基于CAN总线和DSP的起重机多功能安全监控系统

liyf

                    　　摘要：介绍了一种基于数字信号处理器ADSP2105和现场总线技术的起重机多功能安全监控系统。该系统由最小系统节点、智能节点和主节点等模块组成。各模块之间的通信利用控制器局域风（CAN）完成。该系统具有人机界面友好、保护功能完善、可靠性高等特点,并具有一定的自诊断功能。
　　关键词：安全监控 数字信号处理器ADSP2105 控制器局域网（CAN）
　　起重机是工程建设中的必要设备之一,在施工中应用相当广泛。然而,起重机潜在的危险因素也较多,容易发生恶性事故。国家技术监督局先后专门制定和发布了《起重机设计规范》（GB3811-83）、《起重机械超载保护装置安全技术规范》（GB12602-90）、《起重机安全规程》（GB6067-85）等标准,要求各类起重机械必须装备安全保护装置。因此开发新型的起重机多功能安全监控和保护系统是很有必要的。基于此,近年来国内外先后研制出一些起重机安全保护装置,如载荷限制器、力矩限制器、起升高度仪、防碰撞装置、风速报警器等。但它们功能单一,如果需要多种保护功能,必须安装多台仪器,这样不仅价格昂贵,也给维护和使用带来了不便。起重机用户迫切需要一种集多种功能于一体的多功能安全监控系统,并希望起重机具有较强的自动控制功能主自诊断能力,以降低操作和维护的劳动强度并保证起重机的安全。
　　起重机用户关心的涉及到安全方面的工况参数主要有：主钩与副钩的起重载荷和起升高度、主臂与副臂（塔臂）的起重力矩和起升角度、工作幅度、钢丝绳状况、风速（力）大小、起重过程中载荷振动情况以及下阵的各种信息（如变幅油缸压力、液压传动系统的压力、温度、发动机转速参数、油温）等。如何对这些工况参数进行巡回采集、算法处理,并实时输出控制和提示是本系统设计的关键所在。


CAN总线通信接口集成了CAN协议物理层和数据链路层功能,可对通信数据完成成帧处理。它通过对通信数据块进行编码,保证了网络内节点个数的动态性,并使不同的节点同时接收到相同的数据。数据段长度最多为8个字节,保证了通信的实时性;而协议利用CRC检验提供相应的错误处理功能,则保证了数据通信的可靠性。本系统利用CAN总线的以上特性,解决了众多模块（节点）之间的通信问题。
　　数字信号处理器的出现使数字信号处理领域发了了革命性的变化。它采用了哈佛总线结构,数据总线和程序总线分离,可同时进行指令的读取和数据运算,指令基本上可以在一个机器周期内执行,片装乘法器硬件,具有将乘法器和累加器以流水线方式连接的总线,能高速进行连续的乘法运算和累加运算。因而其运算能力极强,适合于大量高速信号的处理领域,自从问世以来,在短短不到20年的时间内,便迅猛发展,得到了极为广泛的应用。以Texas Instruments公司的TMS系列为例,到目前已发展到第五代。
1 系统总体结构简图
　　本系统基本组成如图1所示。系统由一个主节点（中央处理单元）、一个智能节点和8个最小系统节点组成。最小系统节点包括拉力传感器节点1（副钩）、角度传感器节点2（副臂）、拉力传感器节点3（主钩）、角度传感器节点4（主臂）、风力传感器节点5、防碰撞传感器节点6、高度传感器节点7（主钩）、高度传感器节点8（副钩）等,各节点分别负责采集不同的牧师信号,并进行A/D转换（个别节点则不用进行A/D转换,如高度节点的增量式光电编码盘可直接得到数字信号）,然后通过现场总线与主节点通信。各模块之间的最大总线长度不超过130米,位速率定为500kbps,总线定时为：BTR0,01H;BTR1,1CH。
1.1 主节点（中央处理单元）
　　系统主节点结构原理图如图2所示。

如图4所示。P82C150是带位速率自动检测和校正的包括CAN协议控制器的单片16位I/O器件。它的16条I/O口线的方向、数字与模拟方式均可编程选择。自带的包含6路模拟输入通道的10位A/D转换器具有0.1%的精度,完全可以满足系统的精度要求。
2 系统功能和特性
　　系统能够实时对各路传感器信号进行巡回采样,经过计算得出相应工况下的起重机实际工况参数,并与标准工作参数比较,当达到极限值的90%的预报警,超过100%时报警,并强制停止控制。这时起重机不能继续向危险方向动作,如趴杆、伸臂、起升等。系统还提供了友好的人机界面,用户可以方便地完成特定的工作参数设置及调试、标定等辅助功能,根据显示屏幕和语音提示实时了解相关的工况参数,以便及时作出相应的操作。
　　系统最大的特性是可以根据起得机的具体情况动态地增删节点（CAN监控模块）。高性能的DSP和外围器件PSD保证了系统的柔性、强壮性和可扩展性。
　　一体化起重机安全监控系统是未来起重机安全监控系统的发展趋势,它将逐步取代单一功能的安全保护装置,如载荷限制器、力矩限制器、起升高度仪、防碰撞装置、风速报警器等而成为市场主流产品。