基于嵌入式的起重機安全控制系統設計

杜靖宇

（河鋼唐鋼，河北 唐山 063000）

引言

現代鋼鐵工業的生產需要現代的科技手段來保駕護航。針對原有的生產作業方式對嵌入式結構橋式起重設備現代化安全監測系統的未來設想與進一步改進進行討論。橋式起重機安全控制系統的總體結構直接關系到作業過程中的遠程監控，而系統主體硬件結構則影響著橋式起重機的運行，嵌入式系統的關鍵硬件設計以及起重機安全控制系統的軟件設計又關聯著安全控制系統設計、迷你中央處理裝置以及與設備連接面板和推廣角度等實際中常見的問題[1]。這些都將最終實現用安全監測系統在實際操作中有效地保證橋式起重設備安全操控的目的。

1 橋式起重機安全控制系統總體結構

遠程監控中心的組成單位是由通信網絡和無線網絡節點進行通信裝置兩方面組成，見圖1。

它可以每時每刻地觀察并繪出塔機一些信息的變化圖。在遠程監控管理中心使用VB開發工具設計了上位機程序以接收塔機監控終端發送的塔機工作數據。待程序接收到這些數據后便將這些數據保存到SQLServer數據庫并上傳至Web網頁。監控管理中心工作人員根據需要可在任意一臺聯網的計算機終端，打開該網頁讀取相應塔機的工作數據。塔機終端包括電源、傳感器信號的采樣、LCD顯示、U盤的數據存儲、GPRS模塊通信、聲光報警等子模塊，實時采集塔機的工作數據，它們的組成單位是多個系統完成，這些系統相互協調，互相影響，最終以整體的形式展示出來[2]。

1）數據采集子系統的基本組成單位是由眾多的傳感器及部分系統組成的，這些傳感器都有著獨特的特點。其主要用途是感測所測物體的狀態，并將狀態結果傳遞到控制子系統。

2）控制子系統的構造主要是通過傳感器中的模塊，對這些模塊進行系統編程，作用于系統上，信號調理模塊主要是針對數據采集子系統所接收的信號進行一定的轉化，可以獲得能夠使微處理器接收的某種物質。而微處理器模塊的作用是對上一層的信號進行加工，將結果存儲至監控終端的U盤并通過GPRS無線通信傳輸至塔機遠程監控管理中心[3]。其中包括安全保證聲明、系統化且可防御的結構化論據。由于系統安全保證的安全架構分析階段和傳統風險分析、系統架構設計及驗證和核實活動之間存在重疊，因而可防御安全保證論據引導的系統化證據收集是系統安全保證過程所特有的。根據采集到的工作數據，判斷是否超過預警值，同時做出相應的措施。液晶顯示模塊的作用顯而易見，有了液晶顯示模塊，工作人員才可以更加方便快捷地觀察塔機，并對塔機更好操作。當塔機出現意外情況的時候，這種特殊模塊會準確地記錄事故前一段的數據，使人們可以吸取經驗，從而使塔機更加安全。

3）通信電子系統是由多個模塊及現代技術組合而成。同時數據又稱無線通信模塊，它的工作狀態是DTU（透明傳輸）模式，堅持“快速”的原則，其作用是連接遠程控制中心和塔機終端，是整個系統所可或缺的橋梁。而這一模塊的作用是吸納、保存一些非正常的特殊信息[4]。

4）報警和回路控制子系統的作用是對整個系統的督察和處理。其主要原理是根據采集到的工作數據，判斷是否超過預警值，當超過預警值時，通過聲、光、短信等方式報警，同時向相應的繼電器發送信號，控制塔機吊車的減速、限制運動方向或停機。例如，當某起吊重量達到額定值的90%時，限制器發出預警信號：黃色指示燈亮，蜂鳴器發出斷續聲。當起吊重量達到額定值的105%時，限制器發出報警信號：紅色指示燈亮起，蜂鳴器發出連續聲。為避免沖擊載荷引起的瞬間虛假超載，程序對數據進行濾波，如果連續超載時間超過3 s，則判定是真正的超載，并立即切斷起升回路電源。該點具有滯回特性，當起吊物的重量減少到額定起重量以下時，繼電器3 s才會恢復。當起吊重量達到額定值的110%時，繼電器動作，立即切斷起升回路電源同時紅色指示燈亮，蜂鳴器發出連續聲[5]。該點也具有滯回特性，當起吊物的重量減少到額定起重量以下時，繼電器3 s后才會恢復。

起重機總體輸出中心是通過采用一塊芯片來進行對所有信號搜索、控制燈的提示等一系列的操作，它關聯著U/R電子處理板，并且通過U/R電子處理板對操作者所進行的控制來逐一分析，然后按照之前設定好的程序完成各項任務。第一，對必須進行檢驗的橋式起重機顯示的各種數據進行研究，得到結果之后在決定采用與之相符合的傳感器，并且計算每一個傳感器在得到數據之后的處理方法；第二，依照想要得到的功能對輸出中心的硬件進行規劃，對于數據啟動電路進行規劃，對收集來的數據逐一分析、對信號傳輸接頭的樣板進行規劃、以及危險報警系統和輸出樣板等等，并且對之前計劃的電路擁有的能力進行首次檢驗；第三，把系統的每一個樣板編程，然后寫出實驗步驟，最后完成實驗并且記錄實驗數據。

2 硬件結構

系統主體硬件構造如圖2所示。

該工作系統是以Microchip公司的dsPIC40F6012芯片為中心進行研究的。第一，橋式起重機吊鉤所牽引的物體重量、在中轉過程中與起始位置之間的角度橋式起重機的工作數據，虛擬數據、電子數據或者DN485電子信號傳導進芯片內進行分析。該工作系統輔以核心之外的DN485進行連接，數字編碼器電子信號電路。第二，在數據分析期間，加入了PCD電子模板、蜂鳴器及LCD電子模板，采用每一時刻的信號進行分析并且處理。第三，該工作系統還采用了繼電器操控電路流向，突破式地開發出橋式起重機部分結構的停運模式。

3 嵌入式系統的關鍵硬件設計

3.1 傳感器接口電路

在橋式起重機工作期間，將會對前文講述的每個情況數據進行測量。綜合測量方法，針對所選感應器的供電方法及流出數據，這一設計在體系中選擇了與之對應的接口電路。

3.1.1 各類傳感器的輸出信號

所選感應器的流出數據包括虛擬數據、電子數據、RS43385通訊數據等，見表1。

表1 傳感器參數表

3.1.2 各類傳感器接口電路設計

吊鉤吊起重量、中轉弧度軟件電路策劃待測的工況數據里，吊鉤吊起重量，所用的感應器為TDW-1S拉壓感應器；中轉弧度、吊臂傾角用到的感應器為WWD36-V1弧度感應器。根據表格里面這兩個感應器的流出數據，策劃顯示的電路，將搜集到的6~20 mA的電流數據變換為3~5 V的電壓數據（即模擬數據），流入單片機的A/D變換模板。在那里面，500Ω精確電阻的作用是將4~20 mA的電流數據變換為2~10 V的電壓數據，流經兩個10 kΩ的電阻，把變換之后的電壓數據該為1~5 V的電壓數據。其中，用電容做軟件濾波。除此之外，還要雙二極管配件，分別與+5 V和0 V相連，他們的作用是預防A/D流入電路中發生太高和太低的正負電流，導致核心芯片的A/D變換通道報廢。

A相、B相的差分數據由axcis1-a-和axdis1-a+，axsis1-b-和axdis1-b+，經SN74125變換，經變換后的雙相單端數據為AXIS1_A、AXIS1_B。其中TI企業的SN74125芯片，是一種包含三態流出的多片四處理器，每對信號端都包含使能端，共模流入電壓大小基本為12 V左右，靈敏度大約為200 mV，抗干擾性優越，利用+5 V電源供電，適合在嘈雜環境中進行多點傳輸。經過改變之后的雙相單端數據AXIS1_A、AXIS1_B流入計數器LS7186，這一數據經LS7186濾波、變頻、鑒定、計數后，得到8位信號源，流入主控芯片。

RS485串連通用方式是利用平衡差分傳輸功能，該功能含有抵制共模作用且傳輸距離很遠，并且通信質量牢靠；并要求使用唯一+5 V或+3 V電源；除此之外對傳導介質物理層面并沒有任何其他規定，只要把正常的雙絞線連接在一起就可以構成網絡；當然，除了廣播通信方法之外，還有其它多種通信方法，發出引擎的接受器點最多可有32個，傳導速率有很多不同規格，得到了人們的喜愛和廣泛的利用，特別是工控機上裝有RS485接口，也因此通過RS485接口與工控機之間的通信是十分便利的。

3.2 安全報警電路

在橋式起重機工作期間，被測的工況數據一但被發現超過警戒數值，使用的系統就會發出警報，告知工作人員，它在工作期間，有一個或者幾個數字超過警戒數值，如圖3所示。

這一部分策劃分為蜂鳴器警報和指示燈警報兩個部分。在途中每個指示燈代表一項工況數據，當有一個或者多個指示燈發亮時，蜂鳴器就會發出警報，提醒工作人員。

4 起重機安全控制系統的軟件設計

硬性分級包含了硬件設置和RGE的配置，看門狗時間表象的設置，RG口的設計。設立的任務主要包括：表達控制（Task1）；分機設置（Task3），RGE顯示任務（Task2），最高級在這項任務中最低。系統結構如圖4所示。

在硬件恢復出廠設置時，操作系統默認執行功能更新，通過時間表象的設置，獨立機為用戶設計了一個服務表盤ERGG（），設立為200μs的運轉周期。幾個任務所需要的是調控系統內部的平均分配任務，棧空間大約是82字節，功能是保存數據。

4.1 測定控制任務

這項服務的級別是最高級，所以運行時間需要保證足夠切適宜因為這項任務是用來給此項服務做完整的保護和檢測工作，定時150μs。測定控制任務的主要內容是：EG采集、MH485鏈接、ICM表達。如果測定的數據與當時設定的原始數據相差較多，系統就會自動阻斷運行，并且記錄超標的數據。

4.2 起重力矩測評

矩形起重力是雙側架起類高等起重機的重要測評數據。起重力矩能夠很好地測評起重機的性質和功能，比其他類型的測量機器更能肯定兩翼架類型起重機的工作能力。在通常情況下，規定的起重機承載重量是隨兩翼臂架的起伏幅度來設定的，而最重要的數值，即起重力臂由規定的承載值和其對應的工作狀況綜合決定的，而人們根據這一工作原理，確定了一個數學表達式來科學地闡述起重機矩與工作幅度的關系，這一數學公式通常被人們稱為起重特性方程。

式中：Q為工作距離，m；q為吊臂尾端支點與回轉中心的距離，m；A為規定起重重力，kN；a為最大承載力，kN；M額為常數（常熟矩），kN·m。

根據表達式，起重機工作能力的測評過程如圖5所示。

其中：m承載重物質量；Qx重物重力；最大承載重力Qmax（即額定起重重力的90%）；Lx車輛工作度；車輛最大工作度Lmax（車輛額定工作幅度的90%）；實時起重力矩Mx。

5 結論

本次設計分析了國內橋式起重機的發展模式和現有的生產狀況，以及相關的檢測功能和技術等級，通過對我國橋式起重機安全保護系統的研究，得到了開發安全系統和檢測報警功能的設計靈感，并設計出以SAPIC30F6012獨立機型為基礎的橋式起重機計算機化安全保護的系統裝置，并在后期實驗條件下，對這一設計進行實驗測評和驗證。