桥式起重机高精度起升高度显控系统的设计

胡江林 胡全英

摘  要： 基于桥式起重机的基本工作原理，设计了桥式起重机高精度起升高度显控系统。整个系统的设计包括3个部分：编码器信号和脉冲整形采集系统，旋转方向的判断和脉冲输出系统，脉冲计数、高度计算和继电器输出系统。该系统设计科学合理，可以有效减少桥式起重机械因高度检测控制问题而在生产作业中发生的人身伤亡事故以及设备损坏事故，大大提高起重机的工作效率。

关键词： 桥式起重机; 高精度起升高度显控器; 设计

中图分类号： TH 215          文献标志码： A          文章编号： 1671-2153（2019）01-0102-03

0  引 言

目前大多数起重设备的起重高度完全靠操作人員或者地面指挥人员目测，同时起升设备的预限位和极限位的设置通常都是靠与卷筒同轴的机械限位来设置和控制的，这就存在一定的局限性，同时预限位和极限位的设置不够精确而且因为品类繁多设置麻烦且易损坏。基于以上原因，本系统利用电机附带的编码器获得起升的信号，通过对编码器数据的检测和判断来累计计数，并通过相关计算直接显示高度值。同时可以分别设置上下两组预限位和极限位的高度，设置简单耐用。对于起升电机带编码器的装置无论常规起升系统还是变频控制系统同样适用，且变频系统中不影响变频器或其他设备的正常工作[1]。

1  本系统工作原理

本系统的工作原理如图1所示。图1中，系统供电电源为AC220V，接通供电电源后，通过DC/DC模块变换成直流12 V电源。一路供给采样保护整形电路，另一路供给微处理器电路。编码器信号经过采样保护整形、隔离变换电路处理后送至微处理器进行计数、运算和高度显示数码管的驱动。最后，按键进行限位和变比系数的设置等操作。

2  系统设计

桥式起重机主要包括以下3个系统：编码器信号和脉冲整形采集系统、旋转方向的判断和脉冲输出系统以及脉冲计数、高度计算和继电器输出系统，该系统设计的思路如图2所示。该系统的特点如下：第一，让起升高度更准确和直观的显示出来，并且起升高度控制更准确方便，节省地面的指挥资源。第二，本系统可替代常用机械限位，且系统精度高、量程广，精度为0.01 m，范围为-99～327.66 m，可以任意设置4组限位值，并给出最大电流为5 A的干结点输出，能替代常用机械限位的所有功能[4]。第三，本设备体积小巧功耗低，输入为AC220V电源。自带编码器电源，继电器输出，与外部电路隔离安全性高，安装替换方便。第四，本设备面板简洁、按键少、显示直观，通过数码管显示以及辅助发光二极管指示。该设备设置简单，突然断电也不会丢失数据。

2.1  编码器信号和脉冲整形采集系统

编码器信号采集处理电路，其包括顺序电性连接的电平自动转换电路、施密特整形电路、信号放大电路、信号转换电路，如图3所示。图3中，电平自动转换电路由4个二极管DA1，DA2， DA3，DA4组成桥式电路;桥式电路的两端分别接入一比较电源VCC1，将该桥式电路的输入端分别与编码器信号输入端相连。并且该桥式电路的输入端与编码器信号输入端之间还设计有一上拉电阻R5和R7，以适应集电极输出类型编码器。

本电路可以有效的滤除现场产生的高感应电压和其他谐波干扰，而且在高频脉冲传输时保护效果好，输入信号不会发生畸变。本系统IC1带施密特整形功能，抗干扰能力强。常见编码器的电源电压在5～30 V之间，且常见输出形式有推挽式和集电极开路两种，本系统的R1和R2是应对集电极开路的编码器而设计，且对推挽式编码器使用无任何影响。所以此电路适用于常见所有增量编码器。

整形部分采用新型的施密特整形电路的输入端与桥式电路的输入端相连，且该施密特整形电路包括两组相互分别并联在桥式电路的输入端处的反相器组，其中，反相器组包括3个相互串联的反相器CD40106和两个CD4049。当信号经过CD40106之后，再通过CD4049反相器进行逻辑电平转换并用以驱动高速光耦工作，这种方式对于输入脉冲信号有形变和畸形的具有很好的整形处理能力及输出驱动力，使本系统采集到的信号更接近真实的方波信号，使后级处理更迅速准确[2-3]。

2.2  旋转方向的判断和脉冲输出系统

当脉冲信号经过施密特整形校正电路处理后驱动高速光耦工作，作一个电平的转换，以适应各种电压等级不同的编码器，具体原理如图4所示。图4中，当脉冲信号输入至高速光耦时，驱动内部发光二极管发光，进而导致光耦内部的光敏三极管导通，高速光耦供电与CD4013为同一路供电电源，光耦输出的最大幅值接近其供电电压。

信号放大电路包括两个串联电阻R6，R8及一个高速光耦OP1，两个串联电阻R6和R8两端分别接在两个反相器组的输出端，并使该高速光耦的两个输入端与两个电阻R6和R8之间的结点电性相连，该信号转换电路为一个4输入与非门。

正常工作时，编码器输出的A和B 两个通道信号在相位上相差90°，正转A比B超前90°，反转B比A超前90°。本系统利用4输入与非门将2个相位相差90°的信号根据超前和滞后的关系处理后输出方向信号以及脉冲信号，并将该信号送入单片机进行计算处理，从而使A和B通道信号最终转换为单脉冲信号和方向信号，使传输信号更简洁，为后级减轻计算量的同时使反应更迅捷准确。

2.3  脉冲计数、高度计算和继电器输出系统

本系统采用PIC16F87X系列单片机，其特点是高速度、低功耗、功能齐全，内部含有FlashROM，RAM，EEPROM，捕捉/比较器，串行通讯接口，定时计数器中断控制器和中央处理器等;能够在最少的外部元件下实现所需要的功能。在本系统中，通过串口SPI输出时钟和数据驱动74HC595，每个74HC595驱动一位，以显示实际高度值。预设限位值是根据设置的限位参数对比实际限位设定值给出输出信号以驱动继电器并通过干接点给出开关信号供起升控制部分处理。本系统能同时设置上下4组预设限位值，同时本处理器内部自带EEPROM能够在断电时存储所有相关参数和数据。本系统有两种计算方式（通过按键进行设置）：手动设置变比系数和自动计算系数方式。

手动设置变比系数原理是：普通起升装置的驱动电机和变速器、钢丝绳滑轮组、钢丝绳卷筒的变比都是固定的，如果知道电机每转一圈钢丝绳行程和整个系统的变比，可以通过比例运算计算出物体实际起升的高度，其计算公式为

电机实际转动圈数通过编码器的脉冲信号经过处理计算所得。这种计算方式需要通过查询所使用的减速机和滑轮组以及卷筒标称数据来获得。

当这些数据难以获得时可使用自动计算系数方式。该处理方式的原理是：在任意高度设置为零位，然后根据单片机的设置引导，通过上升或者下降标准为1 m的高度，记录其脉冲数作为单位值，系统自动根据编码器输入的脉冲信号计算出总的变比系数从而计算其高度值。这种计算方式的特点是简单，无需复杂的查询计算，初始设定的零位可以随时通过设置更改而不改变自动计算的变比系数值。

最终单片机将计算所得的实际高度值显示在数码管上，在系统断电时具有数据记忆功能，设置的参数及当前高度数据上电后自动恢复。

3  结束语

本文基于桥式起重机的基本工作原理，设计了桥式起重机高精度起升高度显控系统。整个系统的设计包括3个部分：编码器信号和脉冲整形采集系统，旋转方向的判斷和脉冲输出系统，脉冲计数、高度计算和继电器输出系统。该系统设计科学合理，可以有效减少桥式起重机械因高度检测控制问题而在生产作业中发生的人身伤亡事故以及设备损坏事故，大大提高起重机的工作效率。通过多年的实践证明，工作人员在操作桥式起重机的过程中，还要不断加强桥式起重机设备的点检、维护、润滑管理，加强操作人员的责任意识和安全意识，不断加强学习和管理，加强对常见事故的预防能力，才能最大限度的避免安全事故的发生[5]。

参考文献：

[1] 沈琛林.桥式起重机模拟器系统构建及关键技术研究[D]. 武汉：武汉理工大学，2010.

[2] 金文成.基于西门子PLC的桥式起重机安全监控管理系统[D]. 大连：大连理工大学，2014.

[3] 陈玉双.基于OGRE的桥式起重机仿真训练模拟器的设计与实现[D]. 武汉：华中科技大学，2013.

[4] 陈怡明，侯星杰. 新型的桥式起重机设计[J]. 轻工科技，2015（2）：40-41.

[5] 汪思军. 桥式起重机的安全管理问题分析与处理[J]. 工程技术（引文版），2016（12）：00057.