戎冰雪

【摘 要】由于舉重運(yùn)動(dòng)的高危險(xiǎn)性，以及當(dāng)前對(duì)舉重運(yùn)動(dòng)員保護(hù)措施的缺乏，本文提出了一種基于PLC的舉重保護(hù)裝置。舉重保護(hù)裝置采用拉力傳感器檢測(cè)杠鈴的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，使用PLC對(duì)拉力信號(hào)進(jìn)行分析處理并通過(guò)變頻器對(duì)電機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，使杠鈴適中處于可控的狀態(tài)。該設(shè)計(jì)可以對(duì)舉重運(yùn)動(dòng)員提供有效的保護(hù)措施，降低舉重運(yùn)動(dòng)的危險(xiǎn)性。

【關(guān)鍵字】舉重;PLC;電機(jī);拉力傳感器

中圖分類號(hào)： TS952.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）03-0229-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.03.095

PLC based weight protection device

RONG Bing-xue

（Henan Experimental Wenbo School High School，Zhengzhou Henan 450002，China）

【Abstract】Due to the high risk of weightlifting and the lack of protective measures for weightlifters，a new weight lifting protection device based on PLC is proposed.The weight protection device uses a tension sensor to detect the motion state of the barbell，uses PLC to analyze and process the tension signal，and sends a control signal to the motor through the inverter，so that the barbell is moderately controlled.The design can provide effective protection measures for weightlifters and reduce the risk of weightlifting.

【Key words】Weightlifting;PLC;Electrical machinery;Tension sensors

0 引言

舉重是一項(xiàng)歷史悠久的運(yùn)動(dòng)，既可以鍛煉身體，又可以用來(lái)測(cè)試人的體力。古希臘人、羅馬人曾用舉重訓(xùn)練士兵，中國(guó)早在兩千多年前就有舉重高度記錄，從晉代到清代，舉重一直作為武考的科目之一?，F(xiàn)代舉重運(yùn)動(dòng)18世紀(jì)末開(kāi)始興起，逐漸被列為正式比賽項(xiàng)目。從1896年希臘舉行的第一屆奧運(yùn)會(huì)，舉重開(kāi)始成為正式的國(guó)際比賽項(xiàng)目。舉重與健力和健美相比，門檻要求較高，除對(duì)力量的要求外，對(duì)技巧和身體協(xié)調(diào)要求也很高，舉重過(guò)程涉及多次重心轉(zhuǎn)移，除了需要各種單一方向的最大絕對(duì)力量以外，還需要精確的力量轉(zhuǎn)移與卸除的技巧、爆發(fā)力以及全身協(xié)調(diào)性。正是因?yàn)榕e重能夠訓(xùn)練最大力量、爆發(fā)力、協(xié)調(diào)性以及靈活度，所有許多其他種類的專項(xiàng)運(yùn)動(dòng)（例如籃球等），也會(huì)把舉重列入訓(xùn)練計(jì)劃表。舉重訓(xùn)練，還有增強(qiáng)力量、增加快肌纖維、增加身體協(xié)調(diào)性、增強(qiáng)心血管功能、燃燒脂肪等作用，所有在健身房中，經(jīng)常可以看到進(jìn)行舉重鍛煉的身影。但是，舉重作為一種挑戰(zhàn)極限的運(yùn)動(dòng)，經(jīng)常造成肩、肘、腕、腰、膝關(guān)節(jié)等關(guān)節(jié)損傷[1]，危險(xiǎn)系數(shù)非常高。歷屆奧運(yùn)賽場(chǎng)上，舉重意外時(shí)有發(fā)生，如2008年北京奧運(yùn)會(huì)，匈牙利選手亞諾什，2012倫敦奧運(yùn)會(huì)，韓國(guó)名將史載赫，2012年倫敦奧運(yùn)會(huì)，德國(guó)選手馬蒂亞斯-施泰納，2016年里約奧運(yùn)會(huì)亞美尼亞選手卡拉佩特?fù)P等。在網(wǎng)上搜索“舉重+意外”，健身房中發(fā)生的意外也比比皆是。

目前，舉重運(yùn)動(dòng)的保護(hù)措施一般從兩方面進(jìn)行，一方面是提前訓(xùn)練以降低安全隱患，文獻(xiàn)[1-2]提出通過(guò)運(yùn)動(dòng)前心理和生理上的訓(xùn)練來(lái)預(yù)防舉重運(yùn)動(dòng)中的安全隱患，并可以采用康復(fù)訓(xùn)練加快受傷部位的恢復(fù)，但是該類方法只是減小了事故發(fā)生率，對(duì)于舉重運(yùn)動(dòng)中正在發(fā)生意外事故的運(yùn)動(dòng)員沒(méi)有任何保護(hù)作用;另一方面是采用裝備輔助的方式，在事故發(fā)生時(shí)降低事故的危害，文獻(xiàn)[3]采用液壓伺服原理，在運(yùn)動(dòng)員舉重時(shí)，使保護(hù)裝置始終跟隨杠鈴運(yùn)動(dòng)，以保證托架始終處于杠鈴正下方，當(dāng)運(yùn)動(dòng)員對(duì)杠鈴失去控制時(shí)，托架及時(shí)托住杠鈴，防止墜落壓傷運(yùn)動(dòng)員，但是該方法將壓力傳感器設(shè)置在杠鈴內(nèi)部，可靠性低，機(jī)械結(jié)構(gòu)與電子設(shè)計(jì)都較為復(fù)雜，使用不便;文獻(xiàn)[4]對(duì)加壓舉重服在抓舉發(fā)力階段的關(guān)節(jié)受力、彎曲度等方面做了功能分析，分析指出加壓舉重服更有利于舉重運(yùn)動(dòng)員的力量輸出與脊柱穩(wěn)定，可以起到一定的保護(hù)作用，但是，當(dāng)杠鈴失控事故發(fā)生時(shí)，加壓舉重服對(duì)舉重運(yùn)動(dòng)員沒(méi)有保護(hù)作用。

為了保護(hù)舉重運(yùn)動(dòng)員在舉重過(guò)程中免收損傷，本文設(shè)計(jì)了一種基于PLC的舉重保護(hù)裝置。基本原理是將杠鈴與鋼絲繩相連，通過(guò)拉力傳感器將鋼絲繩中的拉力信號(hào)傳輸?shù)絇LC中，改變變頻器的輸出頻率對(duì)電機(jī)進(jìn)行精確控制，電機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)輪實(shí)現(xiàn)對(duì)杠鈴的控制，該裝置還可以手動(dòng)操作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便。

1 系統(tǒng)工作原理

本設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，主要包括主控板、電機(jī)、拉力傳感器、杠鈴、鋼絲繩以及其他支撐裝置等，其中主控板主要由PLC控制器和變頻器組成。

系統(tǒng)工作時(shí)，舉重運(yùn)動(dòng)員在檢測(cè)裝置沒(méi)有連接錯(cuò)誤后，打開(kāi)電源，PLC、變頻器、電機(jī)、拉力傳感器、限位開(kāi)關(guān)等裝置上電工作;拉力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)鋼絲繩中的拉力信號(hào)，并傳輸?shù)絇LC中;PLC將拉力傳感器的拉力信號(hào)與預(yù)設(shè)的拉力值相比較，判斷杠鈴是否處于失控狀態(tài)，再輸出相應(yīng)的控制信號(hào)給變頻器;變頻器接收到PLC的控制信號(hào)后，輸出一定頻率的電壓信號(hào)給電機(jī)，使電機(jī)以一定速度轉(zhuǎn)動(dòng);電機(jī)使鋼絲繩始終處于緊繃、但又不影響運(yùn)動(dòng)員舉重的狀態(tài)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)員因?yàn)椴僮魇д`使得杠鈴?fù)蝗皇Э叵侣鋾r(shí)，拉力傳感器會(huì)檢測(cè)到一個(gè)突變的較大拉力值，并傳輸給PLC進(jìn)行分析對(duì)比，PLC輸出相應(yīng)的控制信號(hào)給變頻器使電機(jī)停轉(zhuǎn)，讓杠鈴立即停止下落，達(dá)到保護(hù)運(yùn)動(dòng)員的目的。限位開(kāi)關(guān)作為預(yù)防措施，可以在電機(jī)過(guò)轉(zhuǎn)和拉力傳感器損害時(shí)將杠鈴的活動(dòng)范圍控制在對(duì)運(yùn)動(dòng)員和設(shè)備都安全的范圍內(nèi)。為了能夠方便的移動(dòng)和操作杠鈴，該系統(tǒng)還有手動(dòng)操作的功能，通過(guò)按鈕控制PLC發(fā)出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)杠鈴的上升與下降。

2 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣系統(tǒng)是本設(shè)計(jì)的核心部分，其中主要包括PLC、變頻器、拉力傳感器、電機(jī)，如圖2所示，限位開(kāi)關(guān)和拉力傳感器的信號(hào)傳入PLC中，PLC通過(guò)變頻器控制電機(jī)。

其中，PLC是核心控制部件，相對(duì)于其他處理器具有可靠性高、耐用性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)選用西門子S7-221的PLC作為控制器，該型號(hào)擴(kuò)展性好、可靠性高、操作簡(jiǎn)單。PLC接220V電源，同時(shí)接收拉力傳感器和限位開(kāi)關(guān)的信號(hào)，并輸出調(diào)節(jié)信號(hào)到調(diào)頻器。

限位開(kāi)關(guān)又叫行程開(kāi)關(guān)，被用來(lái)限制機(jī)械運(yùn)動(dòng)的位置或行程，使運(yùn)動(dòng)機(jī)械按一定位置或行程自動(dòng)停止、反向運(yùn)動(dòng)、變速運(yùn)動(dòng)或自動(dòng)往返運(yùn)動(dòng)等，可被分為接觸式與非接觸式。本文采用松下PM-L45光電式非接觸式限位開(kāi)關(guān)，具有體積小、可靠性強(qiáng)、靈敏度高、防止機(jī)械磨損等優(yōu)點(diǎn)。限位開(kāi)關(guān)直接與PLC 的I/O口相連。

拉力傳感器選用額定負(fù)載大于300KG，靈敏度2+0.05mv/v的傳感器。拉力傳感器的輸出信號(hào)為與所受拉力成正比的毫伏級(jí)電壓信號(hào)，PLC的模擬量輸入模塊無(wú)法直接處理，故采用經(jīng)濟(jì)型放大器RW-ST01將信號(hào)放大到0～10V的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)過(guò)程信號(hào)供PLC的模擬量模塊處理。該連接方法系統(tǒng)靈活、編程方便、系統(tǒng)反應(yīng)速度快。

變頻器通過(guò)接收PLC的控制信號(hào)，輸出不同頻率、不同電壓的控制信號(hào)來(lái)控制交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，變頻器還具有如節(jié)能、過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載保護(hù)等保護(hù)功能。接線過(guò)程中，PLC和變頻器上的RS485通訊接口相連，采用PLC編程通信控制，這種連接方式可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，具有速度變換平滑、速度控制精確，適應(yīng)性好等特點(diǎn)。

電機(jī)選用功率為600～700W、最大轉(zhuǎn)速為1500r/min的交流繞線異步電機(jī)，其實(shí)際轉(zhuǎn)速與變頻器輸出頻率成正比。在變頻器與電機(jī)的放置方面，由于變頻器輸出的電壓波形不是正弦波，包含有大量的諧波成分，其中的高次諧波會(huì)使變頻器輸出電流增大，造成電機(jī)繞組發(fā)熱、產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲、加速絕緣老化等，并且各種頻率的諧波會(huì)向空間發(fā)射一定程度的無(wú)線電干擾，因此，需要把變頻器安放在電機(jī)附近。

3 總結(jié)

本文提出的舉重保護(hù)裝置，通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)與電氣裝置相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)舉重保護(hù)，其中，通過(guò)拉力傳感器反饋拉力信號(hào)，使用PLC對(duì)拉力信號(hào)實(shí)時(shí)處理，再控制電機(jī)實(shí)施保護(hù)。目前，舉重保護(hù)裝置的研究并非熱點(diǎn)，但是隨著人們物質(zhì)和精神生活的日益豐富，人們對(duì)體育運(yùn)動(dòng)也會(huì)有更多的關(guān)注。該舉重保護(hù)裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，行之有效，能夠極大地保護(hù)舉重運(yùn)動(dòng)員和鍛煉者的安全，具有良好的應(yīng)用前景。

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