王玲?伍鑫

摘 要：針對更換起重機鋼絲繩需要重新調(diào)試高度限制器，且手工調(diào)試難度大，調(diào)試時間長等問題，根據(jù)超聲波測距原理，設計了一種起重機控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過超聲波測距模塊，檢測吊具到小車的距離并無線發(fā)送到基站。基站將高度信息實時顯示在液晶顯示屏上。當距離達到規(guī)定的閾值高度時，基站觸發(fā)報警器，提醒司機安全操作。本系統(tǒng)通信可靠，測距精度高，能有效地輔助司機進行集裝箱的提取，降低事故發(fā)生率，提高工作效率。

關(guān)鍵詞：超聲波測距；起重機控制；無線射頻；閾值高度；精度高

隨著現(xiàn)代港口物流的飛速發(fā)展，起重機一天24小時不間斷得重復升降動作來提取集裝箱，導致起升鋼絲繩的壽命約為半年左右。為了有效防止沖頂、出軌和墜落等設備和人員事故，起升高度限制器必須保證吊具起升到極限位置時，自動切斷起升的動力源[1]。因此，每次更換鋼絲繩時，都需要轉(zhuǎn)動起升卷筒來輔助更換，并重新調(diào)定和調(diào)試高度限制器。起重機空載和重載時起升速度不同，因此需要反復不斷地微調(diào)空載和重載時高度限制器的凸輪，然后試機各個凸輪的位置是否符合要求。由于微調(diào)幅度小，手工調(diào)度難度大，調(diào)試時間長，直接導致更換鋼絲繩的時間被延長。并且，如果高度限制器的凸輪位置不符合要求，司機容易發(fā)生誤判，可能就會對地上作業(yè)的工人造成危及生命的傷害。為了保障工作效率和工作質(zhì)量并保證生產(chǎn)安全，本論文提出了基于超聲波測距的起重機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)在更換鋼絲繩時不需要重新調(diào)定高度限制器，為港口企業(yè)的生產(chǎn)爭取更多的時間成本，贏得更多的經(jīng)濟效益。

1起重機控制系統(tǒng)總體方案設計

起重機控制系統(tǒng)主要由超聲波測距終端和駕駛室控制中心組成，兩者之間采用ZigBee無線網(wǎng)絡進行通信。安裝在小車上的終端利用超聲波實時檢測吊具與小車之間的距離，并通過ZigBee無線網(wǎng)絡按照一定的時間間隔發(fā)送給駕駛室控制中心的基站?；纠脽o線射頻接收器接收該信息，進行數(shù)據(jù)處理，并顯示在液晶顯示屏上。司機可以實時看到集裝箱的高度信息。當集裝箱的提升高度達到規(guī)定的閾值時，基站觸發(fā)報警器，提醒司機相應的操作。起重機控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2 超聲波測距終端設計

2.1微控制器及外圍電路

超聲波測距終端主要由作為微控制器的CC2530芯片及外圍電路組成，如圖2所示。CC2530是用于2.4GHzIEEE 802.15.4、ZigBee、ZigBee PRO和ZigBeeRF4CE應用的一個真正的片上系統(tǒng)（System On Chip，SoC）解決方案[2]，其RF發(fā)送輸出功率為4.5dBm，接收靈敏度為-97dBm，抗干擾能力強。

系統(tǒng)電源是12V的鋰電池，可為整個終端提供工作電壓，使其持續(xù)工作半年左右。晶振電路用于向CC2530芯片和其他電路（如實時控制電路）提供工作時鐘。復位電路用于使電路恢復到起始狀態(tài)。按鍵電路用于對一些參數(shù)進行設置。

2.2超聲波測距模塊

超聲波測距模塊選用HC-SR04，主要用于測量吊具與低架橫梁之間的距離，便于起重機司機操作。與現(xiàn)有的采用的激光測量技術(shù)相比，超聲波測距結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，抗電磁干擾能力強，容易集成[3]。

微控制器的一個I/O口連接超聲波測距模塊HC-SR04的TRIG引腳，并發(fā)出至少10us的高電平信號觸發(fā)測距。HC-SR04自動發(fā)送8個40KHz的方波，自動檢測是否有反射波信號返回。超聲波在空氣中傳播，當其遇到橫梁時被反射。如果檢測到有信號返回，通過連接ECHO的I/O口輸出一個高電平，同時啟動計時器。當ECHO變?yōu)榈碗娖綍r，關(guān)閉計時器。ECHO高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間t。

為了減小時間測量的誤差，運用均值濾波的數(shù)據(jù)處理方式，將超聲波接收到的信號進行有效的數(shù)據(jù)處理。高精度溫度傳感器SHT11對環(huán)境溫度T進行實時采集，對超聲波接收到的信號進行補償[4]，實現(xiàn)實際波速的校準，減小溫度對測距產(chǎn)生的誤差。應用公式S=（331.5+0.607T）*t/2就可以得到吊具到橫梁的距離S。通過測試，該超聲波測距模塊的測距精度可達到1cm。

2.3射頻模塊

利用超聲波完成測距得到的信號，通過無線射頻模塊反饋給駕駛室控制中心，司機經(jīng)判斷后決定是否對小車進行操作。射頻內(nèi)核控制模擬無線模塊，并提供微處理器和無線設備之間的接口，將帶有距離S信息的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成微波，無線發(fā)送到駕駛室控制中心。發(fā)射的頻率f可以進行自動的調(diào)節(jié)。數(shù)據(jù)包格式如表1所示。

3 控制中心設計

控制中心主要由基站、液晶顯示屏和報警器組成?；具x用CC2530作為微處理器?；臼紫冉M建ZigBee無線網(wǎng)絡，并對信道、收發(fā)地址和I/O口等進行配置。其次，利用無線射頻接收器接收該信息，進行數(shù)據(jù)處理，并顯示在液晶顯示屏上。當集裝箱的提升高度達到規(guī)定的閾值時，基站觸發(fā)報警器。

4 結(jié)束語

近年來，各種與起重機相關(guān)的事故頻繁發(fā)生，物品裝卸安全作為一種港口運營安全備受各大港口的關(guān)注。減少事故發(fā)生的最有效的辦法就是按照規(guī)范進行操作?；诔暡y距的起重機控制系統(tǒng)測距精度高，數(shù)據(jù)傳輸可靠，且無需布線，可持續(xù)長時間工作，時刻監(jiān)測吊具的位置，能夠為司機提供全面、實時的數(shù)據(jù)，有效地避免對高度限制器的反復調(diào)試或者其失靈造成的事故。

參考文獻

[1]曲大勇，馬文杰.對高度限制器失靈引發(fā)的起重機事故的思考[J].建筑機械化，2010（02）.

[2]許磊，武新.傳感器技術(shù)與應用[M].北京：高等教育出版社，2014.

[3]程玉凱，陸倩.基于超聲波測距的液位控制系統(tǒng)設計[J].可編程控制器與工廠自動化，2011（9）.

[4]趙小強，趙連玉.超聲波測距系統(tǒng)中的溫度補償[J].組合機床與自動化加工技術(shù)，2008（12）.

作者簡介

王玲（1988-），女，漢族，重慶璧山人，碩士，助教，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)、計算機控制

伍鑫（1988-），男，漢族，廣東廣州人，本科，部門主管，研究方向：港口物流、集裝箱調(diào)度