǒng)中監(jiān)控儀表單元的設(shè)計(jì)

在嵌入式系統(tǒng)的施工升降機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，監(jiān)控儀表單元的硬件包括：中央處理器、AD采集模塊、電源模塊、存儲(chǔ)模塊、脈沖計(jì)數(shù)模塊、繼電器輸出模塊、TET液晶屏及觸摸屏、音頻輸出模塊、USB外部接口模塊等等?；诒O(jiān)控儀表單元的功效以及耗能的考量，可以選用S3C2440處理器，保證處理器內(nèi)核運(yùn)行的低消耗以及高性能。并且由于S3C2440處理器包含著400MHz的主頻以及多樣的硬件外設(shè)資源，使得系統(tǒng)中的監(jiān)控儀表系統(tǒng)的功能更加完善。

嵌入式系統(tǒng)的施工升降機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的監(jiān)控儀表單元的硬件結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行如下的設(shè)計(jì)：利用S3C2440微處理器、DDR內(nèi)存、時(shí)鐘源、NAND FLASH組成監(jiān)控儀表模塊的核心單元，并在核心單元兩側(cè)架設(shè)電源模塊、液晶屏接口、觸摸屏接口、脈沖計(jì)數(shù)輸入接口、RS232接口、USB接口、繼電器輸出接口、SD卡接口、GPIO接口、模擬量輸入接口。

4.系統(tǒng)中的軟件的設(shè)計(jì)

軟件的設(shè)計(jì)可以說是嵌入式系統(tǒng)的施工升降機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。在進(jìn)行該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，要對(duì)所包含的通信模塊、實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、控制輸出模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。

首先，系統(tǒng)中的通信模塊可以應(yīng)用NRF401芯片，實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)收發(fā)模式之間的切換，對(duì)于施工樓層的呼叫數(shù)據(jù)也能進(jìn)行無線的接收，能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)吊籠內(nèi)的主控制器之間的互聯(lián)，并能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)[2]。其次，系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊可以對(duì)于各個(gè)傳感器，例如重量傳感器、光電編碼器和風(fēng)速傳感器等采集到的信息進(jìn)行顯示與處理，并對(duì)各個(gè)施工樓層監(jiān)測(cè)到的信息進(jìn)行處理。第三，系統(tǒng)中參數(shù)設(shè)置模塊的主要作用是通過對(duì)施工升降機(jī)運(yùn)行的各種參數(shù)信息進(jìn)行設(shè)置，來實(shí)現(xiàn)參數(shù)控制和施工升降機(jī)的安全運(yùn)行。

在施工升降機(jī)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行中，一般會(huì)選用雙籠式的結(jié)構(gòu)。在這樣的情況下，必須通過系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)保證兩個(gè)吊籠之間的聯(lián)系，防止沖突的發(fā)生。這樣的系統(tǒng)軟件工作流程為：系統(tǒng)初始化后，對(duì)于系統(tǒng)進(jìn)行自檢，判斷是否有超載現(xiàn)象發(fā)生，如果有則利用連接的警報(bào)輸出系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信息，同時(shí)返回上一階段的超載檢測(cè)。如果沒有超載，則開始判斷是否有樓層發(fā)出呼叫信號(hào)，如果有，則進(jìn)行數(shù)據(jù)的接受并對(duì)樓層的呼叫進(jìn)行列隊(duì)和顯示。如果沒有樓層的呼叫信號(hào)，則通過其他的呼叫信號(hào)獲取，對(duì)施工升降機(jī)的吊籠進(jìn)行上下控制，同時(shí)進(jìn)行平層控制。最后要判斷是否停止工作，如果有其他呼叫信號(hào)，則繼續(xù)工作并返回判斷超載的階段進(jìn)行工作。

5.總結(jié)

綜上所述，目前在施工中運(yùn)用施工升降機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)較少，施工升降機(jī)的自動(dòng)化控制水平相對(duì)較低。通過利用NRF401芯片、S3C2440微處理器等對(duì)施工升降機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行搭建，并對(duì)嵌入式系統(tǒng)的施工升降機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)、傳感器檢測(cè)單元的設(shè)計(jì)、監(jiān)控儀表單元的設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，能夠有效提升施工升降機(jī)的工作效率和安全性，實(shí)現(xiàn)了多吊籠的施工升降機(jī)協(xié)同運(yùn)行。