胡江林 胡全英

摘? 要： 基于橋式起重機的基本工作原理，設(shè)計了橋式起重機高精度起升高度顯控系統(tǒng)。整個系統(tǒng)的設(shè)計包括3個部分：編碼器信號和脈沖整形采集系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)方向的判斷和脈沖輸出系統(tǒng)，脈沖計數(shù)、高度計算和繼電器輸出系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計科學合理，可以有效減少橋式起重機械因高度檢測控制問題而在生產(chǎn)作業(yè)中發(fā)生的人身傷亡事故以及設(shè)備損壞事故，大大提高起重機的工作效率。

關(guān)鍵詞： 橋式起重機; 高精度起升高度顯控器; 設(shè)計

中圖分類號： TH 215? ? ? ? ? 文獻標志碼： A? ? ? ? ? 文章編號： 1671-2153（2019）01-0102-03

0? 引 言

目前大多數(shù)起重設(shè)備的起重高度完全靠操作人員或者地面指揮人員目測，同時起升設(shè)備的預(yù)限位和極限位的設(shè)置通常都是靠與卷筒同軸的機械限位來設(shè)置和控制的，這就存在一定的局限性，同時預(yù)限位和極限位的設(shè)置不夠精確而且因為品類繁多設(shè)置麻煩且易損壞?；谝陨显颍鞠到y(tǒng)利用電機附帶的編碼器獲得起升的信號，通過對編碼器數(shù)據(jù)的檢測和判斷來累計計數(shù)，并通過相關(guān)計算直接顯示高度值。同時可以分別設(shè)置上下兩組預(yù)限位和極限位的高度，設(shè)置簡單耐用。對于起升電機帶編碼器的裝置無論常規(guī)起升系統(tǒng)還是變頻控制系統(tǒng)同樣適用，且變頻系統(tǒng)中不影響變頻器或其他設(shè)備的正常工作[1]。

1? 本系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。圖1中，系統(tǒng)供電電源為AC220V，接通供電電源后，通過DC/DC模塊變換成直流12 V電源。一路供給采樣保護整形電路，另一路供給微處理器電路。編碼器信號經(jīng)過采樣保護整形、隔離變換電路處理后送至微處理器進行計數(shù)、運算和高度顯示數(shù)碼管的驅(qū)動。最后，按鍵進行限位和變比系數(shù)的設(shè)置等操作。

2? 系統(tǒng)設(shè)計

橋式起重機主要包括以下3個系統(tǒng)：編碼器信號和脈沖整形采集系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)方向的判斷和脈沖輸出系統(tǒng)以及脈沖計數(shù)、高度計算和繼電器輸出系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計的思路如圖2所示。該系統(tǒng)的特點如下：第一，讓起升高度更準確和直觀的顯示出來，并且起升高度控制更準確方便，節(jié)省地面的指揮資源。第二，本系統(tǒng)可替代常用機械限位，且系統(tǒng)精度高、量程廣，精度為0.01 m，范圍為-99～327.66 m，可以任意設(shè)置4組限位值，并給出最大電流為5 A的干結(jié)點輸出，能替代常用機械限位的所有功能[4]。第三，本設(shè)備體積小巧功耗低，輸入為AC220V電源。自帶編碼器電源，繼電器輸出，與外部電路隔離安全性高，安裝替換方便。第四，本設(shè)備面板簡潔、按鍵少、顯示直觀，通過數(shù)碼管顯示以及輔助發(fā)光二極管指示。該設(shè)備設(shè)置簡單，突然斷電也不會丟失數(shù)據(jù)。

2.1? 編碼器信號和脈沖整形采集系統(tǒng)

編碼器信號采集處理電路，其包括順序電性連接的電平自動轉(zhuǎn)換電路、施密特整形電路、信號放大電路、信號轉(zhuǎn)換電路，如圖3所示。圖3中，電平自動轉(zhuǎn)換電路由4個二極管DA1，DA2， DA3，DA4組成橋式電路;橋式電路的兩端分別接入一比較電源VCC1，將該橋式電路的輸入端分別與編碼器信號輸入端相連。并且該橋式電路的輸入端與編碼器信號輸入端之間還設(shè)計有一上拉電阻R5和R7，以適應(yīng)集電極輸出類型編碼器。

本電路可以有效的濾除現(xiàn)場產(chǎn)生的高感應(yīng)電壓和其他諧波干擾，而且在高頻脈沖傳輸時保護效果好，輸入信號不會發(fā)生畸變。本系統(tǒng)IC1帶施密特整形功能，抗干擾能力強。常見編碼器的電源電壓在5～30 V之間，且常見輸出形式有推挽式和集電極開路兩種，本系統(tǒng)的R1和R2是應(yīng)對集電極開路的編碼器而設(shè)計，且對推挽式編碼器使用無任何影響。所以此電路適用于常見所有增量編碼器。

整形部分采用新型的施密特整形電路的輸入端與橋式電路的輸入端相連，且該施密特整形電路包括兩組相互分別并聯(lián)在橋式電路的輸入端處的反相器組，其中，反相器組包括3個相互串聯(lián)的反相器CD40106和兩個CD4049。當信號經(jīng)過CD40106之后，再通過CD4049反相器進行邏輯電平轉(zhuǎn)換并用以驅(qū)動高速光耦工作，這種方式對于輸入脈沖信號有形變和畸形的具有很好的整形處理能力及輸出驅(qū)動力，使本系統(tǒng)采集到的信號更接近真實的方波信號，使后級處理更迅速準確[2-3]。

2.2? 旋轉(zhuǎn)方向的判斷和脈沖輸出系統(tǒng)

當脈沖信號經(jīng)過施密特整形校正電路處理后驅(qū)動高速光耦工作，作一個電平的轉(zhuǎn)換，以適應(yīng)各種電壓等級不同的編碼器，具體原理如圖4所示。圖4中，當脈沖信號輸入至高速光耦時，驅(qū)動內(nèi)部發(fā)光二極管發(fā)光，進而導(dǎo)致光耦內(nèi)部的光敏三極管導(dǎo)通，高速光耦供電與CD4013為同一路供電電源，光耦輸出的最大幅值接近其供電電壓。

信號放大電路包括兩個串聯(lián)電阻R6，R8及一個高速光耦OP1，兩個串聯(lián)電阻R6和R8兩端分別接在兩個反相器組的輸出端，并使該高速光耦的兩個輸入端與兩個電阻R6和R8之間的結(jié)點電性相連，該信號轉(zhuǎn)換電路為一個4輸入與非門。

正常工作時，編碼器輸出的A和B 兩個通道信號在相位上相差90°，正轉(zhuǎn)A比B超前90°，反轉(zhuǎn)B比A超前90°。本系統(tǒng)利用4輸入與非門將2個相位相差90°的信號根據(jù)超前和滯后的關(guān)系處理后輸出方向信號以及脈沖信號，并將該信號送入單片機進行計算處理，從而使A和B通道信號最終轉(zhuǎn)換為單脈沖信號和方向信號，使傳輸信號更簡潔，為后級減輕計算量的同時使反應(yīng)更迅捷準確。

2.3? 脈沖計數(shù)、高度計算和繼電器輸出系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用PIC16F87X系列單片機，其特點是高速度、低功耗、功能齊全，內(nèi)部含有FlashROM，RAM，EEPROM，捕捉/比較器，串行通訊接口，定時計數(shù)器中斷控制器和中央處理器等;能夠在最少的外部元件下實現(xiàn)所需要的功能。在本系統(tǒng)中，通過串口SPI輸出時鐘和數(shù)據(jù)驅(qū)動74HC595，每個74HC595驅(qū)動一位，以顯示實際高度值。預(yù)設(shè)限位值是根據(jù)設(shè)置的限位參數(shù)對比實際限位設(shè)定值給出輸出信號以驅(qū)動繼電器并通過干接點給出開關(guān)信號供起升控制部分處理。本系統(tǒng)能同時設(shè)置上下4組預(yù)設(shè)限位值，同時本處理器內(nèi)部自帶EEPROM能夠在斷電時存儲所有相關(guān)參數(shù)和數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)有兩種計算方式（通過按鍵進行設(shè)置）：手動設(shè)置變比系數(shù)和自動計算系數(shù)方式。

手動設(shè)置變比系數(shù)原理是：普通起升裝置的驅(qū)動電機和變速器、鋼絲繩滑輪組、鋼絲繩卷筒的變比都是固定的，如果知道電機每轉(zhuǎn)一圈鋼絲繩行程和整個系統(tǒng)的變比，可以通過比例運算計算出物體實際起升的高度，其計算公式為

電機實際轉(zhuǎn)動圈數(shù)通過編碼器的脈沖信號經(jīng)過處理計算所得。這種計算方式需要通過查詢所使用的減速機和滑輪組以及卷筒標稱數(shù)據(jù)來獲得。

當這些數(shù)據(jù)難以獲得時可使用自動計算系數(shù)方式。該處理方式的原理是：在任意高度設(shè)置為零位，然后根據(jù)單片機的設(shè)置引導(dǎo)，通過上升或者下降標準為1 m的高度，記錄其脈沖數(shù)作為單位值，系統(tǒng)自動根據(jù)編碼器輸入的脈沖信號計算出總的變比系數(shù)從而計算其高度值。這種計算方式的特點是簡單，無需復(fù)雜的查詢計算，初始設(shè)定的零位可以隨時通過設(shè)置更改而不改變自動計算的變比系數(shù)值。

最終單片機將計算所得的實際高度值顯示在數(shù)碼管上，在系統(tǒng)斷電時具有數(shù)據(jù)記憶功能，設(shè)置的參數(shù)及當前高度數(shù)據(jù)上電后自動恢復(fù)。

3? 結(jié)束語

本文基于橋式起重機的基本工作原理，設(shè)計了橋式起重機高精度起升高度顯控系統(tǒng)。整個系統(tǒng)的設(shè)計包括3個部分：編碼器信號和脈沖整形采集系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)方向的判斷和脈沖輸出系統(tǒng)，脈沖計數(shù)、高度計算和繼電器輸出系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計科學合理，可以有效減少橋式起重機械因高度檢測控制問題而在生產(chǎn)作業(yè)中發(fā)生的人身傷亡事故以及設(shè)備損壞事故，大大提高起重機的工作效率。通過多年的實踐證明，工作人員在操作橋式起重機的過程中，還要不斷加強橋式起重機設(shè)備的點檢、維護、潤滑管理，加強操作人員的責任意識和安全意識，不斷加強學習和管理，加強對常見事故的預(yù)防能力，才能最大限度的避免安全事故的發(fā)生[5]。

參考文獻：

[1] 沈琛林.橋式起重機模擬器系統(tǒng)構(gòu)建及關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 武漢：武漢理工大學，2010.

[2] 金文成.基于西門子PLC的橋式起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)[D]. 大連：大連理工大學，2014.

[3] 陳玉雙.基于OGRE的橋式起重機仿真訓練模擬器的設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 武漢：華中科技大學，2013.

[4] 陳怡明，侯星杰. 新型的橋式起重機設(shè)計[J]. 輕工科技，2015（2）：40-41.

[5] 汪思軍. 橋式起重機的安全管理問題分析與處理[J]. 工程技術(shù)（引文版），2016（12）：00057.