港口門座式起重機(jī)的無線控制與可靠性研究

程明輝

大連港埠機(jī)電有限公司 遼寧大連 116620

1 無線控制系統(tǒng)概述

無線控制系統(tǒng)的硬件電路的設(shè)計(jì)基于門式起重機(jī)的原始電氣系統(tǒng)。它是原始電氣控制系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn)，也是無線控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。硬件電路設(shè)計(jì)可分為手持終端的硬件設(shè)計(jì)和端口機(jī)的硬件電路設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)原理類似。電源電路的設(shè)計(jì)，鍵盤電路的設(shè)計(jì)和顯示電路基于合適的芯片和電子元件的選擇。主控制電路的設(shè)計(jì)，射頻電路的設(shè)計(jì)和各接口電路的設(shè)計(jì)。門式起重機(jī)電控系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)采用不連續(xù)信號的采集和輸出的切換控制。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)與復(fù)雜的線路和邏輯關(guān)系的變化一樣復(fù)雜。每個(gè)動作機(jī)構(gòu)由一個(gè)單獨(dú)的變頻器控制：一個(gè)電動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動升力，另一個(gè)電動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動打開和關(guān)閉。第一檔起動轉(zhuǎn)矩不小于1.0Me，速度分為五個(gè)步驟。為了滿足實(shí)際需要，安裝了動態(tài)制動器，制動器由電動液壓推桿操作。變幅機(jī)構(gòu)由電動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動，制動器由電動液壓推桿操作。第一檔的起動轉(zhuǎn)矩不小于1.0Me，速度分為五檔。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由兩個(gè)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動并同時(shí)控制。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是大慣性系統(tǒng)，風(fēng)載荷占整個(gè)外載荷的約70%，變化范圍極大。第一檔起動扭矩不應(yīng)太大，而第三檔調(diào)速。運(yùn)行機(jī)構(gòu)是一個(gè)平移機(jī)構(gòu)，由門腿的八個(gè)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動。制動器由電動液壓推桿操作[1]。

2 無線控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 無線控制系統(tǒng)

無線控制系統(tǒng)由兩部分組成：手持終端和端口終端。操作員通過手持終端發(fā)送端口機(jī)的控制命令，同時(shí)從端口機(jī)接收反饋信息。港口安裝在起重機(jī)上。它從手持終端接收控制命令并將其發(fā)送到端口機(jī)電氣系統(tǒng)PLC的輸入端。同時(shí)，它可以檢測端口機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)，并將此信息反饋給手持設(shè)備。無線控制系統(tǒng)的構(gòu)成框圖如圖1所示：

圖1 無線控制系統(tǒng)

DSP主控芯片是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制芯片。它通過SPI接口控制射頻收發(fā)器芯片的配置，狀態(tài)轉(zhuǎn)換和通道轉(zhuǎn)換。DSP主控芯片具有強(qiáng)大的計(jì)算能力，可以快速實(shí)現(xiàn)控制命令和狀態(tài)信息的信道編碼和解碼算法，實(shí)現(xiàn)無線控制系統(tǒng)的接收和發(fā)送協(xié)議。DSP主控芯片還可以使用豐富的I/O端口與人機(jī)界面進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)信息的輸入和顯示。RF收發(fā)器芯片的功能是將DSP主控芯片發(fā)送的基帶數(shù)字信號調(diào)制成射頻信號，并將接收到的RF信號解調(diào)為基帶數(shù)字信號，并將其發(fā)送到DSP主控芯片[2]。在手持側(cè)，DSP主芯片掃描鍵盤輸入，讀取操作者的按鈕信息，并將相應(yīng)鍵值的編碼信息發(fā)送到無線RF收發(fā)芯片，通過SCI接口模塊進(jìn)行調(diào)制傳輸；RF收發(fā)器芯片從無線信道接收無線信道。由端口機(jī)反饋的狀態(tài)信息被解調(diào)并發(fā)送到DSP主控芯片。DSP主控芯片對基帶數(shù)字信號進(jìn)行解碼，然后在顯示界面上顯示相應(yīng)的信息供操作員參考。在端口機(jī)側(cè)，DSP主控芯片接收由射頻芯片解調(diào)的基帶數(shù)字信號，解碼并校正基帶數(shù)字信號并將其傳輸?shù)蕉丝跈C(jī)電驅(qū)動系統(tǒng)，或接收端口機(jī)PLC電控系統(tǒng)。狀態(tài)信息和與該信息對應(yīng)的編碼信號被發(fā)送到無線收發(fā)器芯片以進(jìn)行傳輸。

2.2 射頻電路設(shè)計(jì)

RF電路主要執(zhí)行基帶數(shù)字信號到RF調(diào)制信號的轉(zhuǎn)換，以及RF調(diào)制信號到基帶數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。它是無線控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的重要組成部分。nRF903是一款單芯片RF收發(fā)器芯片，具有三個(gè)工作頻段433/868/915MHz。它具有GMSK（高斯最小頻移鍵控）/GFSK（高斯頻移鍵控）調(diào)制和解調(diào)能力，并具有很強(qiáng)的抗干擾能力。工作溫度范圍為-40°C～+85°C，符合工業(yè)控制應(yīng)用。采用DDS+PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性好，有170個(gè)通道，滿足本文所用的通道轉(zhuǎn)換需求。它可以直接與TMS320LF2407A接口，無需曼徹斯特?cái)?shù)據(jù)編碼，通信波特率可達(dá)76.8kbps。工作電壓范圍為2.7V至3.6V，功耗低，需要更少的外圍元件才能形成完整的RF收發(fā)器。

2.3 天線設(shè)計(jì)

ANT1和ANT2是天線引腳。當(dāng)nRF903處于接收模式時(shí)，兩個(gè)天線引腳為LNA（低噪聲放大器）提供RF輸入。當(dāng)nRF903處于發(fā)射模式時(shí)，PA（功率放大器）為兩個(gè)天線引腳提供RF輸出。可以使用印刷在板上的差分環(huán)形天線或單端天線。由于環(huán)形天線是印刷在電路板上的導(dǎo)體，在現(xiàn)場使用環(huán)境中，電路板需要密封在盒子中，從而影響環(huán)形天線的增益。因此，在該主題中選擇了對象的單端天線和差分天線引腳。必須在單端天線之間使用匹配的網(wǎng)絡(luò)連接[3]。

2.4 主控電路設(shè)計(jì)

主控制電路控制無線控制系統(tǒng)的各個(gè)方面以協(xié)調(diào)操作，接收控制面板的鍵輸入，向LED輸出顯示信息，控制射頻電路的狀態(tài)，并完成與射頻電路的通信。在主控制電路的設(shè)計(jì)中，除主控芯片DSP的外圍器件設(shè)計(jì)外，還需要DSP與射頻芯片nRF903之間的接口設(shè)計(jì)，而對于手持終端，DSP與DSP之間的接口也是如此。控制面板和顯示LED完成設(shè)計(jì)；用于端口機(jī)完成DSP和門式起重機(jī)原有電氣系統(tǒng)PLC的接口設(shè)計(jì)。

3 可靠性

基本控制電路部分和RF電路部分被分成板，使得相同的RF板可以用于手持終端和端口終端的相同RF電路部分。手持終端和端口終端的基本控制電路板不同，主要是因?yàn)槭殖纸K端考慮鍵盤電路和顯示電路，端口機(jī)器考慮DSP和PLC接口電路，所以有必要另外制造電路板。在進(jìn)入調(diào)試之前，在CCS運(yùn)行時(shí)環(huán)境中創(chuàng)建一個(gè)新項(xiàng)目，并將上述四種格式的文件添加到要編譯的項(xiàng)目中。然后將其下載到印刷電路板的DSP芯片上；如果存在語法錯(cuò)誤或其他類型的錯(cuò)誤，編譯器會給出相應(yīng)的提示，根據(jù)提示進(jìn)行調(diào)試并修改程序，直到?jīng)]有錯(cuò)誤為止。

4 結(jié)語

無線控制系統(tǒng)在一定程度上滿足了港口起重機(jī)械的無線控制要求，但由于設(shè)計(jì)過程僅針對特定的港口龍門起重機(jī)，因此它們被信道編碼并存儲在存儲單元中。因此，當(dāng)該無線控制系統(tǒng)應(yīng)用于具有不同運(yùn)動命令的其他機(jī)器時(shí)，固定值需要重新設(shè)計(jì)和改變原始存儲的命令和狀態(tài)信息，這可能影響新無線控制系統(tǒng)的可靠性。