曹立峰，張洪民，柴君飛

（徐州重型機(jī)械有限公司，江蘇徐州 221004）

0 前言

圖1 大噸位起重機(jī)吊鉤

目前工程機(jī)械產(chǎn)品逐步向智能化、信息化發(fā)展，產(chǎn)品對控制系統(tǒng)的精度、可靠性要求越來越高，比如大噸位設(shè)備需要實(shí)現(xiàn)對吊鉤狀態(tài)監(jiān)控、移動(dòng)鋼絲繩的拉力檢測等，如圖1 所示，由于起升過程中吊鉤或者鋼絲繩處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，有線傳感器的使用將受到限制。另外，隨著工程機(jī)械電控系統(tǒng)越來越復(fù)雜，臂頭部分以及副臂部分的電氣檢測元件越來越多，由于起重機(jī)主要控制中心（即整車控制器）多安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)或操縱室，因此臂頭部分和副臂部分有大量的電線需要連接到轉(zhuǎn)臺(tái)，對于伸縮臂型起重機(jī)，目前多是通過電纜卷筒或拖鏈裝置進(jìn)行電纜的伸縮，如圖2 所示。對于大噸位起重機(jī)設(shè)備，電纜卷筒體積很大，可能會(huì)造成整車超寬的問題。因此引入無線傳感器技術(shù)，能夠可靠方便地檢測移動(dòng)部件的信息，減少線纜的使用，必將有良好的應(yīng)用前景。

圖2 伸縮臂起重機(jī)電纜卷筒

1 無線傳感器系統(tǒng)介紹

科技發(fā)展的腳步越來越快，而作為信息獲取最重要和最基本的技術(shù)——傳感器技術(shù)，也得到了極大的發(fā)展。傳感器信息獲取技術(shù)已經(jīng)從過去的單一化漸漸向集成化、微型化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。傳感器的輸出信號(hào)形式從最初的電阻型到電壓或電流型到目前使用廣泛的CAN 總線型。目前，無線傳感器系統(tǒng)已經(jīng)引起了世界許多國家的軍事部門、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，被廣泛應(yīng)用于軍事、國家安全、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。

無線傳感器是一種通過無線方式實(shí)現(xiàn)對被測量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。目前無線傳感器在工程機(jī)械上的應(yīng)用還未廣泛推廣，但國外一些公司針對工程機(jī)械已相繼推出了無線傳感器產(chǎn)品。芬蘭VTI 公司針對移動(dòng)機(jī)械推出了MEMS 無線傾角傳感器，適用于各種工業(yè)調(diào)平、傾斜測量以及工程機(jī)械的安全控制，傳感器供電電池可通過太陽能充電，終端使用4～20 mA 電流輸出[1]。德國赫思曼美國公司針對移動(dòng)設(shè)備開發(fā)出了系列無線傳感器產(chǎn)品，如圖3、圖4所示，包括無線風(fēng)速儀、無線角度傳感器、無線高度限位開關(guān)和無線拉力傳感器，傳感器供電系統(tǒng)使用堿性或鋰電池，可保證正常使用12個(gè)月。此外，系列無線傳感器可共用一個(gè)接收器，接收器與PLC 控制器相連，連接方式可采用CAN總線，也可采用模擬量信號(hào)傳輸，無線傳輸距離可達(dá)300 m。

圖3 系列無線傳感器

2 無線傳感器系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

無線傳感器系統(tǒng)主要由傳感模塊、無線傳輸模塊、無線接收模塊三大部分組成。如圖5所示。

傳感模塊與傳統(tǒng)有線傳感器類似，包括信號(hào)采集和信號(hào)處理單元。無線傳輸模塊包括信號(hào)調(diào)制模塊，射頻發(fā)射芯片以及天線三個(gè)部分，無線傳輸模塊的性能在很大程度上決定了無線通信系統(tǒng)的性能，直接影響無線傳感器的傳輸距離和抗干擾能力。此外在無線傳輸單元中一個(gè)很重要的硬件就是天線，天線是在無線電設(shè)備中用來發(fā)射或接收電磁波的部件。凡是通過電磁波來傳遞信息的，都依靠天線進(jìn)行工作。通過天線接收到射頻信號(hào)，信號(hào)解調(diào)模塊將采集到的射頻信號(hào)進(jìn)行收發(fā)判斷，并將判斷為正確的信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的放大、校正，最終以電信號(hào)輸出[2]。

圖4 無線傳感器接收裝置

圖5 無線傳感器組成

3 無線傳感器技術(shù)在全路面起重機(jī)上的應(yīng)用

大型全路面起重機(jī)起重量大時(shí)，需要對吊鉤進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，吊載工作時(shí)吊鉤傾斜將會(huì)造成卷揚(yáng)受力不均，這樣容易發(fā)生安全事故，對于吊載大噸位超大噸位物體存在嚴(yán)重的安全隱患。由于起升下落過程中，吊鉤處于上下運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，故無法采用有線傳感器進(jìn)行檢測。

針對吊鉤狀態(tài)監(jiān)控，可采用無線傳感器方案，如圖6 所示，在吊鉤處安裝無線角度傳感器，通過無線角度傳感器實(shí)時(shí)檢測吊鉤連接板傾斜角度?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖7 所示，無線傳感器接收裝置與起重機(jī)PLC 控制器的輸入端相連，通訊方式可采用CAN 總線，也可通過4～20 mA 電流信號(hào)。PLC 的輸出端連接電磁閥，通過控制電磁閥的開度控制起升卷揚(yáng)轉(zhuǎn)速。

起重機(jī)進(jìn)行工作前，首先通過無線傳感器反饋的傾斜角度進(jìn)行初始調(diào)平，保證吊載前吊鉤處于水平狀態(tài)。吊載過程中，通過無線傳感器實(shí)時(shí)檢測吊鉤連接板的傾斜角度，當(dāng)傾斜角度達(dá)到一定值時(shí)，PLC 通過輸出電磁閥電流控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出，直至無線傳感器輸出角度達(dá)到設(shè)定值。

圖6 起重機(jī)吊鉤狀態(tài)檢測結(jié)構(gòu)示意圖

采用在吊鉤處安裝無線傾角傳感器的方式來進(jìn)行吊鉤狀態(tài)監(jiān)控，該方案安裝方便，無需考慮由于吊臂伸縮或卷揚(yáng)起升過程中電纜的布線問題，通過試驗(yàn)，該方法能夠較好地滿足吊鉤狀態(tài)監(jiān)控的使用要求。

4 結(jié)論

盡管無線傳感器技術(shù)在工程機(jī)械領(lǐng)域某些方面已有應(yīng)用，但由于工作環(huán)境和作業(yè)工況的特殊性、復(fù)雜性，離實(shí)際工程中全方位、大面積的推廣使用，尚有相當(dāng)?shù)木嚯x。在這一過程中，還有許多工作要做，在一些關(guān)鍵問題和理論方面還需要深入研究。然而，無論怎樣，在我國進(jìn)行無線傳感器技術(shù)在工程機(jī)械中的運(yùn)用，是十分重要而又有現(xiàn)實(shí)意義的，也是今后工程機(jī)械行業(yè)和裝備的發(fā)展方向之一。

圖7 系統(tǒng)控制框圖

［1］曾小輝，曾建航，尚君怡.無線傾角傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.微計(jì)算機(jī)與信息，2008（24）：247-249.

［2］楊陳銳，黃宗益，徐鳴謙.GPRS無線通訊在工程機(jī)械的應(yīng)用［J］.工程機(jī)械，2005（5）：6-9.

［3］孫永進(jìn)，孫雨耕，房朝暉.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的連通與覆蓋［J］.天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（38）：14-17.