无线传感器技术在工程机械上的应用

曹立峰，张洪民，柴君飞

（徐州重型机械有限公司，江苏徐州 221004）

0 前言

图1 大吨位起重机吊钩

目前工程机械产品逐步向智能化、信息化发展，产品对控制系统的精度、可靠性要求越来越高，比如大吨位设备需要实现对吊钩状态监控、移动钢丝绳的拉力检测等，如图1 所示，由于起升过程中吊钩或者钢丝绳处于运动状态，有线传感器的使用将受到限制。另外，随着工程机械电控系统越来越复杂，臂头部分以及副臂部分的电气检测元件越来越多，由于起重机主要控制中心（即整车控制器）多安装在转台或操纵室，因此臂头部分和副臂部分有大量的电线需要连接到转台，对于伸缩臂型起重机，目前多是通过电缆卷筒或拖链装置进行电缆的伸缩，如图2 所示。对于大吨位起重机设备，电缆卷筒体积很大，可能会造成整车超宽的问题。因此引入无线传感器技术，能够可靠方便地检测移动部件的信息，减少线缆的使用，必将有良好的应用前景。

图2 伸缩臂起重机电缆卷筒

1 无线传感器系统介绍

科技发展的脚步越来越快，而作为信息获取最重要和最基本的技术——传感器技术，也得到了极大的发展。传感器信息获取技术已经从过去的单一化渐渐向集成化、微型化和网络化方向发展。传感器的输出信号形式从最初的电阻型到电压或电流型到目前使用广泛的CAN 总线型。目前，无线传感器系统已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的广泛关注，被广泛应用于军事、国家安全、环境监测等领域。

无线传感器是一种通过无线方式实现对被测量信号转换为电信号的传感器。目前无线传感器在工程机械上的应用还未广泛推广，但国外一些公司针对工程机械已相继推出了无线传感器产品。芬兰VTI 公司针对移动机械推出了MEMS 无线倾角传感器，适用于各种工业调平、倾斜测量以及工程机械的安全控制，传感器供电电池可通过太阳能充电，终端使用4～20 mA 电流输出[1]。德国赫思曼美国公司针对移动设备开发出了系列无线传感器产品，如图3、图4所示，包括无线风速仪、无线角度传感器、无线高度限位开关和无线拉力传感器，传感器供电系统使用碱性或锂电池，可保证正常使用12个月。此外，系列无线传感器可共用一个接收器，接收器与PLC 控制器相连，连接方式可采用CAN总线，也可采用模拟量信号传输，无线传输距离可达300 m。

图3 系列无线传感器

2 无线传感器系统关键技术

无线传感器系统主要由传感模块、无线传输模块、无线接收模块三大部分组成。如图5所示。

传感模块与传统有线传感器类似，包括信号采集和信号处理单元。无线传输模块包括信号调制模块，射频发射芯片以及天线三个部分，无线传输模块的性能在很大程度上决定了无线通信系统的性能，直接影响无线传感器的传输距离和抗干扰能力。此外在无线传输单元中一个很重要的硬件就是天线，天线是在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。凡是通过电磁波来传递信息的，都依靠天线进行工作。通过天线接收到射频信号，信号解调模块将采集到的射频信号进行收发判断，并将判断为正确的信号进行相应的放大、校正，最终以电信号输出[2]。

图4 无线传感器接收装置

图5 无线传感器组成

3 无线传感器技术在全路面起重机上的应用

大型全路面起重机起重量大时，需要对吊钩进行实时监控，吊载工作时吊钩倾斜将会造成卷扬受力不均，这样容易发生安全事故，对于吊载大吨位超大吨位物体存在严重的安全隐患。由于起升下落过程中，吊钩处于上下运动状态，故无法采用有线传感器进行检测。

针对吊钩状态监控，可采用无线传感器方案，如图6 所示，在吊钩处安装无线角度传感器，通过无线角度传感器实时检测吊钩连接板倾斜角度。控制系统框图如图7 所示，无线传感器接收装置与起重机PLC 控制器的输入端相连，通讯方式可采用CAN 总线，也可通过4～20 mA 电流信号。PLC 的输出端连接电磁阀，通过控制电磁阀的开度控制起升卷扬转速。

起重机进行工作前，首先通过无线传感器反馈的倾斜角度进行初始调平，保证吊载前吊钩处于水平状态。吊载过程中，通过无线传感器实时检测吊钩连接板的倾斜角度，当倾斜角度达到一定值时，PLC 通过输出电磁阀电流控制执行机构的输出，直至无线传感器输出角度达到设定值。

图6 起重机吊钩状态检测结构示意图

采用在吊钩处安装无线倾角传感器的方式来进行吊钩状态监控，该方案安装方便，无需考虑由于吊臂伸缩或卷扬起升过程中电缆的布线问题，通过试验，该方法能够较好地满足吊钩状态监控的使用要求。

4 结论

尽管无线传感器技术在工程机械领域某些方面已有应用，但由于工作环境和作业工况的特殊性、复杂性，离实际工程中全方位、大面积的推广使用，尚有相当的距离。在这一过程中，还有许多工作要做，在一些关键问题和理论方面还需要深入研究。然而，无论怎样，在我国进行无线传感器技术在工程机械中的运用，是十分重要而又有现实意义的，也是今后工程机械行业和装备的发展方向之一。

图7 系统控制框图

［1］曾小辉，曾建航，尚君怡.无线倾角传感器设计与实现［J］.微计算机与信息，2008（24）：247-249.

［2］杨陈锐，黄宗益，徐鸣谦.GPRS无线通讯在工程机械的应用［J］.工程机械，2005（5）：6-9.

［3］孙永进，孙雨耕，房朝晖.无线传感器网络的连通与覆盖［J］.天津大学学报，2005（38）：14-17.