韋炳機

摘要：PVF帶是一種韌性好、黏性強、抗紫外線能力好的聚氟乙烯材料，是目前橋梁拉索保護應用領域中一種較好的材料。文章針對橋梁拉索PVF帶的纏包應用，介紹了PVF帶纏包控制系統(tǒng)的硬件構成、電路設計以及軟件實現方法，并分析了該系統(tǒng)的纏包效果與工作效率。

關鍵詞：PVF帶;橋梁拉索;單片機;聯(lián)動驅動

中國分類號：U443.38文章標識碼：A291124

0 引言

拉索作為一種高效承受拉力的結構構件在斜拉索橋梁的建設中有著廣泛的應用[1]。在過去的十幾年里全世界修建的斜拉橋越來越多，拉索作為橋梁重要的承重構件，其健康防護儼然成為橋梁防護工作的一項重要內容。拉索布置在橋面上方，長期處于高強度應力狀態(tài)，曝露在復雜的自然環(huán)境中，PE護套防腐層容易過早地老化損壞，導致水、氧及腐蝕因子等的入侵，從而引起拉索內部結構的銹蝕，威脅橋梁的安全[2]。拉索PE護套表面的狀況及內部腐蝕狀況是評估拉索體系健康安全的一項重要參數[3]。

PVF薄膜膠帶是一種新型拉索PE護套保護材料。在斜拉索外層纏包上PVF薄膜帶，可以對PE護套起到很好的保護作用。該方法在國內外都已經被采用，但因缺乏相應的PVF帶智能纏包設備，阻礙了此技術的發(fā)展[4]。目前國內橋梁拉索的PVF帶纏包主要還是采用人工手動的方法進行，工作效率低下，PVF帶纏包質量不穩(wěn)定。所以設計開發(fā)一種PVF帶智能纏包的系統(tǒng)對橋梁健康維護的建設具有重要的意義。

本文研究的目的是建立基于四聯(lián)動電機的橋梁拉索PVF帶智能纏包的系統(tǒng)設計，即利用單片機主控器偵聽人機交互界面下達的指令，根據指令操作兩個行走電機和兩個旋轉電機動作，在電機轉速的反饋條件下，協(xié)調四個電機的聯(lián)合動作，最終實現行走電機速度與旋轉電機速度的科學配比，保障PVF帶纏包重疊質量的穩(wěn)定。系統(tǒng)設計的手持控制器能為系統(tǒng)的應用提供更便捷的方法。期望該系統(tǒng)設計能為橋梁拉索PVF帶的纏包工作提供智能、便捷、高效、穩(wěn)定的技術保障。

1 PVF帶纏包機的系統(tǒng)硬件構成及原理

1.1 系統(tǒng)的硬件構成

系統(tǒng)主要由發(fā)電機供電組、系統(tǒng)控制器、無線手持設備及行走、PVF帶纏包機等構成。MCU控制器通過RS485總線與四路電機驅動模塊進行通信，通過配置四路電機驅動的參

數實現四路電機的聯(lián)合動作操作，再配合4臺電機的實時轉速反饋，實現用戶設置的功能智能適應;通過RS232總線與433 MHz的無線收發(fā)模塊、HMI顯示屏進行通信，偵聽及響應用戶指令功能。見圖1。

1.2 系統(tǒng)直流電機驅動主要電路設計

系統(tǒng)直流電機的驅動總共有4組，驅動電路模塊主要由通信電路及功率驅動電路構成，通信電路采用磁隔離的方式來降低因電機運行而引入的電磁干擾，提高通信的可靠性。直流電機驅動電路主要采用16片場效應管PSMN009和8片IR2103S半橋驅動芯片設計成的4個H橋直流電機驅動電路。設計中的PSMN009導通阻抗RDS（ON）<9 m[WTBZ]Ω，可通過的最大電流ID=100 A，DS端最大電壓VDSS=100 V。IR2103S是一款高壓、高速功率MOSFET和IGBT的柵極驅動器，兼容標準的CMOS邏輯輸入和LSTTL輸出，以及兼容多種類型電平的主控器，在很大程度上降低了H橋功率驅動電路系統(tǒng)的設計難度。圖2所示的直流電機半橋驅動單元示意圖中，Q1、Q2為N溝道場效應管（PSMN009）;高速開關二極管D2、D3和電阻R2、R3的作用是降低削弱半橋驅動芯片（HO/IO）輸出的過應力，達到保護功率管的作用;自舉二極管D1和電容C1構成自舉電路為電橋高壓側端驅動提供懸浮驅動電壓，其中自舉二極管選擇高速開關管IN4148，電容選擇高質量的鉭電容且耐壓值為35 V;為使直流電機正常工作，電路的控制流程是當PWM源作用在IR2103的2腳（HIN）上時，3腳必須提前拉低以關斷低側端的場效應管的導通;同時另一半橋電路的2腳拉低關斷高側端的場效應管，3腳拉高打開低側端的場效應管。

1.3 通信接口電路設計

系統(tǒng)通信接口采用電源隔離及磁隔離雙重保護來提高通信的抗干擾能力，如圖3所示圖中U10是通信隔離電源B0505S，該電源模塊具有體積小、性能穩(wěn)定、可靠性高且紋波最大值僅有100 mVp-p[5]的特點。U4是一款帶有磁隔離功能的工業(yè)RS485通信集成芯片ADM2483，它能為電機應用領域中數據的可靠通信提供一個較優(yōu)的解決方案。

1.4 MCU主控器

Stm32f103是一款高性能、低成本且接口豐富的增強型單片機，它被廣泛應用于各個領域的嵌入式開發(fā)。下頁圖4為系統(tǒng)的主控單片機電路圖。

2 系統(tǒng)軟件及人機交互界面設計

2.1 系統(tǒng)控制的軟件流程

系統(tǒng)控制器實時監(jiān)聽本地的HMI控制屏及無線手持控制設備發(fā)出的操作指令，當控制器接收到數據時，先判斷數據類型是控制指令還是寫參數指令，然后進入相應指令的功能區(qū)響應指令的操作。具體流程如下頁圖5所示。

2.2 系統(tǒng)HMI界面的設計

系統(tǒng)的人機交互界面設計中，本地控制和手持設備上的HMI操作媒介均采用可觸摸的TFT彩屏完成設計且兩者的操作界面風格一致，它們與MCU控制器的接口分別以RS485的方式有線對接及433M無線

數據接口對接。HMI的操作界面上，主要有四個操作按鈕控件，分別對應啟動順、啟動逆、停止、后退。其中啟動順、啟動逆指的是啟動設備后PVF帶順時針、逆時針纏繞工作方式的選擇。該系統(tǒng)還具有電機的實時轉速監(jiān)控、電機的轉速參數修改及PVF帶的纏包疊加比例設定滑條等功能，具體界面見圖6。

3 系統(tǒng)設備的實驗數據、纏包效果及經濟分析

3.1 實驗結果的數據分析

在實驗中，設定帶動PVF帶纏包的旋轉電機固定轉速為850 r/min不變，將重疊帶的比例值按10%的步進值做10組實驗并用分辨率為1 mm刻度的軟尺進行人工測量，測量方法是在對應的實驗區(qū)域隨機檢測5個固定位置點的PVF帶重疊寬度，并記錄數據。

由表1測量結果可知，結合設備的實際運行狀態(tài)可知操作結果的誤差主要是轉盤帶動PVF帶旋轉時，由于轉盤配重失衡而造成的局部作業(yè)結果誤差。表1的實驗數據顯示，系統(tǒng)實驗操作完成的結果與設置的10組重疊比例參照數據對比分析，分析的結果是PVF帶智能纏包系統(tǒng)的纏包效果穩(wěn)定在2 mm以內的誤差，由此可見所設計系統(tǒng)的工作結果具有良好的穩(wěn)定性。

3.2 操作結果的效率及經濟分析

在實際應用中，PVF帶重疊率為50%時，設備以850 r/min轉速行走，以800 r/min轉速進行纏包。根據實際操作在使用該參數工作情況下設備完成5 m長度的拉索纏包需要1 min。以對300 m長度的拉索進行纏包作業(yè)計算，使用智能纏包設備纏包需時60 min，人力2人;而采用同樣人力進行手動纏包，在不間斷工作的前提下按平均10 s一圈的纏包速度，則300 m長度的拉索纏繞600圈耗時約99 min。由此可見，PVF帶智能纏包設備的工作效率明顯比人工要高，而且隨著需要纏包的拉索長度變長，效果更加明顯;此外利用設備纏包PVF帶，長時間內能保證PVF帶的重疊比例在很小的范圍內變化而人工卻無法保證;同時采用智能化設備工作，可以降低工人的工作強度，減少因高空長時間作業(yè)可能引起的一系列安全事故的發(fā)生。

4 結語

本文主要介紹了PVF帶纏包控制系統(tǒng)的硬件構成、電路設計以及軟件實現方法。其主要包括系統(tǒng)通信電路的設計，中小功率直流電機驅動電路設計，核心主控制器設計，軟件實現方法的控制流程及HMI控制界面的設計;該設計實現了基于四聯(lián)動電機的橋梁拉索PVF帶纏包系統(tǒng)在實際橋梁施工項目中的應用，能有效提高拉索PVF帶的纏包工作效率及纏包的質量。

參考文獻：

[1]羅 帥，劉紅軍，王 剛.斜拉索-調諧質量阻尼器系統(tǒng)復模態(tài)分析[J].哈爾濱工業(yè)大學學報，2012，44（6）：58-61，148.

[2]吳昱[HTXH1]劼.橋梁拉索的環(huán)境腐蝕損傷控制研究[J].遼寧：建筑與預算，2018（9）：31-33.

[3]趙 軍，朱建龍，薛花娟.橋梁拉索環(huán)境腐蝕損傷控制的有效途徑[J].北京：公路，2007（7）：66-69.

[4]盧民娟.PVF薄膜熱分解特性及粘接性能研究[D].北京：北京化工大學，2014.

[5]郭天祥.51單片機C語言教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.