一、引言 

門(mén)式起重機(jī)是制造企業(yè)的必要設(shè)備之一,在生產(chǎn)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛。然而,門(mén)式起重機(jī)潛在的危險(xiǎn)因素也 較多,容易發(fā)生惡性事故。國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局先后專(zhuān)門(mén)制定和發(fā)布了《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB3811-83）、《起 重機(jī)械超載保護(hù)裝置安全技術(shù)規(guī)范》（GB12602-90）、《起重機(jī)安全規(guī)程》（GB6067-85）等標(biāo)準(zhǔn),要求各類(lèi) 起重機(jī)械必須安裝安全保護(hù)裝置。因此開(kāi)發(fā)新型的門(mén)式起重機(jī)多功能安全監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)是很有必要的 。 基于此,近年來(lái)國(guó)內(nèi)外先后研制出一些門(mén)式起重機(jī)安全保護(hù)裝置,如載荷限制器、力矩限制器、起升高度儀 、 防碰撞裝置、風(fēng)速報(bào)警器等。但它們功能單一,如果需要多種保護(hù)功能,必須安裝多臺(tái)儀器,這樣不僅價(jià)格 昂貴,也給維護(hù)和使用帶來(lái)了不便。門(mén)式起重機(jī)用戶(hù)迫切需要一種集多種功能于一體的多功能安全監(jiān)控系 統(tǒng),并希望門(mén)式起重機(jī)具有較強(qiáng)的自動(dòng)控制功能及自診斷能力,以降低操作和維護(hù)的勞動(dòng)強(qiáng)度并保證門(mén)式 起重機(jī)的安全。

起重機(jī)用戶(hù)關(guān)心的涉及到安全方面的工況參數(shù)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(fēng)速（力）大小、起重過(guò)程中載荷振動(dòng)情況以及大、小車(chē)的各種信 息（如輪子與軌道的接觸狀況、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)、溫度）等。如何對(duì)這些工況參數(shù)進(jìn)行巡回采集、算法 處理,并實(shí)時(shí)輸出控制和提示是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。

二、門(mén)式起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)簡(jiǎn)介

近年來(lái),現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的不斷發(fā)展和漸趨成熟以及各種新型大規(guī)模集成器件的出 現(xiàn),為本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)奠定了技術(shù)和物質(zhì)基礎(chǔ)。

現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)（Field Bus）標(biāo)準(zhǔn)及其技術(shù)是國(guó)際自動(dòng)控制領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn),對(duì)于工業(yè)控制領(lǐng)域,采用現(xiàn)場(chǎng)總 線(xiàn)的最大優(yōu)點(diǎn)是可大量節(jié)約連接導(dǎo)線(xiàn)。維護(hù)費(fèi)用和安裝費(fèi)用,同時(shí),現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)能夠傳送多個(gè)過(guò)程變量。控制 器局域網(wǎng)（Controller Area Network）屬于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的范疇,它是一種有效支持分布式控制（Distributed Controller）或?qū)崟r(shí)控制（Real-time Controller）的串行通信網(wǎng)絡(luò),是德國(guó) Bosch 公司于 1980 年初為解決現(xiàn) 代汽車(chē)中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議,是一種通信速率可達(dá) 1Mbps 的多主總線(xiàn)（Multiple Master Multiple Slave,即 M3S）。

CAN 總線(xiàn)通信接口集成了 CAN 協(xié)議物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能,可對(duì)通信數(shù)據(jù)成幀處理。它通過(guò)對(duì)通 信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼,保證了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的動(dòng)態(tài)性,并使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度 最多為8個(gè)字節(jié),保證了通信的實(shí)時(shí)性;而協(xié)議利用 CRC檢驗(yàn)提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能,則保證了數(shù)據(jù)通信 的可靠性。本系統(tǒng)利用 CAN 總線(xiàn)的以上特性,解決了眾多模塊（節(jié)點(diǎn)）之間的通信問(wèn)題。

數(shù)字信號(hào)處理器的出現(xiàn)使數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域發(fā)生了革命性的變化。它采用了哈佛總線(xiàn)結(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)總線(xiàn) 和程序總線(xiàn)分離,可同時(shí)進(jìn)行指令的讀取和數(shù)據(jù)運(yùn)算,指令基本上可以在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)執(zhí)行,片裝乘法器 硬件,具有將乘法器和累加器以流水線(xiàn)方式連接的總線(xiàn),能高速進(jìn)行連續(xù)的乘法運(yùn)算和累加運(yùn)算。因而其運(yùn) 算能力極強(qiáng),適合于大量高速信號(hào)的處理領(lǐng)域,自從問(wèn)世以來(lái),在短短不到 20 年的時(shí)間內(nèi),便迅猛發(fā)展,得到 了極為廣泛的應(yīng)用。

三、 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

本系統(tǒng)基本組成，如圖 1 所示。系統(tǒng)由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)（中央處理單元）、一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)和 6 個(gè)最小系統(tǒng) 節(jié)點(diǎn)組成。最小系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)包括拉力傳感器節(jié)點(diǎn) 1（主鉤）、拉力傳感器節(jié)點(diǎn) 2（副鉤）、風(fēng)力傳感器節(jié)點(diǎn) 3 、 防碰撞傳感器節(jié)點(diǎn) 4、高度傳感器節(jié)點(diǎn) 5（主鉤）、高度傳感器節(jié)點(diǎn) 6（副鉤）等,各節(jié)點(diǎn)分別負(fù)責(zé)采集不 同的信號(hào),并進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換（個(gè)別節(jié)點(diǎn)則不用進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換,如高度節(jié)點(diǎn)的增量式光電編碼盤(pán)可直接得到 數(shù)字信號(hào)）,然后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)與主節(jié)點(diǎn)通信。各模塊之間的最大總線(xiàn)長(zhǎng)度不超過(guò) 130 米,位速率定為 500kbps,總線(xiàn)定時(shí)為：BTR0,01H;BTR1,1CH。

2.1 主節(jié)點(diǎn)（中央處理單元）

系統(tǒng)主節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)原理圖，如圖 2 所示。 中央處理器采用美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的 ADSP2105。它是一種高性?xún)r(jià)比、性能成熟的 DSP 器件, 在一個(gè) 100ns 周期內(nèi),可以完成如下操作：取兩個(gè)操作數(shù),修改指向操作數(shù)的地址單元,使兩個(gè)操作數(shù)相乘 并將結(jié)果累加到一個(gè) 40 位的和中。由于程序循環(huán)在硬件內(nèi)完成,所以每 100ns 能執(zhí)行一次這些高級(jí)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(chǔ)器集成在一塊芯片上,可 以實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的外圍功能。ADSP2105 在與 PSD311 等外圍器件聯(lián)絡(luò)方面提供了很大的時(shí)序靈活性。它 可以為 4 個(gè)分開(kāi)的存儲(chǔ)器空間中的每一個(gè)單獨(dú)分配等待狀態(tài)數(shù)量,以適應(yīng)很寬的時(shí)序差別。我們?cè)?ADSP2105 的 “ 等待寄存器”為 EPROM、RAM 和外部存儲(chǔ)器的選通脈沖安排 1 個(gè)等待狀態(tài),即 200ns 周期 時(shí)間,以滿(mǎn)足 PSD311 120ns 器件的時(shí)序要求。由于總線(xiàn)的通路布在 ADSP2105 的里面,PSD311 的數(shù)據(jù)線(xiàn) 與 D15～D8 連接。ADSP2105 的 “ D22”線(xiàn)提供 PSD311 的 “ A14”地址線(xiàn),BMS（Boot Memory Select）充當(dāng) EPROM 的片選并與 PSD311 的 “ A19”輸入相連接。 選用 SJA1000 作為 CAN 控制器,驅(qū)動(dòng)器使用 CAN 控制器接口芯片 PCA82C250。EEPROM 用作數(shù)據(jù) RAM,用于保存設(shè)置輸入的關(guān)鍵數(shù)據(jù),以防掉電時(shí)丟失。

2.2 智能節(jié)點(diǎn)

智能系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)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(xiàn)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(zhuǎn)換器和兩級(jí) 優(yōu)先權(quán)的 15 個(gè)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(chē) 傳感器采集的各種模擬/數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)（只對(duì)模擬信號(hào)）,經(jīng) CAN 部件送至系統(tǒng)主節(jié)點(diǎn);并接收 主節(jié)點(diǎn)來(lái)的輸出信號(hào),控制大車(chē)的各種電氣元件及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 圖３ 智能系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)原理示意圖 Fig.3 c Schematic t intelligent system nodes 2.3 最小系統(tǒng)節(jié)點(diǎn) 最小系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)使用了 ISO/DIS11898 標(biāo)準(zhǔn)連接方法,如圖4 所示。P82C150 是帶位速率自動(dòng)檢測(cè)和校 正的包括 CAN 協(xié)議控制器的單片 16 位 I/O 器件。它的 16 條 I/O 口線(xiàn)的方向、數(shù)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(zhuǎn)換器具有 0.1%的精度,完全可以滿(mǎn)足系統(tǒng)的精度要求。 系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)對(duì)各路傳感器信號(hào)進(jìn)行巡回采樣,經(jīng)過(guò)計(jì)算得出相應(yīng)工況下的門(mén)式起重機(jī)實(shí)際工況參 數(shù),并與標(biāo)準(zhǔn)工作參數(shù)比較,當(dāng)達(dá)到極限值的 90%時(shí)預(yù)報(bào)警,超過(guò) 100%時(shí)報(bào)警,并強(qiáng)制停止控制。這時(shí)起重 機(jī)不能繼續(xù)向危險(xiǎn)方向動(dòng)作,如行走、起升等。系統(tǒng)還提供了友好的人機(jī)界面,用戶(hù)可以方便地完成特定的 工作參數(shù)設(shè)置及調(diào)試、標(biāo)定等輔助功能,根據(jù)顯示屏幕和語(yǔ)音提示實(shí)時(shí)了解相關(guān)的工況參數(shù),以便及時(shí)作出 相應(yīng)的操作。 系統(tǒng)最大的特性是可以根據(jù)門(mén)式起重機(jī)的具體情況動(dòng)態(tài)地增刪節(jié)點(diǎn)（CAN 監(jiān)控模塊）。高性能的 DSP 和外圍器件 PSD 保證了系統(tǒng)的柔性、強(qiáng)壯性和可擴(kuò)展性。

四、結(jié)束語(yǔ)

一體化門(mén)式起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)是未來(lái)起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì),它將逐步取代單一功能的 安全保護(hù)裝置,如載荷限制器、力矩限制器、起升高度儀、防碰撞裝置、風(fēng)速報(bào)警器等而成為市場(chǎng)主流產(chǎn)品。