步進(jìn)式鋼絲水平位移計(jì)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李成偉，邵燦輝

（國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司 南京河海南自水電自動(dòng)化有限公司，南京 210032）

步進(jìn)式鋼絲水平位移計(jì)，主要利用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)變速器，由變速器驅(qū)動(dòng)高精度絲桿，從而推動(dòng)升降平臺(tái)的上下移動(dòng)。當(dāng)測(cè)量點(diǎn)按壓到升降平臺(tái)上的觸點(diǎn)瞬間，電氣控制模塊就讀到了步進(jìn)脈沖數(shù)，從而折算出步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的步數(shù)和升降平臺(tái)上零點(diǎn)到被測(cè)點(diǎn)的距離，2次測(cè)量的差值即為被測(cè)物體的水平位移值[1]。該系統(tǒng)主要由步進(jìn)電機(jī)、變速器、升降平臺(tái)及觸點(diǎn)、高精度絲桿、滑輪組、電氣控制模塊和銦鋼絲等幾部分組成，是專(zhuān)門(mén)用于觀測(cè)土石壩、混凝土壩、邊坡等結(jié)構(gòu)在施工和運(yùn)行期間內(nèi)部的水平位移的監(jiān)測(cè)儀器，為壩體的穩(wěn)定性和有無(wú)形變、開(kāi)裂等提供判定依據(jù)[2]。

1 裝置工作原理

具有機(jī)電一體化功能的鋼絲水平位移計(jì)的原理如圖1所示。當(dāng)自動(dòng)化控制模塊接收到上位機(jī)的測(cè)讀命令，或者定時(shí)測(cè)讀時(shí)的工作流程如下：

圖1 鋼絲水平位移計(jì)的工作原理Fig.1 Working principle of steel wire horizontal displacement device

（1）控制升降平臺(tái)先向下移動(dòng)，當(dāng)零點(diǎn)觸點(diǎn)脫離零點(diǎn)砝碼，繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)約5 cm行程，這時(shí)候所有測(cè)點(diǎn)通過(guò)滑輪均懸掛在升降平臺(tái)之上。再等待10 min以上，直至測(cè)點(diǎn)鋼絲繃直受力，反映出被測(cè)體的水平位移。

（2）等待時(shí)間結(jié)束后，升降平臺(tái)向上移動(dòng)，當(dāng)零點(diǎn)觸點(diǎn)觸碰到零點(diǎn)砝碼時(shí)，開(kāi)始從零計(jì)脈沖數(shù)。

（3）升降平臺(tái)繼續(xù)向上移動(dòng)，測(cè)量觸點(diǎn)依次觸碰到測(cè)量砝碼，并依次讀取觸碰時(shí)的脈沖數(shù)。

（4）當(dāng)所有測(cè)點(diǎn)都測(cè)量完畢后，升降平臺(tái)將停止運(yùn)動(dòng)。如有測(cè)點(diǎn)觸點(diǎn)失靈導(dǎo)致無(wú)法正常測(cè)量，升降平臺(tái)將繼續(xù)向上，當(dāng)最高點(diǎn)觸點(diǎn)觸碰到固定砝碼，升降平臺(tái)就會(huì)停止運(yùn)行；如果最高點(diǎn)觸點(diǎn)也失靈，當(dāng)升降平臺(tái)觸碰到限位開(kāi)關(guān)，裝置電源被斷開(kāi)，升降平臺(tái)也停止運(yùn)行。最高點(diǎn)和限位開(kāi)關(guān)起到雙重保護(hù)的作用。

2 硬件設(shè)計(jì)

鋼絲水平位移計(jì)電氣控制模塊的工作原理如圖 2所示[3]。

該控制模塊單片機(jī)選用TI公司最新的低功耗芯片MSP430F5436。由于其具有較多的I/O口、硬件串口和低功耗特性，使其能更好地控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)并進(jìn)行多種方式的串口通信。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，在一段時(shí)間內(nèi)壩體水平位移的是極其微小的，這就要求測(cè)量精度和穩(wěn)定性要高。通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行步數(shù)的計(jì)數(shù)，還有高精密絲桿之間的相互配合，可以精確地折算出砝碼垂直方向的偏移距離，從而得到壩體水平位移的距離。

圖2 鋼絲水平位移計(jì)電氣控制原理Fig.2 Control module principle of steel wire horizontal displacement device

步進(jìn)式鋼絲水平位移計(jì)控制模塊的操作指令主要來(lái)源于上位機(jī)，控制模塊與上位機(jī)的通信方式有以下2種：一種是通過(guò)傳統(tǒng)的串口RS485來(lái)實(shí)現(xiàn)，基于MSP430的硬件UART口輸出串口信號(hào)，由串口轉(zhuǎn)RS485信號(hào)芯片MAX485來(lái)輸出差分信號(hào)。另一種是通過(guò)無(wú)線模塊Zigbee實(shí)現(xiàn)的[5]。所選用Zigbee模塊為周立功公司的ZM2410，其理論無(wú)障礙傳輸距離為2 km，通過(guò)其進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送。無(wú)線模塊工作電平為+5 V，其與MCU的通信方式也是普通的UART串口通信，且通信方式設(shè)置為透?jìng)髂Ｊ?，僅作信號(hào)中繼用。而本裝置的串口USB主要針對(duì)工程人員進(jìn)行現(xiàn)地裝置參數(shù)下載和出廠程序下載。

2.1 步進(jìn)電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

該測(cè)量模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的方向和運(yùn)行步數(shù)進(jìn)行高精度的控制[4]，進(jìn)而通過(guò)變速齒輪來(lái)控制高精度螺桿實(shí)現(xiàn)整個(gè)升降平臺(tái)的上升或下降。如圖3所示，選取SN74LVC04作為光電開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)，其工作電壓為3.3 V。選用TLP127型光電開(kāi)關(guān)，工作電平為3.3 V，模擬觸點(diǎn)外接5 V，當(dāng)其被驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通時(shí)可以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的方向控制端、運(yùn)動(dòng)控制端。其中，方向控制端可以控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向，運(yùn)動(dòng)控制端每收到1個(gè)方波信號(hào)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)1個(gè)固定的角度。利用步進(jìn)電機(jī)每次旋轉(zhuǎn)的固定角度，帶動(dòng)高精度絲桿運(yùn)動(dòng)1個(gè)固定的距離，因此只需計(jì)算發(fā)出脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)，就可以得到高精度的水平位移距離。

圖3 步進(jìn)電機(jī)脈沖輸出電路Fig.3 Pulse output circuit of stepping motor

由于該測(cè)量系統(tǒng)長(zhǎng)期工作在壩體上，壩體周?chē)目諝鉂穸容^大，容易使高精度絲桿和升降平臺(tái)生銹，進(jìn)而影響測(cè)量數(shù)據(jù)的精度和穩(wěn)定性。為此，需要為設(shè)備定期除銹、涂抹潤(rùn)滑油，以保證測(cè)量的精確性和穩(wěn)定性。

由于銦鋼絲一端連接著壩體基準(zhǔn)點(diǎn)，一端連接著大重量的砝碼，在測(cè)量時(shí)需要拉直繃緊，長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中容易出現(xiàn)機(jī)械疲勞而導(dǎo)致斷裂，需要定期對(duì)其進(jìn)行檢查和維護(hù)。

2.2 觸點(diǎn)電路的設(shè)計(jì)

在裝置沒(méi)有測(cè)量的情況下，測(cè)量點(diǎn)銦鋼絲所吊砝碼壓住升降平臺(tái)上的測(cè)量觸點(diǎn)，同時(shí)鐵桿所吊砝碼壓住零點(diǎn)觸點(diǎn)。當(dāng)?shù)玫綔y(cè)量命令時(shí)，升降平臺(tái)會(huì)在步進(jìn)電機(jī)的間接帶動(dòng)下向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到一定位置時(shí)，鐵桿所吊砝碼與升降平臺(tái)上的零點(diǎn)觸點(diǎn)脫離，升降平臺(tái)向下運(yùn)動(dòng)一小段距離后停止運(yùn)行，等待銦鋼絲所吊砝碼拉直銦鋼絲。然后，升降平臺(tái)慢慢地向上運(yùn)動(dòng)，直至鐵桿所吊砝碼觸碰到零點(diǎn)觸點(diǎn)，MCU計(jì)數(shù)脈沖數(shù)清零。平臺(tái)繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)當(dāng)觸碰到測(cè)量點(diǎn)的觸點(diǎn)時(shí)，依次記錄所有測(cè)量觸點(diǎn)觸碰到砝碼的脈沖數(shù)。

如圖4所示，當(dāng)觸點(diǎn)閉合時(shí)光電開(kāi)關(guān)發(fā)出5 V的電壓信號(hào)[5]，然后利用SN74LVC4245芯片將5 V信號(hào)轉(zhuǎn)成3.3 V信號(hào)，這樣MUC芯片就可以判斷觸點(diǎn)是否閉合。

圖4 觸點(diǎn)采集電路Fig.4 Contactor acquisition circuit

3 控制流程設(shè)計(jì)

當(dāng)下位機(jī)控制模塊接受實(shí)時(shí)測(cè)量或者定時(shí)測(cè)量時(shí)[6]，MSP430控制流程如圖5所示。

圖5 鋼絲水平位移計(jì)控制流程Fig.5 Flow chart of steel wire horizontal displacement device by stepping motor

由于此控制模塊應(yīng)用于不同的特定工程，每個(gè)工程所需的銦鋼絲所吊砝碼的等待時(shí)間長(zhǎng)短不一，因此需要維護(hù)人員根據(jù)不同的測(cè)量要求配置不同砝碼重量和等待時(shí)間。該控制模塊不僅能接收上位機(jī)下發(fā)的延時(shí)命令，還可以通過(guò)上位機(jī)命令實(shí)現(xiàn)升降平臺(tái)的自動(dòng)上升與下降，方便了安裝調(diào)試工作。

本裝置具備強(qiáng)大的自我保護(hù)功能，當(dāng)測(cè)量觸點(diǎn)損壞時(shí)，升降平臺(tái)會(huì)一直向上或者向下運(yùn)動(dòng)，直至遇到最高觸點(diǎn)或最低觸點(diǎn)，升降平臺(tái)就停止運(yùn)行。如果最高觸點(diǎn)和最低觸點(diǎn)也損壞，升降平臺(tái)會(huì)觸碰到觸碰開(kāi)關(guān)，使整個(gè)裝置掉電，從而保護(hù)整個(gè)裝置的機(jī)械部分不受損壞，真正實(shí)現(xiàn)雙重保護(hù)。

4 結(jié)語(yǔ)

新一代全自動(dòng)的步進(jìn)式鋼絲水平位移計(jì)，已經(jīng)有5臺(tái)套成功地應(yīng)用于四川瀘定水電站大壩安全監(jiān)測(cè)工程中，憑借其優(yōu)良的各項(xiàng)性能不僅實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)手動(dòng)式水平位移計(jì)的測(cè)量功能，并且由于其具有自動(dòng)定時(shí)讀數(shù)、精度高、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，降低了工程人員的工作負(fù)荷。此外，該系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、可靠性強(qiáng)、低功耗等特點(diǎn)，為智能化大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了實(shí)時(shí)可靠的數(shù)據(jù)。

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