抓斗深度開口度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

摘 要:隨著中國港口建設(shè)和江湖海河道整治工作步伐的日益加快，對(duì)于水下淤泥的清理的要求越來越高，相應(yīng)設(shè)備的精度要求也越來越高;傳統(tǒng)的通過傳感器測(cè)量繩子長(zhǎng)度或者通過編碼器測(cè)量轉(zhuǎn)速的方法不是因?yàn)榘惭b維護(hù)不方便就是因?yàn)榫炔粔颍茈y理想的進(jìn)行應(yīng)用。本文就是通過光纖傳感器和PLC通過正交相位計(jì)數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)如何精確監(jiān)測(cè)抓斗深度及開口度。

關(guān)鍵詞:深度開口度編碼器光纖傳感器PLC

中圖分類號(hào):TH6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1672-3791 (2010)7(b)-0014-02

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹

圖1，是本文所述的原理圖，原理如下:

用于深度測(cè)量的卷揚(yáng)機(jī)與用于抓斗開閉測(cè)量的卷揚(yáng)機(jī)我們分別簡(jiǎn)稱為S機(jī)與K機(jī)，S機(jī)繩子收放的距離即為深度值，以下用Vs來表示;K機(jī)繩子收放的距離用Vk來表示;開口度的測(cè)量是通過S機(jī)與K機(jī)的配合計(jì)算測(cè)得的，開口度用Vo來表示，開口度計(jì)算公式為:

Vo=((Vk-Vs)-(Vk0-Vs0))/((Vk100-Vs100)-(Vk0-Vs0)) X 100

其中:Vk0表示校零時(shí)的K機(jī)繩子收放的距離;

Vs0表示校零時(shí)的S機(jī)繩子收放的距離;

Vk100表示校滿度時(shí)的K機(jī)繩子收放的距離;

Vs100表示校滿度時(shí)的S機(jī)繩子收放的距離;

在纜繩卷揚(yáng)機(jī)的側(cè)面安裝如圖1所示的圓盤，圓盤的圓周上分布均勻等長(zhǎng)的測(cè)量孔，測(cè)量孔的長(zhǎng)度決定測(cè)量的精度，如圖1示安裝兩組將光纖對(duì)射傳感器穿孔對(duì)射，兩組傳感器的中心安裝距離為測(cè)量孔距離的一半使兩相位之間相隔90°，在一個(gè)波形周期內(nèi)PLC通過正交相位計(jì)數(shù)的方式測(cè)得的脈沖計(jì)數(shù)有四個(gè)，這樣可以大大提高測(cè)量的精度。高速計(jì)數(shù)的采樣頻率為10kHz，光纖傳感器的應(yīng)答時(shí)間為200?s即5kHz;若采樣精度為1cm，則卷揚(yáng)機(jī)轉(zhuǎn)速為(5000/4)*60/100=750m/min，而實(shí)際正常使用的最大轉(zhuǎn)速約為100m/min，即若機(jī)械安裝許可理論精度可達(dá)0.133cm。

在此過程中必須特別關(guān)注以下幾個(gè)問題:

*測(cè)量孔必須均勻等長(zhǎng)，前一測(cè)量孔與下一個(gè)測(cè)量孔之間的間隔與測(cè)量孔等長(zhǎng);

*兩組傳感器的中心安裝距離為測(cè)量孔距離的一半;

*為了防止關(guān)機(jī)過程中繩子由于機(jī)械原因?qū)е戮嚯x伸長(zhǎng)或縮短，必須考慮在軟件中增加校零和校滿刻度;

2監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成及其功能

2.1 系統(tǒng)的幾個(gè)部分組成

(1)信號(hào)采集;

(2)數(shù)據(jù)處理;

(3)延伸報(bào)警輸出聯(lián)鎖控制;

(4)標(biāo)準(zhǔn)通訊接口輸出;

2.2 系統(tǒng)的各個(gè)部分的主要功能

(1)信號(hào)采集:主要是光纖傳感器的觸點(diǎn)脈沖信號(hào)。

通過PLC的高速脈沖計(jì)數(shù)通道采集數(shù)據(jù)，選擇正交相位計(jì)數(shù)的方法，即A相和B相脈沖相差90°的方法來得到脈沖數(shù)值，并且通過相位差可判斷正向反向增減計(jì)數(shù)。

(2)數(shù)據(jù)處理:通過脈沖數(shù)和每個(gè)脈沖的距離計(jì)算得到繩子的相對(duì)距離，再通過計(jì)數(shù)點(diǎn)所在的圓周長(zhǎng)與繩子所在的實(shí)際圓周長(zhǎng)比例關(guān)系計(jì)算得到繩子上升下降距離。通過開口度的計(jì)算公式得到開口度，特別注意的是對(duì)深度和開口度校零和開口度校滿度，在校開口度時(shí)注意必須先校深度零位，因?yàn)殚_口度的計(jì)算值是由深度值得到的，否則將導(dǎo)致數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。另為保證操作安全性，對(duì)深度和開口度超過報(bào)警值需報(bào)警，即深度停止和開口度預(yù)告(開口度值<10%)報(bào)警，全閉(開口度值=0)報(bào)警。

(3)延伸報(bào)警輸出聯(lián)鎖控制:深度停止報(bào)警時(shí)，輸出一無源常開觸點(diǎn)至絞車控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)對(duì)卷揚(yáng)機(jī)的控制，從而達(dá)到保證系統(tǒng)安全的目的，深度停止后，按下“深度解除”按鈕可取消觸點(diǎn)輸出，若需要重新使深度停止信號(hào)觸點(diǎn)輸出，必須將抓斗提升或下降至零位點(diǎn)確認(rèn)系統(tǒng)已經(jīng)正常工作。

(4)標(biāo)準(zhǔn)通訊接口輸出:通過提供RS485的MODBUS RTU通訊接口或者以太網(wǎng)接口，將數(shù)據(jù)傳送給第三方軟件，對(duì)抓斗深度開口度數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地監(jiān)測(cè)分析。

2.3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)上位機(jī)采用觸摸屏;通過組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)顯示，上位機(jī)通過串口與PLC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，通訊協(xié)議為透明封裝的協(xié)議，在組態(tài)軟件中只需輸入PLC中定義的變量地址，即可輕松實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換;PLC采用西門子S7-200，握手通訊時(shí)間為100ms。

*升降狀態(tài):顯示當(dāng)前卷揚(yáng)機(jī)對(duì)應(yīng)的繩子是上升還是下降或者是停止。

*預(yù)告指示燈:當(dāng)抓斗在0～10%時(shí)觸發(fā)報(bào)警，該燈閃爍，觸摸屏本身蜂鳴器響，5秒鐘(時(shí)間可設(shè))后蜂鳴器滅，若報(bào)警還在改燈常亮，報(bào)警消失時(shí)，自動(dòng)變?yōu)榫G色。報(bào)警時(shí)信息窗口提示該報(bào)警。

*全閉指示燈:當(dāng)抓斗在<=0時(shí)觸發(fā)報(bào)警，該燈閃爍，外部蜂鳴器響，5秒鐘(時(shí)間可設(shè))后蜂鳴器滅，若報(bào)警還在改燈常亮，報(bào)警消失時(shí)，自動(dòng)變?yōu)榫G色。報(bào)警時(shí)信息窗口提示該報(bào)警。

*開度校0%:當(dāng)需要將開度重新校準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)首先校零位;方法為:將抓斗調(diào)整到零位，然后在觸摸屏上按下此按鈕即可。

*開度校100%:當(dāng)需要將開度重新校準(zhǔn)時(shí)，首先校零位，然后校量程(100%);方法為:將抓斗調(diào)整到全開位置，然后在觸摸屏上按下此按鈕即可。

*深度計(jì)校0:當(dāng)需要將深度重新校準(zhǔn)時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)，方法為:將抓斗調(diào)整到海平面零位，然后按下此按鈕即可。

*停止解除:當(dāng)抓斗深度超過設(shè)定的報(bào)警值，自動(dòng)輸出一個(gè)無源觸點(diǎn)信號(hào)(聯(lián)鎖信號(hào))，按下此按鈕，解除觸點(diǎn)控制輸出，若需恢復(fù)自動(dòng)停止功能，必須將抓斗回到0點(diǎn)。

*保存計(jì)數(shù)器值:若使下次啟動(dòng)仍然保存顯示上次的值，斷電前請(qǐng)先點(diǎn)擊該按鈕，否則下次啟動(dòng)顯示值將為最后一次保存的數(shù)值。

3 結(jié)語

本系統(tǒng)于2010年8月開始研制，2010年10月完成安裝調(diào)試工作，并投入使用。在使用過程中大大的提高了生產(chǎn)效率，并且由于設(shè)置靈活等特點(diǎn)，給系統(tǒng)的操作維護(hù)提供了方便，通過標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展接口方便了對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程的監(jiān)測(cè)分析。

參考文獻(xiàn)

[1]蔡行健，黃文鈺，李娟主編，西門子(中國)有限公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán)編.深入淺出西門子S7-200 PLC(第3版)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2007:205.

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