基于嵌入式的起重機安全控制系統(tǒng)設(shè)計

杜靖宇

（河鋼唐鋼，河北 唐山 063000）

引言

現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)的生產(chǎn)需要現(xiàn)代的科技手段來保駕護(hù)航。針對原有的生產(chǎn)作業(yè)方式對嵌入式結(jié)構(gòu)橋式起重設(shè)備現(xiàn)代化安全監(jiān)測系統(tǒng)的未來設(shè)想與進(jìn)一步改進(jìn)進(jìn)行討論。橋式起重機安全控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)直接關(guān)系到作業(yè)過程中的遠(yuǎn)程監(jiān)控，而系統(tǒng)主體硬件結(jié)構(gòu)則影響著橋式起重機的運行，嵌入式系統(tǒng)的關(guān)鍵硬件設(shè)計以及起重機安全控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計又關(guān)聯(lián)著安全控制系統(tǒng)設(shè)計、迷你中央處理裝置以及與設(shè)備連接面板和推廣角度等實際中常見的問題[1]。這些都將最終實現(xiàn)用安全監(jiān)測系統(tǒng)在實際操作中有效地保證橋式起重設(shè)備安全操控的目的。

1 橋式起重機安全控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的組成單位是由通信網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進(jìn)行通信裝置兩方面組成，見圖1。

它可以每時每刻地觀察并繪出塔機一些信息的變化圖。在遠(yuǎn)程監(jiān)控管理中心使用VB開發(fā)工具設(shè)計了上位機程序以接收塔機監(jiān)控終端發(fā)送的塔機工作數(shù)據(jù)。待程序接收到這些數(shù)據(jù)后便將這些數(shù)據(jù)保存到SQLServer數(shù)據(jù)庫并上傳至Web網(wǎng)頁。監(jiān)控管理中心工作人員根據(jù)需要可在任意一臺聯(lián)網(wǎng)的計算機終端，打開該網(wǎng)頁讀取相應(yīng)塔機的工作數(shù)據(jù)。塔機終端包括電源、傳感器信號的采樣、LCD顯示、U盤的數(shù)據(jù)存儲、GPRS模塊通信、聲光報警等子模塊，實時采集塔機的工作數(shù)據(jù)，它們的組成單位是多個系統(tǒng)完成，這些系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)，互相影響，最終以整體的形式展示出來[2]。

1）數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的基本組成單位是由眾多的傳感器及部分系統(tǒng)組成的，這些傳感器都有著獨特的特點。其主要用途是感測所測物體的狀態(tài)，并將狀態(tài)結(jié)果傳遞到控制子系統(tǒng)。

2）控制子系統(tǒng)的構(gòu)造主要是通過傳感器中的模塊，對這些模塊進(jìn)行系統(tǒng)編程，作用于系統(tǒng)上，信號調(diào)理模塊主要是針對數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)所接收的信號進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)化，可以獲得能夠使微處理器接收的某種物質(zhì)。而微處理器模塊的作用是對上一層的信號進(jìn)行加工，將結(jié)果存儲至監(jiān)控終端的U盤并通過GPRS無線通信傳輸至塔機遠(yuǎn)程監(jiān)控管理中心[3]。其中包括安全保證聲明、系統(tǒng)化且可防御的結(jié)構(gòu)化論據(jù)。由于系統(tǒng)安全保證的安全架構(gòu)分析階段和傳統(tǒng)風(fēng)險分析、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計及驗證和核實活動之間存在重疊，因而可防御安全保證論據(jù)引導(dǎo)的系統(tǒng)化證據(jù)收集是系統(tǒng)安全保證過程所特有的。根據(jù)采集到的工作數(shù)據(jù)，判斷是否超過預(yù)警值，同時做出相應(yīng)的措施。液晶顯示模塊的作用顯而易見，有了液晶顯示模塊，工作人員才可以更加方便快捷地觀察塔機，并對塔機更好操作。當(dāng)塔機出現(xiàn)意外情況的時候，這種特殊模塊會準(zhǔn)確地記錄事故前一段的數(shù)據(jù)，使人們可以吸取經(jīng)驗，從而使塔機更加安全。

3）通信電子系統(tǒng)是由多個模塊及現(xiàn)代技術(shù)組合而成。同時數(shù)據(jù)又稱無線通信模塊，它的工作狀態(tài)是DTU（透明傳輸）模式，堅持“快速”的原則，其作用是連接遠(yuǎn)程控制中心和塔機終端，是整個系統(tǒng)所可或缺的橋梁。而這一模塊的作用是吸納、保存一些非正常的特殊信息[4]。

4）報警和回路控制子系統(tǒng)的作用是對整個系統(tǒng)的督察和處理。其主要原理是根據(jù)采集到的工作數(shù)據(jù)，判斷是否超過預(yù)警值，當(dāng)超過預(yù)警值時，通過聲、光、短信等方式報警，同時向相應(yīng)的繼電器發(fā)送信號，控制塔機吊車的減速、限制運動方向或停機。例如，當(dāng)某起吊重量達(dá)到額定值的90%時，限制器發(fā)出預(yù)警信號：黃色指示燈亮，蜂鳴器發(fā)出斷續(xù)聲。當(dāng)起吊重量達(dá)到額定值的105%時，限制器發(fā)出報警信號：紅色指示燈亮起，蜂鳴器發(fā)出連續(xù)聲。為避免沖擊載荷引起的瞬間虛假超載，程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行濾波，如果連續(xù)超載時間超過3 s，則判定是真正的超載，并立即切斷起升回路電源。該點具有滯回特性，當(dāng)起吊物的重量減少到額定起重量以下時，繼電器3 s才會恢復(fù)。當(dāng)起吊重量達(dá)到額定值的110%時，繼電器動作，立即切斷起升回路電源同時紅色指示燈亮，蜂鳴器發(fā)出連續(xù)聲[5]。該點也具有滯回特性，當(dāng)起吊物的重量減少到額定起重量以下時，繼電器3 s后才會恢復(fù)。

起重機總體輸出中心是通過采用一塊芯片來進(jìn)行對所有信號搜索、控制燈的提示等一系列的操作，它關(guān)聯(lián)著U/R電子處理板，并且通過U/R電子處理板對操作者所進(jìn)行的控制來逐一分析，然后按照之前設(shè)定好的程序完成各項任務(wù)。第一，對必須進(jìn)行檢驗的橋式起重機顯示的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，得到結(jié)果之后在決定采用與之相符合的傳感器，并且計算每一個傳感器在得到數(shù)據(jù)之后的處理方法；第二，依照想要得到的功能對輸出中心的硬件進(jìn)行規(guī)劃，對于數(shù)據(jù)啟動電路進(jìn)行規(guī)劃，對收集來的數(shù)據(jù)逐一分析、對信號傳輸接頭的樣板進(jìn)行規(guī)劃、以及危險報警系統(tǒng)和輸出樣板等等，并且對之前計劃的電路擁有的能力進(jìn)行首次檢驗；第三，把系統(tǒng)的每一個樣板編程，然后寫出實驗步驟，最后完成實驗并且記錄實驗數(shù)據(jù)。

2 硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主體硬件構(gòu)造如圖2所示。

該工作系統(tǒng)是以Microchip公司的dsPIC40F6012芯片為中心進(jìn)行研究的。第一，橋式起重機吊鉤所牽引的物體重量、在中轉(zhuǎn)過程中與起始位置之間的角度橋式起重機的工作數(shù)據(jù)，虛擬數(shù)據(jù)、電子數(shù)據(jù)或者DN485電子信號傳導(dǎo)進(jìn)芯片內(nèi)進(jìn)行分析。該工作系統(tǒng)輔以核心之外的DN485進(jìn)行連接，數(shù)字編碼器電子信號電路。第二，在數(shù)據(jù)分析期間，加入了PCD電子模板、蜂鳴器及LCD電子模板，采用每一時刻的信號進(jìn)行分析并且處理。第三，該工作系統(tǒng)還采用了繼電器操控電路流向，突破式地開發(fā)出橋式起重機部分結(jié)構(gòu)的停運模式。

3 嵌入式系統(tǒng)的關(guān)鍵硬件設(shè)計

3.1 傳感器接口電路

在橋式起重機工作期間，將會對前文講述的每個情況數(shù)據(jù)進(jìn)行測量。綜合測量方法，針對所選感應(yīng)器的供電方法及流出數(shù)據(jù)，這一設(shè)計在體系中選擇了與之對應(yīng)的接口電路。

3.1.1 各類傳感器的輸出信號

所選感應(yīng)器的流出數(shù)據(jù)包括虛擬數(shù)據(jù)、電子數(shù)據(jù)、RS43385通訊數(shù)據(jù)等，見表1。

表1 傳感器參數(shù)表

3.1.2 各類傳感器接口電路設(shè)計

吊鉤吊起重量、中轉(zhuǎn)弧度軟件電路策劃待測的工況數(shù)據(jù)里，吊鉤吊起重量，所用的感應(yīng)器為TDW-1S拉壓感應(yīng)器；中轉(zhuǎn)弧度、吊臂傾角用到的感應(yīng)器為WWD36-V1弧度感應(yīng)器。根據(jù)表格里面這兩個感應(yīng)器的流出數(shù)據(jù)，策劃顯示的電路，將搜集到的6~20 mA的電流數(shù)據(jù)變換為3~5 V的電壓數(shù)據(jù)（即模擬數(shù)據(jù)），流入單片機的A/D變換模板。在那里面，500Ω精確電阻的作用是將4~20 mA的電流數(shù)據(jù)變換為2~10 V的電壓數(shù)據(jù)，流經(jīng)兩個10 kΩ的電阻，把變換之后的電壓數(shù)據(jù)該為1~5 V的電壓數(shù)據(jù)。其中，用電容做軟件濾波。除此之外，還要雙二極管配件，分別與+5 V和0 V相連，他們的作用是預(yù)防A/D流入電路中發(fā)生太高和太低的正負(fù)電流，導(dǎo)致核心芯片的A/D變換通道報廢。

A相、B相的差分?jǐn)?shù)據(jù)由axcis1-a-和axdis1-a+，axsis1-b-和axdis1-b+，經(jīng)SN74125變換，經(jīng)變換后的雙相單端數(shù)據(jù)為AXIS1_A、AXIS1_B。其中TI企業(yè)的SN74125芯片，是一種包含三態(tài)流出的多片四處理器，每對信號端都包含使能端，共模流入電壓大小基本為12 V左右，靈敏度大約為200 mV，抗干擾性優(yōu)越，利用+5 V電源供電，適合在嘈雜環(huán)境中進(jìn)行多點傳輸。經(jīng)過改變之后的雙相單端數(shù)據(jù)AXIS1_A、AXIS1_B流入計數(shù)器LS7186，這一數(shù)據(jù)經(jīng)LS7186濾波、變頻、鑒定、計數(shù)后，得到8位信號源，流入主控芯片。

RS485串連通用方式是利用平衡差分傳輸功能，該功能含有抵制共模作用且傳輸距離很遠(yuǎn)，并且通信質(zhì)量牢靠；并要求使用唯一+5 V或+3 V電源；除此之外對傳導(dǎo)介質(zhì)物理層面并沒有任何其他規(guī)定，只要把正常的雙絞線連接在一起就可以構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)然，除了廣播通信方法之外，還有其它多種通信方法，發(fā)出引擎的接受器點最多可有32個，傳導(dǎo)速率有很多不同規(guī)格，得到了人們的喜愛和廣泛的利用，特別是工控機上裝有RS485接口，也因此通過RS485接口與工控機之間的通信是十分便利的。

3.2 安全報警電路

在橋式起重機工作期間，被測的工況數(shù)據(jù)一但被發(fā)現(xiàn)超過警戒數(shù)值，使用的系統(tǒng)就會發(fā)出警報，告知工作人員，它在工作期間，有一個或者幾個數(shù)字超過警戒數(shù)值，如圖3所示。

這一部分策劃分為蜂鳴器警報和指示燈警報兩個部分。在途中每個指示燈代表一項工況數(shù)據(jù)，當(dāng)有一個或者多個指示燈發(fā)亮?xí)r，蜂鳴器就會發(fā)出警報，提醒工作人員。

4 起重機安全控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

硬性分級包含了硬件設(shè)置和RGE的配置，看門狗時間表象的設(shè)置，RG口的設(shè)計。設(shè)立的任務(wù)主要包括：表達(dá)控制（Task1）；分機設(shè)置（Task3），RGE顯示任務(wù)（Task2），最高級在這項任務(wù)中最低。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

在硬件恢復(fù)出廠設(shè)置時，操作系統(tǒng)默認(rèn)執(zhí)行功能更新，通過時間表象的設(shè)置，獨立機為用戶設(shè)計了一個服務(wù)表盤ERGG（），設(shè)立為200μs的運轉(zhuǎn)周期。幾個任務(wù)所需要的是調(diào)控系統(tǒng)內(nèi)部的平均分配任務(wù)，?？臻g大約是82字節(jié)，功能是保存數(shù)據(jù)。

4.1 測定控制任務(wù)

這項服務(wù)的級別是最高級，所以運行時間需要保證足夠切適宜因為這項任務(wù)是用來給此項服務(wù)做完整的保護(hù)和檢測工作，定時150μs。測定控制任務(wù)的主要內(nèi)容是：EG采集、MH485鏈接、ICM表達(dá)。如果測定的數(shù)據(jù)與當(dāng)時設(shè)定的原始數(shù)據(jù)相差較多，系統(tǒng)就會自動阻斷運行，并且記錄超標(biāo)的數(shù)據(jù)。

4.2 起重力矩測評

矩形起重力是雙側(cè)架起類高等起重機的重要測評數(shù)據(jù)。起重力矩能夠很好地測評起重機的性質(zhì)和功能，比其他類型的測量機器更能肯定兩翼架類型起重機的工作能力。在通常情況下，規(guī)定的起重機承載重量是隨兩翼臂架的起伏幅度來設(shè)定的，而最重要的數(shù)值，即起重力臂由規(guī)定的承載值和其對應(yīng)的工作狀況綜合決定的，而人們根據(jù)這一工作原理，確定了一個數(shù)學(xué)表達(dá)式來科學(xué)地闡述起重機矩與工作幅度的關(guān)系，這一數(shù)學(xué)公式通常被人們稱為起重特性方程。

式中：Q為工作距離，m；q為吊臂尾端支點與回轉(zhuǎn)中心的距離，m；A為規(guī)定起重重力，kN；a為最大承載力，kN；M額為常數(shù)（常熟矩），kN·m。

根據(jù)表達(dá)式，起重機工作能力的測評過程如圖5所示。

其中：m承載重物質(zhì)量；Qx重物重力；最大承載重力Qmax（即額定起重重力的90%）；Lx車輛工作度；車輛最大工作度Lmax（車輛額定工作幅度的90%）；實時起重力矩Mx。

5 結(jié)論

本次設(shè)計分析了國內(nèi)橋式起重機的發(fā)展模式和現(xiàn)有的生產(chǎn)狀況，以及相關(guān)的檢測功能和技術(shù)等級，通過對我國橋式起重機安全保護(hù)系統(tǒng)的研究，得到了開發(fā)安全系統(tǒng)和檢測報警功能的設(shè)計靈感，并設(shè)計出以SAPIC30F6012獨立機型為基礎(chǔ)的橋式起重機計算機化安全保護(hù)的系統(tǒng)裝置，并在后期實驗條件下，對這一設(shè)計進(jìn)行實驗測評和驗證。