一、引言 

門式起重機是制造企業(yè)的必要設備之一,在生產中應用相當廣泛。然而,門式起重機潛在的危險因素也 較多,容易發(fā)生惡性事故。國家技術監(jiān)督局先后專門制定和發(fā)布了《起重機設計規(guī)范》（GB3811-83）、《起 重機械超載保護裝置安全技術規(guī)范》（GB12602-90）、《起重機安全規(guī)程》（GB6067-85）等標準,要求各類 起重機械必須安裝安全保護裝置。因此開發(fā)新型的門式起重機多功能安全監(jiān)控和保護系統是很有必要的 。 基于此,近年來國內外先后研制出一些門式起重機安全保護裝置,如載荷限制器、力矩限制器、起升高度儀 、 防碰撞裝置、風速報警器等。但它們功能單一,如果需要多種保護功能,必須安裝多臺儀器,這樣不僅價格 昂貴,也給維護和使用帶來了不便。門式起重機用戶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,并希望門式起重機具有較強的自動控制功能及自診斷能力,以降低操作和維護的勞動強度并保證門式 起重機的安全。

起重機用戶關心的涉及到安全方面的工況參數主要有：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、風速（力）大小、起重過程中載荷振動情況以及大、小車的各種信 息（如輪子與軌道的接觸狀況、電動機轉速參數、溫度）等。如何對這些工況參數進行巡回采集、算法 處理,并實時輸出控制和提示是本系統設計的關鍵所在。

二、門式起重機監(jiān)控系統簡介

近年來,現場總線技術、數字信號處理技術的不斷發(fā)展和漸趨成熟以及各種新型大規(guī)模集成器件的出 現,為本系統的實現奠定了技術和物質基礎。

現場總線（Field Bus）標準及其技術是國際自動控制領域關注的熱點,對于工業(yè)控制領域,采用現場總 線的最大優(yōu)點是可大量節(jié)約連接導線。維護費用和安裝費用,同時,現場總線能夠傳送多個過程變量?？刂?器局域網（Controller Area Network）屬于現場總線的范疇,它是一種有效支持分布式控制（Distributed Controller）或實時控制（Real-time Controller）的串行通信網絡,是德國 Bosch 公司于 1980 年初為解決現 代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換而開發(fā)的一種串行數據通信協議,是一種通信速率可達 1Mbps 的多主總線（Multiple Master Multiple Slave,即 M3S）。

CAN 總線通信接口集成了 CAN 協議物理層和數據鏈路層功能,可對通信數據成幀處理。它通過對通 信數據塊進行編碼,保證了網絡內節(jié)點個數的動態(tài)性,并使不同的節(jié)點同時接收到相同的數據。數據段長度 最多為8個字節(jié),保證了通信的實時性;而協議利用 CRC檢驗提供相應的錯誤處理功能,則保證了數據通信 的可靠性。本系統利用 CAN 總線的以上特性,解決了眾多模塊（節(jié)點）之間的通信問題。

數字信號處理器的出現使數字信號處理領域發(fā)生了革命性的變化。它采用了哈佛總線結構,數據總線 和程序總線分離,可同時進行指令的讀取和數據運算,指令基本上可以在一個機器周期內執(zhí)行,片裝乘法器 硬件,具有將乘法器和累加器以流水線方式連接的總線,能高速進行連續(xù)的乘法運算和累加運算。因而其運 算能力極強,適合于大量高速信號的處理領域,自從問世以來,在短短不到 20 年的時間內,便迅猛發(fā)展,得到 了極為廣泛的應用。

三、 系統總體結構簡圖

本系統基本組成，如圖 1 所示。系統由一個主節(jié)點（中央處理單元）、一個智能節(jié)點和 6 個最小系統 節(jié)點組成。最小系統節(jié)點包括拉力傳感器節(jié)點 1（主鉤）、拉力傳感器節(jié)點 2（副鉤）、風力傳感器節(jié)點 3 、 防碰撞傳感器節(jié)點 4、高度傳感器節(jié)點 5（主鉤）、高度傳感器節(jié)點 6（副鉤）等,各節(jié)點分別負責采集不 同的信號,并進行 A/D 轉換（個別節(jié)點則不用進行 A/D 轉換,如高度節(jié)點的增量式光電編碼盤可直接得到 數字信號）,然后通過現場總線與主節(jié)點通信。各模塊之間的最大總線長度不超過 130 米,位速率定為 500kbps,總線定時為：BTR0,01H;BTR1,1CH。

2.1 主節(jié)點（中央處理單元）

系統主節(jié)點結構原理圖，如圖 2 所示。 中央處理器采用美國模擬器件公司生產的 ADSP2105。它是一種高性價比、性能成熟的 DSP 器件, 在一個 100ns 周期內,可以完成如下操作：取兩個操作數,修改指向操作數的地址單元,使兩個操作數相乘 并將結果累加到一個 40 位的和中。由于程序循環(huán)在硬件內完成,所以每 100ns 能執(zhí)行一次這些高級指令 的操作。WSI 的 PSD311 可編程外圍器件有效地將可編程邏輯、I/O 端口和存儲器集成在一塊芯片上,可 以實現本系統的外圍功能。ADSP2105 在與 PSD311 等外圍器件聯絡方面提供了很大的時序靈活性。它 可以為 4 個分開的存儲器空間中的每一個單獨分配等待狀態(tài)數量,以適應很寬的時序差別。我們在 ADSP2105 的 “ 等待寄存器”為 EPROM、RAM 和外部存儲器的選通脈沖安排 1 個等待狀態(tài),即 200ns 周期 時間,以滿足 PSD311 120ns 器件的時序要求。由于總線的通路布在 ADSP2105 的里面,PSD311 的數據線 與 D15～D8 連接。ADSP2105 的 “ D22”線提供 PSD311 的 “ A14”地址線,BMS（Boot Memory Select）充當 EPROM 的片選并與 PSD311 的 “ A19”輸入相連接。 選用 SJA1000 作為 CAN 控制器,驅動器使用 CAN 控制器接口芯片 PCA82C250。EEPROM 用作數據 RAM,用于保存設置輸入的關鍵數據,以防掉電時丟失。

2.2 智能節(jié)點

智能系統節(jié)點原理示意圖，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 轉換器和兩級 優(yōu)先權的 15 個中斷源。PSD311 用作其外圍 ROM、RAM 和譯碼芯片。80C52 利用自帶的 ADC 將下車 傳感器采集的各種模擬/數字信號轉換成數字信號（只對模擬信號）,經 CAN 部件送至系統主節(jié)點;并接收 主節(jié)點來的輸出信號,控制大車的各種電氣元件及執(zhí)行機構。 圖３ 智能系統節(jié)點原理示意圖 Fig.3 c Schematic t intelligent system nodes 2.3 最小系統節(jié)點 最小系統節(jié)點使用了 ISO/DIS11898 標準連接方法,如圖4 所示。P82C150 是帶位速率自動檢測和校 正的包括 CAN 協議控制器的單片 16 位 I/O 器件。它的 16 條 I/O 口線的方向、數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 轉換器具有 0.1%的精度,完全可以滿足系統的精度要求。 系統能夠實時對各路傳感器信號進行巡回采樣,經過計算得出相應工況下的門式起重機實際工況參 數,并與標準工作參數比較,當達到極限值的 90%時預報警,超過 100%時報警,并強制停止控制。這時起重 機不能繼續(xù)向危險方向動作,如行走、起升等。系統還提供了友好的人機界面,用戶可以方便地完成特定的 工作參數設置及調試、標定等輔助功能,根據顯示屏幕和語音提示實時了解相關的工況參數,以便及時作出 相應的操作。 系統最大的特性是可以根據門式起重機的具體情況動態(tài)地增刪節(jié)點（CAN 監(jiān)控模塊）。高性能的 DSP 和外圍器件 PSD 保證了系統的柔性、強壯性和可擴展性。

四、結束語

一體化門式起重機安全監(jiān)控系統是未來起重機安全監(jiān)控系統的發(fā)展趨勢,它將逐步取代單一功能的 安全保護裝置,如載荷限制器、力矩限制器、起升高度儀、防碰撞裝置、風速報警器等而成為市場主流產品。