戎冰雪

【摘 要】由于舉重運動的高危險性，以及當(dāng)前對舉重運動員保護措施的缺乏，本文提出了一種基于PLC的舉重保護裝置。舉重保護裝置采用拉力傳感器檢測杠鈴的運動狀態(tài)，使用PLC對拉力信號進行分析處理并通過變頻器對電機發(fā)出控制信號，使杠鈴適中處于可控的狀態(tài)。該設(shè)計可以對舉重運動員提供有效的保護措施，降低舉重運動的危險性。

【關(guān)鍵字】舉重;PLC;電機;拉力傳感器

中圖分類號： TS952.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）03-0229-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.03.095

PLC based weight protection device

RONG Bing-xue

（Henan Experimental Wenbo School High School，Zhengzhou Henan 450002，China）

【Abstract】Due to the high risk of weightlifting and the lack of protective measures for weightlifters，a new weight lifting protection device based on PLC is proposed.The weight protection device uses a tension sensor to detect the motion state of the barbell，uses PLC to analyze and process the tension signal，and sends a control signal to the motor through the inverter，so that the barbell is moderately controlled.The design can provide effective protection measures for weightlifters and reduce the risk of weightlifting.

【Key words】Weightlifting;PLC;Electrical machinery;Tension sensors

0 引言

舉重是一項歷史悠久的運動，既可以鍛煉身體，又可以用來測試人的體力。古希臘人、羅馬人曾用舉重訓(xùn)練士兵，中國早在兩千多年前就有舉重高度記錄，從晉代到清代，舉重一直作為武考的科目之一。現(xiàn)代舉重運動18世紀(jì)末開始興起，逐漸被列為正式比賽項目。從1896年希臘舉行的第一屆奧運會，舉重開始成為正式的國際比賽項目。舉重與健力和健美相比，門檻要求較高，除對力量的要求外，對技巧和身體協(xié)調(diào)要求也很高，舉重過程涉及多次重心轉(zhuǎn)移，除了需要各種單一方向的最大絕對力量以外，還需要精確的力量轉(zhuǎn)移與卸除的技巧、爆發(fā)力以及全身協(xié)調(diào)性。正是因為舉重能夠訓(xùn)練最大力量、爆發(fā)力、協(xié)調(diào)性以及靈活度，所有許多其他種類的專項運動（例如籃球等），也會把舉重列入訓(xùn)練計劃表。舉重訓(xùn)練，還有增強力量、增加快肌纖維、增加身體協(xié)調(diào)性、增強心血管功能、燃燒脂肪等作用，所有在健身房中，經(jīng)?？梢钥吹竭M行舉重鍛煉的身影。但是，舉重作為一種挑戰(zhàn)極限的運動，經(jīng)常造成肩、肘、腕、腰、膝關(guān)節(jié)等關(guān)節(jié)損傷[1]，危險系數(shù)非常高。歷屆奧運賽場上，舉重意外時有發(fā)生，如2008年北京奧運會，匈牙利選手亞諾什，2012倫敦奧運會，韓國名將史載赫，2012年倫敦奧運會，德國選手馬蒂亞斯-施泰納，2016年里約奧運會亞美尼亞選手卡拉佩特?fù)P等。在網(wǎng)上搜索“舉重+意外”，健身房中發(fā)生的意外也比比皆是。

目前，舉重運動的保護措施一般從兩方面進行，一方面是提前訓(xùn)練以降低安全隱患，文獻(xiàn)[1-2]提出通過運動前心理和生理上的訓(xùn)練來預(yù)防舉重運動中的安全隱患，并可以采用康復(fù)訓(xùn)練加快受傷部位的恢復(fù)，但是該類方法只是減小了事故發(fā)生率，對于舉重運動中正在發(fā)生意外事故的運動員沒有任何保護作用;另一方面是采用裝備輔助的方式，在事故發(fā)生時降低事故的危害，文獻(xiàn)[3]采用液壓伺服原理，在運動員舉重時，使保護裝置始終跟隨杠鈴運動，以保證托架始終處于杠鈴正下方，當(dāng)運動員對杠鈴失去控制時，托架及時托住杠鈴，防止墜落壓傷運動員，但是該方法將壓力傳感器設(shè)置在杠鈴內(nèi)部，可靠性低，機械結(jié)構(gòu)與電子設(shè)計都較為復(fù)雜，使用不便;文獻(xiàn)[4]對加壓舉重服在抓舉發(fā)力階段的關(guān)節(jié)受力、彎曲度等方面做了功能分析，分析指出加壓舉重服更有利于舉重運動員的力量輸出與脊柱穩(wěn)定，可以起到一定的保護作用，但是，當(dāng)杠鈴失控事故發(fā)生時，加壓舉重服對舉重運動員沒有保護作用。

為了保護舉重運動員在舉重過程中免收損傷，本文設(shè)計了一種基于PLC的舉重保護裝置。基本原理是將杠鈴與鋼絲繩相連，通過拉力傳感器將鋼絲繩中的拉力信號傳輸?shù)絇LC中，改變變頻器的輸出頻率對電機進行精確控制，電機帶動傳動輪實現(xiàn)對杠鈴的控制，該裝置還可以手動操作，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。

1 系統(tǒng)工作原理

本設(shè)計的硬件系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，主要包括主控板、電機、拉力傳感器、杠鈴、鋼絲繩以及其他支撐裝置等，其中主控板主要由PLC控制器和變頻器組成。

系統(tǒng)工作時，舉重運動員在檢測裝置沒有連接錯誤后，打開電源，PLC、變頻器、電機、拉力傳感器、限位開關(guān)等裝置上電工作;拉力傳感器實時檢測鋼絲繩中的拉力信號，并傳輸?shù)絇LC中;PLC將拉力傳感器的拉力信號與預(yù)設(shè)的拉力值相比較，判斷杠鈴是否處于失控狀態(tài)，再輸出相應(yīng)的控制信號給變頻器;變頻器接收到PLC的控制信號后，輸出一定頻率的電壓信號給電機，使電機以一定速度轉(zhuǎn)動;電機使鋼絲繩始終處于緊繃、但又不影響運動員舉重的狀態(tài)。當(dāng)運動員因為操作失誤使得杠鈴?fù)蝗皇Э叵侣鋾r，拉力傳感器會檢測到一個突變的較大拉力值，并傳輸給PLC進行分析對比，PLC輸出相應(yīng)的控制信號給變頻器使電機停轉(zhuǎn)，讓杠鈴立即停止下落，達(dá)到保護運動員的目的。限位開關(guān)作為預(yù)防措施，可以在電機過轉(zhuǎn)和拉力傳感器損害時將杠鈴的活動范圍控制在對運動員和設(shè)備都安全的范圍內(nèi)。為了能夠方便的移動和操作杠鈴，該系統(tǒng)還有手動操作的功能，通過按鈕控制PLC發(fā)出控制信號，實現(xiàn)杠鈴的上升與下降。

2 電氣系統(tǒng)設(shè)計

電氣系統(tǒng)是本設(shè)計的核心部分，其中主要包括PLC、變頻器、拉力傳感器、電機，如圖2所示，限位開關(guān)和拉力傳感器的信號傳入PLC中，PLC通過變頻器控制電機。

其中，PLC是核心控制部件，相對于其他處理器具有可靠性高、耐用性強、抗干擾能力強等優(yōu)點。本設(shè)計選用西門子S7-221的PLC作為控制器，該型號擴展性好、可靠性高、操作簡單。PLC接220V電源，同時接收拉力傳感器和限位開關(guān)的信號，并輸出調(diào)節(jié)信號到調(diào)頻器。

限位開關(guān)又叫行程開關(guān)，被用來限制機械運動的位置或行程，使運動機械按一定位置或行程自動停止、反向運動、變速運動或自動往返運動等，可被分為接觸式與非接觸式。本文采用松下PM-L45光電式非接觸式限位開關(guān)，具有體積小、可靠性強、靈敏度高、防止機械磨損等優(yōu)點。限位開關(guān)直接與PLC 的I/O口相連。

拉力傳感器選用額定負(fù)載大于300KG，靈敏度2+0.05mv/v的傳感器。拉力傳感器的輸出信號為與所受拉力成正比的毫伏級電壓信號，PLC的模擬量輸入模塊無法直接處理，故采用經(jīng)濟型放大器RW-ST01將信號放大到0～10V的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)過程信號供PLC的模擬量模塊處理。該連接方法系統(tǒng)靈活、編程方便、系統(tǒng)反應(yīng)速度快。

變頻器通過接收PLC的控制信號，輸出不同頻率、不同電壓的控制信號來控制交流電機的轉(zhuǎn)速，變頻器還具有如節(jié)能、過流、過壓、過載保護等保護功能。接線過程中，PLC和變頻器上的RS485通訊接口相連，采用PLC編程通信控制，這種連接方式可以實現(xiàn)無級變速，具有速度變換平滑、速度控制精確，適應(yīng)性好等特點。

電機選用功率為600～700W、最大轉(zhuǎn)速為1500r/min的交流繞線異步電機，其實際轉(zhuǎn)速與變頻器輸出頻率成正比。在變頻器與電機的放置方面，由于變頻器輸出的電壓波形不是正弦波，包含有大量的諧波成分，其中的高次諧波會使變頻器輸出電流增大，造成電機繞組發(fā)熱、產(chǎn)生振動和噪聲、加速絕緣老化等，并且各種頻率的諧波會向空間發(fā)射一定程度的無線電干擾，因此，需要把變頻器安放在電機附近。

3 總結(jié)

本文提出的舉重保護裝置，通過機械結(jié)構(gòu)與電氣裝置相結(jié)合的方式實現(xiàn)舉重保護，其中，通過拉力傳感器反饋拉力信號，使用PLC對拉力信號實時處理，再控制電機實施保護。目前，舉重保護裝置的研究并非熱點，但是隨著人們物質(zhì)和精神生活的日益豐富，人們對體育運動也會有更多的關(guān)注。該舉重保護裝置設(shè)計簡單，行之有效，能夠極大地保護舉重運動員和鍛煉者的安全，具有良好的應(yīng)用前景。

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