（机械电子工程专业论文）铁路救援起重机新一代可视化全自动安全监控系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 针对铁路救援起重机蕴藏危险因素较多、对作业效率要求较高这些特性， 本文在参考现有国内外起重机安全监控系统的基础上，结合现代电子、计算 机、测控、仿真等方面最新成果，研究开发了一种可视化、新颖的铁路救援 起重机安全监控系统。 本文所研究系统数据传输构建于c a n 总线，系统由一个主节点，若干小 节点构成。小节点由p 8 7 c 5 9 1 单片机及其外围电路构成，它采集由传感器传 来的起重机工况参数，对其进行适当的调理，并通过c a n 模块与主节点之间 进行通信。主节点由工控机、w i n d o w s 操作系统及其上运行的可视化应用程 序、c a n 接口卡构成。主要负责对底层节点传输的工况参数进行处理，以直 观可视的方式传递给操作者，并实时地计算出起重机的额定起重量，与实际 起升质量相比较，当实际起升质量达到额定起重量的9 0 时，发出预报警信 号，当达到1 0 0 时发出报警信号，当达到1 0 5 时发出控制信号，通过继电器 输出对起升、回转、变幅、伸缩机构电磁阀的控制，以限制起重机朝危险方 向动作。 考虑系统功能的完善性，在本系统的开发过程中采用了自顶向下的设计 理念，首先确定了系统的总体方案，划分软硬件功能。 在底层节点的开发过程中，采用了k e i lc 5 1 开发底层控制程序；主节点 的开发主要分为c a n 总线接口卡开发和w i n d o w s 应用程序开发两部分，c a n 总线与工控机接口部分是一块非智能的接口卡，主要通过独立的c a n 控制器 s j a l 0 0 0 实现底层与工控机并行端口之问的通信。 上层的可视化w i n d o w s 应用程序是由v c + + 结合o p e n g l 开发的一个仿真 程序。根据底层传输上来的起重机工作状况参数模拟出起重机的工作情况。 考虑系统的稳定性，本文采用了一系列软、硬件保护措施来提高系统的抗干 扰能力。 关键词：铁路救援起重机，安全监控，c a n 总线，o p e n g l 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1i 页 a b s tr a c t t a k et h ec h a r a c t e r i s t i ct h a tt h er a i l w a yb r e a k d o w nc g a n ec o n t a i n s l o t so f d a n g e r o u sf a c t o r sa n d n e e d sh i g h e rw o r ke f f i c i e n c yi n t oa c c o u n t u n d e rt h es t u d y o ft h ec r a n es e c u r i t ym o n i t o r i n gs y s t e ma th o m ea n da b r o a d ，a na d v a n c e d v i s u a l i z a t i o nn e wa n do r i g i n a lm o n i t o r i n gs y s t e mf o rc r a n ei sd e v e l o p e d ，w h i c h t a k e sa d v a n t a g eo ft h et e c h n o l o g yp r o g r e s si n t h e f i e l d ss u c ha se l e c t r o n i c 、 c o m p u t e r 、s e n s i n g 、c o n t r o l l i n ga n ds i m u l a t i o n i n t h i ss y s t e m ，t h et r a n s f e ro ft h ed a t aa r eb a s e do nc a nf i e l db u s t h e s y s t e mi sc o n s i s t e do fo n em a i nn o d ea n ds e v e r a lm i n i m u mn o d e s t h em i n i m u m n o d ei sc o m p o s e do fm c up 8 7 c 5 9 1a n ds o m eo u t e r - r i n g sc i r c u i t i tc o l l e c t st h e w o r ks i t u a t i o np a r a m e t e r so ft h er a i l w a yb r e a k d o w nc r a n ed e l i v e r e db y t h es e n s o r a n dg i v e ss o m ea p p r o p r i a t ea d j u s ta n dc o m m u n i c a t ew i t hm a i nn o d et h o u g ht h e c a nm o d u l e t h em a i nn o d ei sc o m p o s e do fi p c 、w i n d o w so p e r a t i o ns y s t e ma n d a p p l i c a t i o n a n dc a ni n t e r f a c ec a r d i tt a k e sc h a r g eo ft h eh a n d l i n go ft h e p a r a m e t e r sd e l i v e r e db vt h eb a s i cn o d e sa n du n f o l d si t t ot h eo p e r a t o rt h r o u g ha v i s i b l ew a y i ta l s oc a l c u l a t e st h el i m i t e dw e i g h to ft h ec r a n ea n dc o m p a r e si t t o t h e a c t u a lw e i g h t w h e nt h e a c t u a lw e i g h tr e a c h e s9 t 3 l o ft h el i m i t e dw e i g h t ， p r e a l a r ms i g n a lw i l lb es e n to u t w h e nr e a c h e s1 0 0 ，a l a r ms i g n a lw i l lb es e n t o u t w h e nr e a c h e s1 0 5 ，c o n t r o ls i g n a lw i l lb es e n to u t b yt h ec o n t r o lt ot h e e l e c t r o m a g n e t i cv a l v eo ft h eh o i s t i n gm e c h a n i s ma n dt h es l e w i n gm e c h a n i s m ， l y i n gd o w nt h e c r a n ej i bo rs l e w i n gt ot h ed a n g e r o u sd i r e c t i o nw i l lb er e s t r i c t e d o na c c o u n to ft h ep e r f e c t i o no ft h es y s t e mf u n c t i o n t h ei d e at o p - t o b o t t o m i su s e di nt h ed e s i g np r o c e s so ft h es y s t e m o v e r a l lr e s o l u t i o na n dd i v i s i o no f s o f t w a r ea n dh a r d w a r ef u n c t i o na r ea s c e r t a i n e da tf i r s t k e i lc 5 1i su s e dt od e v e l o pt h ec o n t r o lp r o g r a mo ft h eb a s i cn o d e s t h e d e v e l o p m e n to fm a i nn o d ei sd i v i d e di n t oc a n f i e l db u si n t e r f a c ec a r dd e v e l o p a n dw i n d o w sa p p l i c a t i o nd e v e l o p t h ei n t e r f a c eb e t w e e nc a nb u sa n di p ci sa n o n i n t e l l i g e n ti n t e r f a c ec a r d i tr e a l i z e st h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nl o w l a y e r a n di p cp a r a l l e lp o r tb ya ni n d e p e n d e n tc a n c o n t r o l l e rs j a l0 0 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 il 页 t h eu p p e r - l a y e rv i s u a l i z a t i o nw i n d o w sa p p l i c a t i o ni sas i m u l a t i o np r o g r a m d e v e l o p e db yv c + + a n do p e n g li ts i m u l a t e st h ew o r ks i t u a t i o no ft h ec r a n e w i t hr e f e r e n c eo ft h er e a lw o r kc o n d i t i o np a r a m e t e r sd e l i v e r e df r o mt h el o w ，l a y e g as e r i e so fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e p r o t e c t i o nm e t h o d sa r ea d o p t e d k e y w o r d s ： r a i l w a yc r a n e ，s e c u r i t ym o n i t o r i n g ，c a nb u s ，o p e n g l 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密函，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者躲夸健指剥嗽：1 中侈 日期：力岭噼i 】习j 歹珂 日期：硎宕、fz i 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 将c a n 总线技术运用于安全监控系统，系统可靠性、可移植性较高； 2 系统可以实时计算铁路救援起重机的额定起重量，构建了一种“傻瓜 型”的工作环境，可以很好地提高起重机的作业效率； 3 系统的上位机采用了可视化仿真技术，利用o p e n g l 开发的上位机可视 化仿真程序可以实时的模拟出起重机的工作状况，比较直观。 学位论文作者签名：务健 吼l 叶胡心涵 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 铁路救援起重机及安全监控系统概述 铁路救援起重机是在铁路线上运行，从事铁路机车、车辆颠覆等事故救 援以及装卸作业的臂架型起重机，俗称轨道吊。铁路救援起重机正日益向大 型化、高速化、自动化的方向发展。由于其工作性质，必然要求其有较高的 作业效率以及较大的自身安全能力，然而实际情况却是：其自身也蕴藏较多 危险因素。 国内外每年都发生大量因起重机作业造成的设备损坏甚至人身伤亡事 故，更有些事故甚至发生在成功救援机车以后，由于操作疏忽而引起的翻车。 任何起重机械都有其最大安全载荷限度，超过限度，轻则对设备部件造成损 坏，重则发生车毁人亡的恶性事故，因此必须控制其在安全限度内工作，加 装起重机超载限制装置。 起重机的超载限制装置主要可分为起重力矩限制器和起重量限制器。对 于各种起重设备应当配备何种限制器及限制器的性能要求，g b 3 8 1 卜2 0 0 8 起 重机设计规范、g b 6 0 6 7 - 8 5 起重机械安全规程及g b l 2 6 0 2 9 0 起重机械 超载保护装置安全技术规范都有明确具体的规定。 载荷、力矩限制器的研制大约始于上个世纪5 0 年代后期，主要经历了机 械式、电子模拟式、数字式及微机控制式，我国从7 0 年代末8 0 年代初开始 研制起重机载荷和力矩限制器，相继推出了一些产品。随着微电子技术、计 算机技术、仪表技术及传感器技术的迅速发展，现今起重机用户已越来越不 满足于起重机仅仅拥有载荷、力矩限制功能，他们希望获得更多关于起重机 状态的准确信息，包括风速、起升高度、工作幅度甚至钢丝绳状况、油温、 振动情况等信息；并希望起重机具有较强的自动控制功能及自诊断能力以降 低操作和维护的劳动负担并保证起重机的安全。起重机制造厂商，及其他研 究单位也顺应用户的需求开始开发以微型计算机为核心的数字式起重机安全 监控系统。 总体上看，起重机自动化系统主要可分为运行控制系统、安全监控系统 及自诊断监控系统。运行控制系统主要控制起重机的起升、下降、变幅、回 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 转等功能，控制核心一般采用p l c ；自诊断监控系统主要监测系统内部的工 作情况，包括起重机液压传动系统的压力、温度、发动机转速参数等：安全 监控系统一般基于力矩限制和载荷限制功能，并提供起重机运行的其它工作 状况和环境情况，包括起升高度、风速、起升速度等。本篇论文主要研究的 是起重机安全监控系统。 1 2 国内外研究现状 起重机安全监控系统主要是以起重力矩限制作为监测的核心，早期的产 品一般也仅仅具有力矩限制的功能，通常称为起重力矩限制器( 简称力限器) ， 而当前很多国际国内的产品具有更高信息集成度，通常称为起重机安全监控 系统，或依然沿用旧称称为起重力矩限制器。 1 2 1 国外研究概况 国际上流动式起重机制造行业主要有k i r o w 、格鲁夫、k a t o 、德玛格、 神户和多田野等几十家制造商，其产品占据国际流动式起重机市场的大部分 份额。他们大都根据自己的起重机产品研制出配套的力矩限制器。这些制造 商的产品，基本上反映了国外力限器技术的发展历程、现状和趋势。 日本l s 2 4 8 i i 履带吊的力限器是七十年代末设计的产品，采用了大量的 模拟电路对传感器信号进行处理计算，仍用模拟仪表显示。它相对机械式是 个很大的进步，但一定程度上仍存在精度低、设计维护难度大、易损坏等问 题。 八十年代后，随着微处理技术的迅速发展，力限器的设计水平上了新台 阶。如神户m l s 3 3 0 a 型履带吊力矩限制器，利用软件来完成复杂的计算工作， 系统的集成度和综合精度都得到了很好提高。而且通用性好，对于不同型号 的同系列起重机，只需要改相应的软件参数和传感器量程。具有系统自检功 能，当系统硬件或工况设定出现问题能及时报警及显示故障代码。通常采用 数码管显示，拨码盘设定工况，手动电位器进行调节标定。 k a t ol s 2 4 8v 型力矩限制器作了进一步的改进，具有零点记忆功能，当 显示载荷零点变动时通过简单操作即可记忆零点数据，及时调整。还可以方 便地记忆某工况空载时不同幅度下的零点数据。经过内部分析处理，可减小 摩擦等误差因素对测量精度的影响。内部电路采用开关电源技术，提高了抗 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 干扰及防护能力。采用新型高性能单片机及外围芯片，性能更加稳定，功耗 更低，系统集成度更高。 住友s l t m i t o m o 的6 5 吨履带起重机所使用的力矩限制器是9 0 年代初期 产品，技术性能有了进一步的改进，通用性强，通过简单改装可以适用于塔 式、轮式、履带起重机，采用液晶显示，人机界面进一步优化，并具有故障 代码显示功能。 g r o v e 公司的d s 3 5 9 g w 型力限器的设计更突出体现了人机界面的优化。 选用点阵字符l c d 显示器，显示信息量大，强光下读数清晰，而且功耗极低。 具有各种英文提示，发生故障时，可显示故障内容及处理方法。采用薄膜印 刷面板，更加美观且防水。通过薄膜轻触按键进行工况参数的设定或操作一 些辅助功能，操作灵活、方便。 1 2 2 国内研究概况 国内力限器产品开发起步较晚，从8 0 年代初，有关行业、大专院校、研 究院所等单位才对超载保护装置进行研究、设计、生产，不过，发展至今也 已渐成规模。尤其是电子器件的发展，使目前国内电子型超载保护装置的产 品技术水平上了一个新的台阶，但其主要性能与国外同类产品相比，仍有较 大的差距。目前，国内比较有影响的有以下一些产品： 长沙浦沅电子安全信息技术开发有限公司的a c s 系列起重力矩限制器。 采用汉显技术，其所有的操作均可用汉字显示，使用操作性强；采用大型液 晶图形点阵显示，能直观清晰地显示起重机工作图形及工况参数；具有独特 的自诊断功能，直接用汉字提示出故障现象和处理办法等；具有“黑匣子” 功能，可自动记录起重机在作业过程中危险工况，为事故分析处理提供可靠 依据；m t b f 1 0 0 0 0 小时。 中国航天工业总公司三十一所、北京三发高科技实业总公司的l x 系列力 矩限制器。具有超载、角度限制、过卷等保护功能，同时具有声光报警及限 制起重机向危险方向动作等功能，数字显示，操作较简单。 北京市电脑技术应用研究所的b q l 系列力矩限制器。仿照同本多田野公 司的八十年代产品，能够显示臂杆长度、角度、工作半径、实重、限重、七 升高度等信息，并通过声、光报警，超负荷时自动停止危险动作。工作地区 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 温差可达8 0 。c 。但技术上缺少创新，而且实践证明，质量不稳定，返修率 较高。 此外还有大连工程机械研究所的a m lj 一1 型力矩限制器，采用p h i l l i p s 公司的高性能八位单片机8 0 c 5 5 2 作为主机，该单片机与i n t e l 公司的m c s 一5 1 系列单片机完全兼容，但功能更强，带有八路十位a d ，w d t 监视定时器，并 具有六个八位i o 口；采用通用可编程单片机外围接口p s d 3 1 1 提高了系统集 成度；设置了自检程序帮助操作员及时发现故障；自检对象包括存储器、各 检测信号通道、显示器及报警指示灯等。 据用户反映，国内产品的最主要问题是可靠性问题，在解决可靠性前提 下还需提高整机性能及完善系统功能。 1 3 起重机安全监控系统的发展趋势 1 3 1 系统发展趋势 随着计算机技术、自动控制技术、传感器技术的进一步发展，出于提高 起重机工作效率、保证施工安全的要求，起重机安全监控系统将具有更高的 信息采集和数据处理能力，以大大降低作业者的劳动强度，保障人身、设各 安全。 体化起重机监测控制系统，特别对于大型起重机系统，由于其设备昂 贵、结构复杂，对于监测控制系统要求更高，一体化的起重机监测控制系统 更是其发展方向，一体化起重机监测控制系统集成了运行控制系统、安全监 控系统和自诊断监控系统的功能，统一控制起重机设备和监视起重机运行状 态，其基本结构将是一种集中分布式结构，即以高性能的计算机系统做中央 控制单元，监控整个起重机的运行状态、集中显示故障信息、完成存储功能， 并监视各个智能监测控制单元的工作，大量的智能监测控制单元则分别监控 起重机的某一部分，并将获得的某些重要信息通过某种总线技术传送到中央 控制单元，这些智能控制单元可以由单片机、d s p 处理器、p l c 等组成，这种 总体解决方案能够降低系统的设计成本并提高系统性能。 1 3 2 软件发展趋势 优良的人机交互环境：人机界面将追求更加简单的操作，更大信息量的 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 显示，更美观漂亮的界面，很多系统将具有起重机工作过程动态图形模拟显 示功能，显示器将根据系统性能的要求和工作环境的情况，使用l e d 数码管 显示器、字符式液晶显示器、点阵图形式液晶显示器、或c r t 显示器。点阵 图形式液晶显示器和c r t 显示器能显示大量的信息，并能显示汉字，另一方 面系统将具有更好的语音提示功能。 系统参数配置和在线标定功能：系统参数配置使得安全监控系统的软件 将具备一定的柔性，通过简单的参数配置可使同一软件系统应用于不同的起 重机。在线标定功能实际上是利用存储设备存储传感器的零点位置和满偏倍 率，传感器的调整将因此变得相当简单。 自诊断能力和纪录功能：系统应具有一定的自诊断能力( 这里的自诊断是 针对于安全监控系统) ，能够诊断其自身的一些故障( 如存储器、电源、传感 器、显示器故障) ，并提供处理方案；记录功能是指定时纪录起重机的工作状 况和超载情况，以便随时进行数据分析，在发生事故后查找事故原因。 减少误差提高精度：由于起重机结构限制，对起升高度及重量的测量实 际上只能采取间接测量的方法，而在起升过程中由于摩擦力、动载荷、环境、 结构变形等因素的影响会造成测量结果失真，故须对测量结果进行软件补偿， 以提高系统精度，这主要依赖于准确的数学模型的建立。 1 3 3 硬件发展趋势 采用更高性能微处理器及最新工艺的集成电路芯片，提高产品的集成度， 降低功耗，提高系统可靠性，并降低开发，难度缩短开发周期：选用优质元 器件，确保产品质量，提高产品使用寿命，降低对使用环境的要求，降低产 品故障率；采用先进的电源技术( 如开关电源技术) ，对电源输入输出进行隔 离，稳定输出电压，防止电网电压波动对系统造成危害。 提高系统抗干扰能力，提高系统可靠性：采用合理的地线布局及对印刷 电路板合理布线防止相互干扰；对输入输出信号进行光电隔离，防止外界强 电信号窜入系统毁坏系统重要元器件，对传感器输出信号通过使用隔离放大 器和仪表放大器隔离和抑制干扰信号；防静电处理，采用专用芯片保护系统 重要元器件免受雷电引起的强脉冲损害：对远距离传送的信号采取v f ，v i 变换等措施，提高其抗干扰能力减小信号久真。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 4 课题的主要研究工作 1 4 1 可视化全自动安全监控系统的构想 国内外起重机安全监控系统的工作区间的选择都需要司机通过按键或者 拨号盘进行人工设定，本文的目的在于构建这样的一种新型的起重机安全监 控系统：起重机的操作者只需专注于起重机的作业，而起重机自身的安全保 证：力矩限制、仰角限制、抗倾覆以及工作区间的调整等，则留给起重机安 全监控系统自身来完成。 本论文中的系统实现了国内外现有铁路救援起重机安全监控系统的应有 功能，包括：监控部位参数采集( 吊臂仰角、吊臂长度、变幅油缸压力、上 回转机构回转角度、配重伸出长度以及状态、起升高度、起升速度以及风力) 、 力矩限制、仰角限制、预报警、超限报警、超限控制以及“黑匣子”功能( 本 系统中“黑匣子”功能是利用工控机的硬盘实现) 。并在此基础上增加了以下 一些创新之处： ( 1 ) 依据实时监控数据对起重机的工作状况进行三维动画模拟； ( 2 ) 依据实时监控数据计算出额定起重量q 值，作业区间的选择不再 需要司机按键控制，而是根据实时监控数据自动确定。构建了一 种“傻瓜型”的工作环境； ( 3 ) 通过监控支腿的支反力，确保起重机的抗倾覆稳定性； ( 4 ) 设立水平检测装置检测起重机的水平状况； ( 5 ) 系统的可移植性强，可通过更改系统传感器的量程，增减c a n 节 点以及软件参数，实现系统的移植。 以上功能相比以往的安全监控系统的功能优越性主要有：一、能实时计 算任何工况下起重机的额定吊重，能充分挖掘了起重机的作业潜力；二、动 态仿真程序比较直观明了；三、检测支腿的支反力，确保没有“虚腿”，防止 倾覆。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 4 2 论文主要研究工作 论文要完成的工作： ( 1 ) 总体方案的研究。 总方案研究主要涉及对系统总体功能的规划，以及对前面构想里面所述 的所有功能的具体实现，系统功能的软、硬件划分，各个底层智能节点的监 测部位划分，根据各个监测部位的的特点选择相应的传感器。 ( 2 ) 主节点c a n 接口卡的设计、上层程序开发。 主节点c a n 接口卡的设计主要是实现c a n 总线与工控机之间的通信，c a n 接口卡是一块非智能( 即不包括微处理器) 的接口卡，通过工控机的并行接 口读写一块独立的c a n 控制器s j a l 0 0 0 来实现i p c 与c a n 总线的通信，上层 仿真程序利用v c + + 结合o p e n g l 开发，实现三维动态仿真。 ( 3 ) 底层智能节点软硬件开发。 底层智能节点( 包含微处理器) 需要实现对传感器参数的采集、调理以 及与c a n 总线之间的通信，底层节点的软、硬件开发主要是围绕单片机及其 外围电路的设计进行。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章系统分析与总体设计 2 1 系统基本结构 系统采用集中分布式结构，即以高性能的工控机做中央控制单元，以若 干智能监测控制单元分别监控起重机的某一部分，考虑系统工作环境较为恶 劣，干扰较大，故节点间用现场总线进行通信，而对于在单机上采用的总线 技术，c a n 无疑是领跑者，故各智能监测控制单元之间以及智能检测控制单 元与中央控制单元之间的通信采用c a n 总线技术。系统的逻辑层次如图2 1 所示： f 困 c a n 通信接lj 模块 数据采集调理模块 c a n 通信接口模块 数据采集调理模块 图2 - 1 系统总体逻辑结构图 从功能上大体可将系统分为四个层次： 1 主控制节点 也即图中的上位机，它主要包括一台i p c 以及其上运行的实时仿真监控 程序，该部分主要对由下层传输上来的起重机状态参数进行处理，系统的主 要算法、可视化以及控制功能的实现均由该部分完成。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 c a n 接口卡 该部分通过一个独立的c a n 控制器s j a l 0 0 0 及若干外围器件实现i p c 并 行端口与c a n 总线之间的通信。 3 状态参数处理模块 该部分在图中即为c a n 通信接口模块以及数据采集调理模块，该部分将 传感器所传来的信号进行采集调理，数字化，并通过c a n 总线发送给上层节 点。 4 传感器 将起重机的各个监测部位状态参数采集起来，转化成相应的模拟信号。 2 2 传感器选择 涉及到起重机安全方面的工况参数主要包括：吊臂仰角、吊臂长度、变 幅油缸压力、上回转机构回转角度、配重伸出长度以及状态、支腿跨距、支 腿支反力、起升高度、起升速度以及风力等等；还有下车的各种信息如：液 压传动系统的压力、温度、发动机转速参数、油温等。 故系统由一个中央处理单元、数个底层节点组成。底层节点所使用传感 器主要涉及以下几种： ( 1 ) 长度传感器 ( 2 ) 角度传感器( 接触式、非接触式) ( 3 ) 油缸压力传感器 ( 4 ) 钢丝绳过卷传感器 ( 5 ) 钢丝绳过放传感器 ( 6 ) 双轴倾角传感器 ( 7 ) 风力传感器 ( 8 ) 起升速度传感器 ( 9 ) 温度传感器 ( 1 0 ) 发动机转速传感器 各传感器分别负责采集不同的物理信号，物理信号经过相应的调理、a d 转换( 个别节点不用进行a d 转换，如钢丝绳过卷与钢丝绳过放) ，通过m c u 的c a n 模块发往主节点。主节点是监控系统的核心，其主要的功能有如下几 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 方面：实时对底层各c a n 节点信号进行采样，取得起重机的某些工作参数，如 压力传感器信号、仰角信号等，经过计算得出额定起重量、实际起重量和负 荷率。当负荷率大于9 0 时预报警，大于1 0 0 时报警，当达到1 0 5 完成强制 停止控制。这时起重机不能继续向危险方向动作，如趴杆、伸臂、起升等； 使起重机的工作符合安全要求。 长度传感器( 见图2 2 ( a ) ) 通过头部固定在臂杆端部的拉线，将臂杆 长度变化转换为传感器内部测定元件角度的变化，以测定检测臂杆的实际长 度。角度传感器分接触式和非接触处式两种，仰角传感器( 见图2 2 ( b ) ) 采用非接触式角度传感器，它安装在第一节臂杆上，由重锤带动角度测定元 件转动，以检测臂杆仰角，而回转机构和起升卷筒的转角测定采用接触式传 感器( 见图2 2 ( c ) ) ，通过回转机构和转筒的转动带动传感器旋转轴以测定 回转角度并间接计算起升速度。压力传感器( 见图2 - 2 ( d ) ) 通过检测变幅 油缸上下腔的油压信号，以计算变幅油缸的推力并取得支腿油缸的压力，如 果采用钢丝绳变幅则应采用板式拉力传感器( 见图2 2 ( e ) ) 。过卷( 见图2 - 2 ( f ) ) 与过放传感器( 见图2 2 ( g ) ) 采集信号均为开关信号，通过行程开 关限制起重机的过卷与过放。起重机倾角利用双轴倾角传感器( 见图2 - 2 ( h ) ) 来采集，它可以采集水平面两个方向上的倾角，在系统中用于采集左右、前 后的倾角。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 图2 - 2 主要传感器的选择 其他一些信号，如风力、油温、发动机转速等，均开采用相应的双轴倾 角传感器、风力传感器、速度传感器、温度传感器以及发动机转速传感器， 在此就不一一罗列了。 2 3 上位机解决方案 对于系统上位机来说有着两种解决方案可供选择，一种是以8 位、1 6 位 或3 2 位高性能的单片机为监控核心，另一种是以工业控制计算机( i p c ) 为核 心，下面将分别讨论他们的优缺点，以确定方案选取。 2 3 1 单片机方案 系统以高性能的8 位、1 6 位或3 2 位单片机为监控核心，通过大屏幕l c d 点阵式图形显示器向操作者提供汉字起升状态信息及操作状态提示，并可以 动画模拟起重机工作过程，另外还需解决a d 转换，继电器输出控制及操作 键盘等功能模块，是一个完整的、规模较大的单片机系统。 1 优点： 相对于以工业控制计算机为核心的方案，该方案的主要优点为： 单片机系统体积小、便携性能好、功耗低、在芯片上集成了更多的功能， 如先进的模拟数字接口、数字处理功能以及灵巧电源功能等。而且，随着最 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 新的亚微米c m o s 工艺技术用于单片机，单片机的运算速度有了很大的提高， 与i p c 相比较，速度上的差距越来越小。 2 缺点： 该方案的最大缺点是开发调试难度较大、周期较长。 需要解决的主要难题：汉字图形系统的开发，包括汉字字库的提取与制 作，模拟起重机工作过程动画显示的设计与实现比较困难。 2 3 2 工控机方案 工业控制计算机( i p c ) 具有特殊的结构设计，所用芯片经过严格的质量 筛选，整个系统严密密封，适用于恶劣的工作环境，工作环境温度可达一4 0 + 8 0 之宽，平均无故障时间( m t b f ) 达9 0 ，0 0 0 - - 2 3 0 ，0 0 0 小时；无论是硬件还 是软件，都具有优良的开发环境，完备的开发手段，在升级换代方面更是易 如反掌，如要增加内存及硬盘的容量，则只要再插上内存扩展条和更换大容 量的硬盘即可；要增加模拟量输入，丌关量输出，只要在扩展槽内插入一块 相应的卡即可；工业控制计算机具有标准化的总线结构，使其构成的测控系 统在应用软件方面具有无可比拟的兼容性。系统以工业控制计算机为核心， 通过某种总线形式的接口板接收传感器信号并输出控制信号，显示器和键盘 均可采用工控机的标准配置。 1 优点： 。 利用工控机标准的体系结构，通用的操作系统及丰富强大的应用软件开 发环境，可以大大降低系统的开发时间，提高效率，特别是开发可视化仿真 系统，这令单片机+ 点阵图形显示器系统望尘莫及；另一方面由于工控机结构 标准，应用广泛，其自身就具有很高的可靠性，而单片机系统的可靠性保障 则完全依赖于系统设计者，这不但加重了设计者的负担，而且所设计出来的 系统的可靠性如何，也令人存有疑问，其对设计者的能力及知识都要求很高。 基于工控机操作系统可开发出漂亮美观的图形人机界面，由于系统对于实时 性的要求不是很高，我们可以利用目自 流行的商用操作系统w i n d o w s 系统做 开发，w i n d o w s 系统是一个美观漂亮的图形化系统，而且有丰富的软件开发 工具，在它的基础上开发一套效果逼真的可视化仿真程序是很容易的。 工控机系统一方面为我们带来了性能优异的监控系统，另一方面更有丰 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 富的资源储备和极强的系统扩展能力，例如如果想要查询该台起重机的工作 状况和历史信息纪录，接上打印机打印出来或从u 盘拷出固然是很好很轻松 的方法，但利用现在蓬勃发展的网络信息技术，将起重机的工控机连成局域 网，在中央监视大厅，就可以直接查看了，如果将其接入国际互联网，那在 世界各地都可以查看了。再如对于大型起重机的控制系统的一体化趋势，正 如我们上面曾提到的，工控机系统完全能满足要求。 2 缺点： 此方案的主要缺点为成本较高，便携性能差。 所需解决的主要难题： ( 1 ) 工控机接口板的制作：i p c 采用三总线的结构形式，主机板通过扩 展槽这种开放式的总线体系结构与各种各样外围设备进行信息交换，总线的 标准主要有i s a ，e i s a ，v i s a ，p c i 等，需要选择使用一种总线，并根据该总 线的机械及电气标准制作其接口板。 ( 2 ) 工控机接口板驱动成程序的开发：w i n d o w s 系统从w i n 9 8 以后，出 于系统健壮性的考虑，对硬件设备采取了屏蔽的策略，无法采用以前的直接 地址的方法，访问底层硬件应用程序对硬件设备的访问需要通过设备驱动程 序，编制虚拟设备驱动程序是一项艰苦且繁琐的工作。 综合利弊，从系统实际应用条件以及要求出发，采用工控机作为上位机 利远大于弊，故本系统采用i p c 作为上位机，以液晶显示提供起重机工作过 程动态模拟仿真，并为底层c a n 总线与工控机之间的通信开发相应的接口卡 和接口程序。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 4 系统总体方案 根据起重机用户的需求和当前各种技术的发展，本系统基本组成结构单 元如图2 3 所示。 图2 - 3 系统基本结构示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 第3 章c a n 总线 3 1 现场总线概述 顾名思义，现场总线应当是应用在生产最底层的一种总线型拓扑的网络。 进一步来说，这种总线的作用是用作现场控制系统的、直接同所有受控( 设 备) 节点串行相连的通信网络。工业自动化控制的现场范围可以从一台设备 到一个车间、一个工厂。受控设备和网络所处的环境以及结构都有其特殊性， 对信号的干扰往往是多方面的，而要求控制必须实时性很强。这就决定了现 场总线有别于一般网络的特点。 2 0 世纪8 0 年代现场总线技术才开始形成和发展，这是与微型计算机技 术，特别是嵌入式系统的高速发展分不开的。在十几年的时间中，已经出现 了好几种现场总线技术走向成熟并且得到逐步的推广应用，显示出特有的优 势和强大的生命力。比较有影响力的如基金会现场总线f f ( f o u n d a t i o n f i e l d b u s ) 、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 、h a r t 、c a n 等。 由于c a n 总线是本论文主题之一，下面对它的发展史和特点给予较详细 的介绍。 3 2c a n 总线的特点 由于采用了新技术及独特的设计，c a n 总线与一般的通信总线相比，它 的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其特点概括如下： ( 1 ) c a n 总线是到目前为止唯一有国际标准的总线。 ( 2 ) c a n 为多主方式工作，网络上任一节点均可在任一时刻主动地向网 络上其他节点发送信息，而不分主从。 ( 3 ) 在报文标识符上，c a n 上的节点分成不同的优先级，可满足不同的 实时要求，优先级高的数据最多可在1 3 4 u s 内得到传输。 ( 4 ) c a n 采用非破坏总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息出 现冲突时，优先级低的节点会主动退出发送，而优先级高的节点可不受影响 继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很重 的情况下，也不会出现网络瘫痪情况( 以太网则可能) 。 ( 5 ) c a n 节点只需要通过对报文标识符滤波即可实现点对点、一点对多 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 点及全局广播等集中方式传送接收数据。 ( 6 ) c a n 的直接通信距离最远可达l o k m ( 速率在5 k b p s 以下) ；通信速 率最高可达1 m b p s ( 此时通信距离最长为4 0 m ) 。 ( 7 ) c a n 上的节点数目主要取决于总线驱动电路，目前可达1 1 0 个。在 标准帧报文中标识符有1 1 位，而在扩展帧的报文中标识符有2 9 位，节点的 个数几乎不受限制。 ( 8 ) 报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，保证了数据出错 率极低。 ( 9 ) c a n 的每帧信息都有c r c 校验及其他检错措施，具有极好的检错效 果。 ( 1 0 ) c a n 的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 ( 1 1 ) c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线 上其他节点的操作不受影响。 ( 1 2 ) c a n 总线具有较高的性价比。它结构简单，器件容易购置，每个 节点的价格较低，而且开发技术容易掌握，能充分利用现有的单片机开发工 具。 ( 1 3 ) c a n 协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的。 不过，其模型结构只有3 层，即只取o s i 物理层、数据链路层和应用层。由 于c a n 的数据结构简单，又是范围较小的局域网，因此不需要其他中间层， 应用层数据直接取自数据链路层或直接向数据链路层写数据。结构层次少， 有利于系统中实时控制信号的传送。 3 。3c a n 总线的应用前景 虽然c a n 协议颁布迄今已有几十年，它仍然在发展完善。2 0 0 0 年一开始， i s o 的任务是迫使有关的几个公司定义一项协议用于c a n 报文的时间一触发传 输( t i m e t r i g g e r e dt r a n s m i s s i o n ) 。d r b e r n dm u e l l e r 和t h o m a sf u e h r e r 以及b o s c h 的其他一些人员会同来自半导体工业和高等学院搞研究的专家一 起定义“c a n 的时问一触发通信”协议( t t c a n ) ，计划把它国际标准化为 i s 0 11 8 9 8 - 4 这个c a n 的扩展现在正在硅片上进行，它不仅允许用c a n 作时间 等距离传送报文和封闭控制循环，也允许在x - b y w i r e 中使用c a n 。虽然c a n 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 的协议没有变，但可以利用同样的物理总线发送时i 、b j 触发的报文和事件触发 的报文。 t t c a n 的扩展增强了c a n 的生命力。考虑到c a n 还处在全球市场渗透的 初期，即使是保守的估计，也表明今后在i 0 - - 1 5 年这种总线系统都有更大的 增长。这里要强调的事实是，今后几年在美国和远东地区汽车制造业刚开始 在他们一系列运输工具上使用c a n 。另外，新的潜在的大量应用( 例如，娱 乐业) 正在进行中，不仅表现在轿车方面，也表现在家电领域。为了正式批 准各种不同的安全考虑和安全临界应用等，几个要加强的方面可以指望在高 层协议解决。德国专业协会b i a 和德国安全标准机构t u v 已经确认一些现有 的基于c a n 的安全系统。c a n o p e n 一安全是第一个得到b i a 试验性批准的标准 c a n 解决方案。d e v ic e n e t 安全将很快跟上。针对海事应用的c a n o p e n 结构 的正式批准正在准备中，它是由世界一流的德国劳式船级社指定的。在其他 方面，这个规范定义了从c a n o p e n 网络到冗余总线系统的自动转换。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 第4 章硬件设计 4 。1 主节点设计 系统的主节点主要是通过c a n 总线接口卡采集底层节点传送的起重机工 作状态参数，根据这些参数实时的计算出起重机的额定起重量，并将起重机 的工作状况以可视化的方式展现在操作者面前，并能针对险情输出控制信号。 主节点的硬件设计也即c a n 总线与工控机的接口部分弋a n 总线接口卡的设 计，本系统中c a n 接口为一块非智能的接口卡，主要是通过i p c 的并行接口 控制一块独立的c a n 控制器s j a l 0 0 0 。 4 1 1s j a l0 0 0 介绍 s j a l 0 0 0 是一种独立的c a n 控制器，主要用于移动目