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    針對門式起重機多功能安全監控系統設計的一些想法和研究

    來源:愷德爾起重機安全監控管理系統專家 發表日期: 2017-08-11 13:36:00

    一、引言 

    門式起重機是制造企業的必要設備之一,在生產中應用相當廣泛。然而,門式起重機潛在的危險因素也 較多,容易發生惡性事故。國家技術監督局先后專門制定和發布了《起重機設計規范》(GB3811-83)、《起 重機械超載保護裝置安全技術規范》(GB12602-90)、《起重機安全規程》(GB6067-85)等標準,要求各類 起重機械必須安裝安全保護裝置。因此開發新型的門式起重機多功能安全監控和保護系統是很有必要的 。 基于此,近年來國內外先后研制出一些門式起重機安全保護裝置,如載荷限制器、力矩限制器、起升高度儀 、 防碰撞裝置、風速報警器等。但它們功能單一,如果需要多種保護功能,必須安裝多臺儀器,這樣不僅價格 昂貴,也給維護和使用帶來了不便。門式起重機用戶迫切需要一種集多種功能于一體的多功能安全監控系 統,并希望門式起重機具有較強的自動控制功能及自診斷能力,以降低操作和維護的勞動強度并保證門式 起重機的安全。



    起重機用戶關心的涉及到安全方面的工況參數主要有:主鉤與副鉤的起重載荷和起升高度、大梁的 起重力矩、工作幅度、鋼絲繩狀況、風速(力)大小、起重過程中載荷振動情況以及大、小車的各種信 息(如輪子與軌道的接觸狀況、電動機轉速參數、溫度)等。如何對這些工況參數進行巡回采集、算法 處理,并實時輸出控制和提示是本系統設計的關鍵所在。



    二、門式起重機監控系統簡介


    近年來,現場總線技術、數字信號處理技術的不斷發展和漸趨成熟以及各種新型大規模集成器件的出 現,為本系統的實現奠定了技術和物質基礎。



    現場總線(Field Bus)標準及其技術是國際自動控制領域關注的熱點,對于工業控制領域,采用現場總 線的最大優點是可大量節約連接導線。維護費用和安裝費用,同時,現場總線能夠傳送多個過程變量。控制 器局域網(Controller Area Network)屬于現場總線的范疇,它是一種有效支持分布式控制(Distributed Controller)或實時控制(Real-time Controller)的串行通信網絡,是德國 Bosch 公司于 1980 年初為解決現 代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換而開發的一種串行數據通信協議,是一種通信速率可達 1Mbps 的多主總線(Multiple Master Multiple Slave,即 M3S)。



    CAN 總線通信接口集成了 CAN 協議物理層和數據鏈路層功能,可對通信數據成幀處理。它通過對通 信數據塊進行編碼,保證了網絡內節點個數的動態性,并使不同的節點同時接收到相同的數據。數據段長度 最多為8個字節,保證了通信的實時性;而協議利用 CRC檢驗提供相應的錯誤處理功能,則保證了數據通信 的可靠性。本系統利用 CAN 總線的以上特性,解決了眾多模塊(節點)之間的通信問題。



    數字信號處理器的出現使數字信號處理領域發生了革命性的變化。它采用了哈佛總線結構,數據總線 和程序總線分離,可同時進行指令的讀取和數據運算,指令基本上可以在一個機器周期內執行,片裝乘法器 硬件,具有將乘法器和累加器以流水線方式連接的總線,能高速進行連續的乘法運算和累加運算。因而其運 算能力極強,適合于大量高速信號的處理領域,自從問世以來,在短短不到 20 年的時間內,便迅猛發展,得到 了極為廣泛的應用。



    三、 系統總體結構簡圖


    本系統基本組成,如圖 1 所示。系統由一個主節點(中央處理單元)、一個智能節點和 6 個最小系統 節點組成。最小系統節點包括拉力傳感器節點 1(主鉤)、拉力傳感器節點 2(副鉤)、風力傳感器節點 3 、 防碰撞傳感器節點 4、高度傳感器節點 5(主鉤)、高度傳感器節點 6(副鉤)等,各節點分別負責采集不 同的信號,并進行 A/D 轉換(個別節點則不用進行 A/D 轉換,如高度節點的增量式光電編碼盤可直接得到 數字信號),然后通過現場總線與主節點通信。各模塊之間的最大總線長度不超過 130 米,位速率定為 500kbps,總線定時為:BTR0,01H;BTR1,1CH。


    2.1 主節點(中央處理單元)


    系統主節點結構原理圖,如圖 2 所示。 中央處理器采用美國模擬器件公司生產的 ADSP2105。它是一種高性價比、性能成熟的 DSP 器件, 在一個 100ns 周期內,可以完成如下操作:取兩個操作數,修改指向操作數的地址單元,使兩個操作數相乘 并將結果累加到一個 40 位的和中。由于程序循環在硬件內完成,所以每 100ns 能執行一次這些高級指令 的操作。WSI 的 PSD311 可編程外圍器件有效地將可編程邏輯、I/O 端口和存儲器集成在一塊芯片上,可 以實現本系統的外圍功能。ADSP2105 在與 PSD311 等外圍器件聯絡方面提供了很大的時序靈活性。它 可以為 4 個分開的存儲器空間中的每一個單獨分配等待狀態數量,以適應很寬的時序差別。我們在 ADSP2105 的 “ 等待寄存器”為 EPROM、RAM 和外部存儲器的選通脈沖安排 1 個等待狀態,即 200ns 周期 時間,以滿足 PSD311 120ns 器件的時序要求。由于總線的通路布在 ADSP2105 的里面,PSD311 的數據線 與 D15~D8 連接。ADSP2105 的 “ D22”線提供 PSD311 的 “ A14”地址線,BMS(Boot Memory Select)充當 EPROM 的片選并與 PSD311 的 “ A19”輸入相連接。 選用 SJA1000 作為 CAN 控制器,驅動器使用 CAN 控制器接口芯片 PCA82C250。EEPROM 用作數據 RAM,用于保存設置輸入的關鍵數據,以防掉電時丟失。



    2.2 智能節點


    智能系統節點原理示意圖,如圖 3 所示。Philips 公司的 80C592 芯片是 8 位高性能微控制器,是現有 80C522 和 CAN 控制器 PCA82C200 的功能組合,并具有 8 路模擬量輸入通道的 10 位 A/D 轉換器和兩級 優先權的 15 個中斷源。PSD311 用作其外圍 ROM、RAM 和譯碼芯片。80C52 利用自帶的 ADC 將下車 傳感器采集的各種模擬/數字信號轉換成數字信號(只對模擬信號),經 CAN 部件送至系統主節點;并接收 主節點來的輸出信號,控制大車的各種電氣元件及執行機構。 圖3 智能系統節點原理示意圖 Fig.3 c Schematic t intelligent system nodes 2.3 最小系統節點 最小系統節點使用了 ISO/DIS11898 標準連接方法,如圖4 所示。P82C150 是帶位速率自動檢測和校 正的包括 CAN 協議控制器的單片 16 位 I/O 器件。它的 16 條 I/O 口線的方向、數字與模擬方式均可編程 選擇。自帶的包含 6 路模擬輸入通道的 10位 A/D 轉換器具有 0.1%的精度,完全可以滿足系統的精度要求。 系統能夠實時對各路傳感器信號進行巡回采樣,經過計算得出相應工況下的門式起重機實際工況參 數,并與標準工作參數比較,當達到極限值的 90%時預報警,超過 100%時報警,并強制停止控制。這時起重 機不能繼續向危險方向動作,如行走、起升等。系統還提供了友好的人機界面,用戶可以方便地完成特定的 工作參數設置及調試、標定等輔助功能,根據顯示屏幕和語音提示實時了解相關的工況參數,以便及時作出 相應的操作。 系統最大的特性是可以根據門式起重機的具體情況動態地增刪節點(CAN 監控模塊)。高性能的 DSP 和外圍器件 PSD 保證了系統的柔性、強壯性和可擴展性。



    四、結束語


    一體化門式起重機安全監控系統是未來起重機安全監控系統的發展趨勢,它將逐步取代單一功能的 安全保護裝置,如載荷限制器、力矩限制器、起升高度儀、防碰撞裝置、風速報警器等而成為市場主流產品。

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