水下金剛石繩鋸機監測系統設計

汪鵬，朱正斌，王震林,3，張嵐

1. 中國航空制造技術研究院，北京 100024

2. 哈爾濱工程大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001

3. 工業和信息化部 產業發展促進中心，北京 100846

隨著我國陸地石油資源的日益減少，開采豐富的海上石油是一種很好的解決辦法。伴隨著海底石油管道的日益增加，其事故率也逐年增加[1]。一旦發生事故，便會引起巨大的經濟損失，因此需要在最短的時間內進行修復作業[2]。在海底管道的切割作業中，金剛石繩鋸具有廣泛的應用[3]。金剛石繩鋸機最早應用于礦山開采，經過研究和改進推廣到海底管道切割作業中[4]。國內對金剛石繩鋸機的水下應用做了大量的研究，但對于切削過程的監測設計還相對較少，而且主要集中在控制方法上[5?6]。為了掌握金剛石繩鋸機切割海底管道的工作狀態，并能及時進行切削參數的調整，設計了一種水下金剛石繩鋸機監測系統。在金剛石繩鋸機切割作業的研究基礎上，分析其影響切削效率和安全的關鍵參數，選擇合適的傳感器進行數據采集。硬件采用基于ARM7TDMI?S核心的處理器LPC2214，配合外圍電路和相關軟件設計，及時可靠地顯示繩鋸機的關鍵切削參數，提高切削效率。

1 水下金剛石繩鋸機及監測方案

如圖1所示，水下金剛石繩鋸機主要由切割裝置、進給裝置、張緊裝置、夾緊裝置和導向裝置等組成。繩鋸機作業前，先調整張緊裝置使串珠繩保持一定張力；夾緊液壓缸驅動夾緊裝置夾緊管道；切割裝置主動輪提供動力使串珠繩旋轉；在進給裝置和導向裝置的作用下完成切削進給。

圖1 繩鋸機整體結構

金剛石繩鋸機在水下進行海底管道切割作業時，需要根據鋸切狀態及時調整切削參數，以保證切割作業順利完成[7]。因此，這需要多種傳感器及時反饋作業狀態。結合金剛石繩鋸機的切割過程，主要對以下參數進行監測：

1）串珠繩張緊力監測

串珠繩的張緊力對切削效率和串珠使用壽命有重要的影響[8]。張緊力過大會加速串珠繩的疲勞磨損，容易導致斷繩；張緊力過小則會導致串珠繩與導向輪打滑磨損，降低切削效率。

2）串珠繩位置監測

繩鋸機工作過程中，串珠繩偶爾會出現卡繩現象。單靠張緊力監測無法判斷串珠繩的狀態，需要位置監測和張緊力監測配合才能實時反饋串珠繩狀態。

3）進給速度監測

繩鋸機的進給速度決定了其工作效率的高低。進給速度過大會導致繩張緊力增大，引起斷繩；進給速度過小會降低切削效率。因此，需要根據繩鋸機切割管道的深度，及時調整進給速度。

4）切削速度監測

切削速度是串珠繩相對海底管道的切向速度，對切削效率與串珠磨損有重要影響。在切削作業中，需要及時根據切削厚度和切削材質來改變切削速度。

5）液壓系統監測

水下金剛石繩鋸機的動力由液壓系統提供，液壓系統的穩定工作，是保證切削作業的前提。因此，需要對主動輪液壓馬達和進給液壓馬達進行監測。

2 傳感器選擇與設計

2.1 張緊力傳感器設計

圖2為張緊力傳感器工作原理圖，其基本原理是電阻的應變效應。切割過程中，串珠繩壓力作用在導向輪上，使彈性軸按比例產生應變，通過彈性軸上應變片將其轉化為電阻的變化。通過測量電路和放大電路，將數據采集到處理器。為防止進水影響信號精度，采用密封膠圈和防水保護套對彈性軸進行保護。

圖2 張緊力傳感器工作原理

機械應變一般為 10?6~10?3，引起的電阻變化很?。s 10?4~10?1Ω）。采用直流電橋作為測量電路，把電阻的變化轉變為電壓變化。圖3為差動直流電橋，一對橋臂接負載電阻，另一對接電流。電橋的輸出電壓為

圖3 四臂差動直流電橋

2.2 串珠位置傳感器

如圖4所示，選擇美國PT8系列拉繩式傳感器?？紤]水下工作環境，對其關鍵部分進行密封改裝，增加防水膠圈并進行測試，使其適合測量串珠繩位移。

圖4 PT8 拉繩位移傳感器

2.3 進給速度傳感器

繩鋸機進給系統是通過液壓馬達帶動絲杠螺母機構，實現串珠繩的進給，因此可通過測量液壓馬達轉速間接測量進給速度。如圖5所示，選用北京新宇航公司的JN338?A轉矩轉速傳感器。該傳感器可以測量正反轉速，通過密封改裝增加防水膠圈并進行測試后，將其安裝在液壓馬達與負載之間，用以測量轉速。

圖5 JN338—A 轉矩轉速傳感器

2.4 壓力、流量傳感器

壓力傳感器將液壓壓力轉換為0~5 V電壓信號，其輸出電壓與壓力有一定的線性關系。流量傳感器基于力矩平衡原理測量流量，其成比例輸出0~5 V電壓信號。

繩鋸機工作時，張緊力傳感器將導向輪彈性軸的應變轉換為電信號，拉繩式傳感器測量進給機構的實時位置，轉矩轉速傳感器測量進給機構液壓馬達的轉矩轉速，壓力、流量傳感器測量液壓系統的壓力流量。各傳感器實時傳輸監測數據到CPU，傳輸線路均做防水處理。傳感器均傳輸電壓信號，對信號進行標定后設計相應的硬件和軟件。

3 監測系統硬件設計

如圖6所示，為監測系統的硬件結構。該嵌入式系統基于ARM7TDMI?S處理器，主要包含電源、微處理器芯片、存儲器和I/O接口。硬件的核心處理器為Philips LPC2214，可以實現信號采集、調試和輸出；同時也可以實現人機交互，實現LCD顯示和RS232通訊[9]。

圖6 監測系統硬件設計

3.1 復位電路設計

LPC2214的CPU復位引腳連續保持4個時鐘周期的低電平信號時，才能使其有效復位。復位電路作用是給處理器提供復位信號，采用MAX706芯片產生Reset信號。MAX706還可以提供1.6 s看門狗定時器：WDI引腳保持高電平或者低電平超過1.6 s，WDO引腳輸出低電平使系統復位，保證系統有更高的可靠性[10]。圖7為復位電路原理，WDO引腳與MR引腳連接，使監測系統運行。

圖7 CPU 復位電路

LPC2214還提供JTAG復位引腳nTRST，用來進行軟件復位。圖8為仿真器JTAG和處理器的接口電路通過ARM7TDMI所提供的JTAG型掃描標準，可以調試處理器的ICE?RT邏輯。

圖8 JTAG 復位電路

3.2 交互接口設計

采用日本SEIKOEPSON公司的產品SED1335液晶顯示器作為LCD顯示硬件，其在同類產品中有較高的可靠性。SED1335的特點為豐富的指令功能、320×240點陣、較強的I/O緩沖器和圖形文本混合顯示[11]。

圖9為處理器與SED1335的接口電路，處理器產生的部分信號，需經過反相器進行電平匹配，再與液晶屏連接。

圖9 處理器與顯示器的接口電路

串口通信接口采用RS?232，其電氣特性規定：接口輸出電壓在?5～?15 V 為邏輯 1，信號進行傳輸；接口輸出電壓在+5～+15 V為邏輯0，信號停止傳輸。TTL邏輯電路的電平與RS?232接收的電平形式不同，因此需要專門電路進行轉換。采用MAX3232芯片進行電平轉換，圖10為其電平轉換電路圖。

圖10 MAX3232 電平驅動電路

4 監測系統軟件設計

建立好水下金剛石繩鋸機監測系統的硬件后，需要對其進行相應的軟件設計。LPC2214沒有內存管理單元，在加載到內存中運行前，系統需要把操作程序編譯為二進制代碼，軟件設計的總體框架如圖11所示。

圖11 監測系統軟件設計總流程

根據軟件設計總體框架可以看出，軟件的開發可以分為數據顯示和數據處理兩個方面，其中數據處理又由數據的采集和計算組成。根據監測系統的特點，整個軟件設計可以分為幾個模塊，每個模塊有獨立的LCD界面顯示，可以接受用戶的查看和輸入。圖12為選擇模塊流程圖。

圖12 LCD 功能選擇流程

4.1 串口通信軟件設計

根據硬件設計，LPC2214通過MAX3232將信號傳輸給RS?232。LPC2214有2組寄存器用來控制串行控制器（UART），采用傳統的查詢等待方式，實現驅動程序的簡單化。為實現軟件系統化、程式化，可將串口驅動程序分為如下3個函數：

1）初始化串口

void UartInit(INT8U PortNum, INT32 BaudRate)

PortNum用來選擇串口，BaudRate用來定義串口比特率，其流程圖如圖13所示。

圖13 串口初始化

2）接收串口數據

char Uart_Getch(void)

如圖14所示，接收串口數據并返回，若沒有數據則一直等待，直到接收到數據。

圖14 接收串口數據

3）發送串口數據

void UartSendByte(INT8U PortNum, INT8U Data, INT8U Mode)

如圖15所示，PortNum用來標識串口；Data為等待發送的數據，如果發送失敗則阻塞；Mode用來選擇通訊方式。

圖15 發送串口數據

4.2 LCD 顯示軟件設計

根據硬件結構，LCD模塊中含有顯示存儲器，顯存中的單元與顯示器的像素點一一對應。為方便軟件設計，在硬件的存儲器中劃分一部分內存作為LCD緩沖區Buffer，并采用如下定義：

INT32U buffer[240][320/(32/lcdtype)]；

Lcdtype為LCD類型選項，采用單色顯示液晶屏時，其定義為1。圖16為水下繩鋸機監測系統的顯示器界面。

圖16 監測系統顯示界面

5 實驗結果分析

為確保監測結果的準確可靠，需要對LCD顯示結果進行數據驗證分析。串珠位置傳感器、進給速度傳感器、壓力和流量傳感器是直接購買的成品，其準確度可以保證。因此，主要對張緊力傳感器的實驗結果進行分析。

張緊力傳感器采用靜態標定方法，通過電子萬能材料試驗機每隔500 N記錄一次電壓值，標定張力和電壓的對應關系。對靜態標定結果進行理論修正，得到不同張力和轉速的理論修正值。

張力的測量范圍為 0~3 000 N，圖 17、18 為部分不同張力情況下實驗與理論數值對比?？梢钥闯?，理論修正值與實驗值基本吻合，證明張緊力傳感器可以為監測系統提供穩定的張力顯示，保證繩鋸機的正常運行。

圖17 張力為 0 N 時實驗與理論數值對比

圖18 張力為 500 N 時實驗與理論數值對比

6 結論

針對水下金剛石繩鋸機的工作要求，提出了一種基于ARM微處理器的繩鋸機檢測系統設計。

1）根據繩鋸機水下切割作業工況，對主要參數切削速度、進給速度、張緊力、串珠繩位置和液壓系統進行監測，并選擇合適的傳感器。

2）硬件采用基于ARM7TDMI?S的核心處理器LPC2214，與外部電路組成監測系統。經過軟件設計，使顯示器顯示傳感器采集的信號，為工作人員隨時掌握切削數據并及時調整切削工況提供了方便。

經驗證，本監測系統能夠準確可靠地顯示繩鋸機的切削狀態，對提高繩鋸機的水下切削效率有重要意義。