橋式起重機起重量監(jiān)測系統(tǒng)研究

徐海群，強寶民，何禎鑫

(第二炮兵工程學院，陜西 西安 710025)

1 前言

超載作業(yè)是造成起重事故的主要原因，輕者損壞起重機零部件，如電機過載，結(jié)構(gòu)變形;重者造成斷梁、整機傾覆的重大事故［1］。起重量限制器是橋式起重機的重要保護裝置之一，用來防止因超重而引起的起升電機、傳動機構(gòu)及鋼絲繩的損壞。但是起重量限制器只能在極限狀態(tài)下保護起重機的起升機構(gòu)不受損壞，不能顯示出起重量值［2］，因此，操作手在操作過程中不了解起重機每次起吊重量的具體狀況。為了進一步提高橋式起重機的安全性能和工作效率，設(shè)計一種橋式起重機起重量監(jiān)測系統(tǒng)就顯得非常重要。

傳統(tǒng)的信號傳輸使用導線傳輸，傳輸方式常常無法避免電磁干擾的影響，并且由于橋式起重機特殊的結(jié)構(gòu)方式，使得系統(tǒng)需要較長的傳輸線來傳輸信號，這種傳輸方式不但技術(shù)干擾強度增大，而且增加了系統(tǒng)的成本且維護也不方便。近年來，無線技術(shù)發(fā)展迅猛，給信號的傳輸提供了很大的便利。本文即采用無線傳輸技術(shù)來實現(xiàn)橋式起重機起重量的監(jiān)測。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本系統(tǒng)主要實現(xiàn)對橋式起重機起重量的在線監(jiān)測。當起重機在起重作業(yè)時，鋼絲繩在重物作用下產(chǎn)生應(yīng)力變化，通過張力傳感器可以測量到鋼絲繩的應(yīng)力變化情況，并經(jīng)過信號處理后在液晶屏(安裝于手電門上)上顯示出重量值，當起重量超過額定起重量時進行報警。由于橋式起重機的機構(gòu)特征，采用無線方式來實現(xiàn)信號的通信。因此，系統(tǒng)主要由發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)組成。

發(fā)射系統(tǒng)由測量橋式起重機鋼絲繩起重量的張力傳感器、微處理器、發(fā)射單元等組成，采用電池供電，如圖1所示。主要包括三大功能:信號檢測、數(shù)據(jù)處理和信號發(fā)射。對起重量的在線監(jiān)測是本系統(tǒng)的關(guān)鍵功能，從張力傳感器上獲得的信號首先經(jīng)過信號調(diào)整電路進行放大，再由微處理器控制對其實施采樣并進行A/D轉(zhuǎn)換，然后通過射頻發(fā)射電路對載波進行調(diào)制后發(fā)射出去。

圖1 發(fā)射系統(tǒng)總體方案圖

接收系統(tǒng)主要由無線接收單元、微處理器單元、顯示單元、鍵盤單元、報警單元組成，如圖2所示。主要完成數(shù)據(jù)接收、解調(diào)、數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲、聲光報警和手動設(shè)定單片機等功能。

圖2 接收系統(tǒng)總體方案圖

3 硬件電路設(shè)計

本系統(tǒng)采用Atmega16芯片作為系統(tǒng)的主控制芯片，該芯片具有速度快，片內(nèi)資源豐富，保密性好，工作電壓范圍廣、功耗低等特點［4］。其中，發(fā)射系統(tǒng)主要由傳感器、Atmega16和無線發(fā)射單元組成。傳感器采用托利多公司的SB-10A高阻抗剪切梁抗傳感器。其工作原理為:彈性體在外力作用下產(chǎn)生彈性變形后，其阻值將發(fā)生變化，經(jīng)相應(yīng)的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號傳遞給Atmega16。無線發(fā)射單元采用SRWF－1微功率無線數(shù)傳模塊。發(fā)射系統(tǒng)電路如圖3所示。

接收系統(tǒng)主要由無線接收單元、顯示和報警單元、閾值設(shè)定模塊、LCD液晶顯示模塊組成。操作人員首先設(shè)定閾值。當橋式起重機某個按鈕被按下時，相應(yīng)的輔助接觸器通電喚醒發(fā)射子系統(tǒng)的單片機對檢測到的數(shù)據(jù)進行處理并發(fā)送。當無線接收單元接收到發(fā)射子系統(tǒng)發(fā)送過來的信號后，經(jīng)過解調(diào)、濾波后送給單片機系統(tǒng)處理，在顯示單元系統(tǒng)將顯示當前的起重量值，當超過設(shè)定的閾值時，系統(tǒng)就會進行報警提醒操作人員采取相應(yīng)的措施，排除安全隱患。參數(shù)的設(shè)定是通過按鍵來完成的。顯示界面使用的是液晶屏，能夠進行靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示，方便了操作人員查看橋式起重機關(guān)鍵參數(shù)當前的狀況。報警系統(tǒng)通過系統(tǒng)內(nèi)置的蜂鳴器來實現(xiàn)。具體的電路圖如圖4所示。

圖3 發(fā)射電路原理

圖4 接收電路原理

4 無線收發(fā)模塊

本系統(tǒng)采用SRWF－1型微功率無線數(shù)傳模塊，該模塊是采用高效FEC前向糾錯技術(shù)結(jié)合高性能的無線射頻IC，以及高速微處理器相結(jié)合而開發(fā)出的一款無線通信模塊，具有很強的抗干擾能力，提供透明的數(shù)據(jù)接口，能適應(yīng)任何標準或非標準的用戶協(xié)議，并且具有自動過濾掉空中產(chǎn)生的噪音信號及假數(shù)據(jù)(所發(fā)即所收)，體積小，功耗低傳輸距離遠的特點，使用時不需要任何編碼技術(shù)，即使是半雙工通信，用戶也無需編制多余的程序，只要從接口收/發(fā)數(shù)據(jù)即可，其它如空中收/發(fā)轉(zhuǎn)換、網(wǎng)絡(luò)連接、控制等操作，SRWF-1型模塊能夠自動完成。SRWF-1模場面主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 SRWF-1模塊主要性能參數(shù)

SRWF-1型微功率無線收發(fā)模塊與Atmega16接口方式選擇TTL串口，接線方式如圖5所示(其他引腳懸空不連，以免引入干擾)。

圖5 SRWF－1與單片機實現(xiàn)TTL串口通信接線圖

5 系統(tǒng)主程序設(shè)計

發(fā)射系統(tǒng)主程序流程圖如圖6。發(fā)射系統(tǒng)主程序完成系統(tǒng)初始化之后就進入低功耗狀態(tài)。當起重機得以控制按鈕被按下時，單片機通過中斷會被喚醒進入工作狀態(tài)，控制信號的采集、處理、發(fā)送。需要采集的是鋼絲繩應(yīng)力信號，為了降低隨機性干擾和振動的影響，對采集到的信號進行低通濾波處理，然后單片機控制將檢測到的制信號通過無線傳輸發(fā)送給接收系統(tǒng)。以上功能可包含在無線發(fā)射子程序設(shè)計中。無線通信中數(shù)據(jù)是以幀為單位進行傳輸。

在接收到數(shù)據(jù)后，首先應(yīng)當判斷接收到的數(shù)據(jù)的格式正確與否，確認無誤后，再和存儲器中的三個子系統(tǒng)ID值比較，地址匹配就進行數(shù)據(jù)接收。否則清除當前數(shù)據(jù)后待機。接收完畢后，進行CRC冗余校驗，判斷數(shù)據(jù)是否有效。如果該幀數(shù)據(jù)無效，則舍棄接收到的數(shù)據(jù)，重新等待接收數(shù)據(jù);如果該幀數(shù)據(jù)有效，更新數(shù)據(jù)，然后才進入數(shù)據(jù)處理程序處理，以上功能也在無域異步接收子程序中完成，然后判斷是否滿足報警條件。接收系統(tǒng)主程序如圖7所示。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)針對橋式起重機起吊重物過程中操作人員對起吊重物起重量未知的問題，同時結(jié)合以往起重量限制器的優(yōu)缺點而設(shè)計。系統(tǒng)結(jié)合橋式起重機的結(jié)構(gòu)特征，利用無線通信技術(shù)來實現(xiàn)信號的通信。經(jīng)過起吊固定重量進行調(diào)試，系統(tǒng)能夠?qū)崟r地顯示橋式起重機起吊重物時的起重量，很好地解決了橋式起重機在工作過程中操作人員不能明確知道起重量的問題，同時當起吊重量超過額定起重量時，系統(tǒng)能及時地進行報警。實驗表明該系統(tǒng)運行正常，并且能有效地避免起重設(shè)備因過負荷超載造成的設(shè)備和人身事故，可作為起重機安全裝置應(yīng)用于各種起重機。

［1］ 王福綿．起重機械技術(shù)檢驗［M］．北京:學苑出版社，2000．

［2］ 賈永峰，郭全民．基于數(shù)據(jù)擬合的塔機起重量監(jiān)測系統(tǒng)［J］．機電工程技術(shù)，2009，(7)．

［3］ 黃任．AVR單片機與CPLD/FPGA綜合應(yīng)用入門［M］．北京:北京航空航天大學出版社，2004．