Zusammenfassung: Dieser Artikel stellt einen Kranmomentbegrenzer vor, der den Ein-Chip-Mikroprozessor ATMEGA128 als Hauptsteuerung nutzt. Zudem werden neue Technologien und Methoden zur Verbesserung der Störfestigkeit und Messgenauigkeit vorgestellt. Der Momentbegrenzer verfügt über zahlreiche Funktionen wie Überlastschutz und -warnung, Datenaufzeichnung und Parameteranzeige. Schlüsselwörter: Kran; Moment; Begrenzer; Ein-Chip-Mikroprozessor 1 Einleitung Um Kranunfälle wie Umkippen und Auslegerbruch aufgrund unsachgemäßer Bedienung und zu hoher Hubmomente zu verhindern, müssen Krane mit Momentbegrenzern ausgestattet sein, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Als Sicherheitsvorrichtung muss der Momentbegrenzer hohe Zuverlässigkeit, Stabilität und Messgenauigkeit aufweisen. Daher wurde der Mikrocontroller ATMEGA128 als Hauptsteuerungs-CPU des Momentbegrenzers eingesetzt. Verschiedene neue Technologien und Methoden wurden in das Design integriert, um die Messgenauigkeit und Störfestigkeit des Systems zu verbessern. 2 Systemaufbau und Funktionen Der Momentbegrenzer besteht im Wesentlichen aus einem Drucksensor, einem Winkelsensor, einem Längensensor sowie einem System zur Messung, Datenübertragung und -verarbeitung. Die von außen zu messenden Signale – das Hubgewicht der Haupt-/Hilfshaken, der Auslegerwinkel und die Auslegerlänge (bei LKW-Kranen) – werden von den jeweiligen Sensoren erfasst, vorverarbeitet und verstärkt, bevor sie per Kabel an die Steuerung übertragen werden. Der ATMEGA128-Mikrocontroller empfängt das A/D-Signal, führt die entsprechenden Berechnungen durch und ermittelt den Auslegerwinkel, den Arbeitsradius, das tatsächliche Hubgewicht, das Nennhubgewicht und das Verhältnis von tatsächlichem zu Nennhubgewicht. Diese Informationen werden anschließend angezeigt und zur Steuerung ausgegeben. Bei Alarmen werden Daten protokolliert. Zusätzlich können Daten über eine serielle Schnittstelle an einen Host-Computer übertragen werden. Die Hauptfunktionen dieses Systems sind: 1. Die sichere Überwachung des Hubmoments des Krans und die Echtzeitanzeige von Arbeitsradius, tatsächlichem Hubgewicht, Nennhubgewicht, Auslegerwinkel und Uhrzeit. 2. Die chinesische Benutzeroberfläche ermöglicht die Einstellung von Parametern wie Warn- und Alarmwerten, Seilanzahl und Auslegerlänge sowie die Kalibrierung der Echtzeituhr. Betriebsmodusauswahl und Nullpunktkalibrierung des tatsächlichen Hubgewichts. 3. Wenn das Verhältnis des tatsächlichen Hubgewichts zum Nennhubgewicht den Warnwert überschreitet oder erreicht, blinkt die Kontrollleuchte als Warnung. 4. Wenn das Verhältnis des tatsächlichen Hubgewichts zum Nennhubgewicht den Alarmwert überschreitet oder erreicht, gibt das System einen akustischen und optischen Alarm aus und stoppt gleichzeitig die Kranbewegung in die Gefahrenrichtung, lässt sie aber in die sichere Richtung zu. Es protokolliert außerdem abnormale Hubzustände wie Gefahr und Überlastung zur Analyse, Abfrage und Verwaltung. 3. Hardware-Design: Der Drehmomentbegrenzer wird in rauen Umgebungen eingesetzt, und Krane unterliegen sehr hohen Zuverlässigkeitsanforderungen. Daher berücksichtigt das Design hauptsächlich Datenerfassung, Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Datenaufzeichnung sowie Störfestigkeit. Der Hauptcontroller des Systems verwendet einen ATMEGA128-Mikrocontroller mit integriertem 128 KB Flash-Speicher, 4 KB programmierbarem EEPROM und 4 KB SRAM. Er verfügt außerdem über zwei Vollduplex-UART-Schnittstellen. Das Hardware-Strukturdiagramm dieses Systems ist in Abbildung 1 dargestellt. 3.1 Datenerfassungskanal: Das Hubgewicht und der zugehörige Arbeitsradius der Haupt-/Hilfshaken werden von den jeweiligen Sensoren erfasst und verstärkt, bevor sie an den A/D-Wandler gesendet werden. Zur Vereinfachung des Designs und zur Kostenreduzierung wird ein Single-Chip-A/D-Wandler mit mehreren Signalen für die Zeitmultiplex-Wandlung verwendet. Das Hubgewicht wird von einem Brückendrucksensor erfasst, dessen Ausgangsspannungssignal 0–20 mV beträgt. Normalerweise wird dieses Millivolt-Signal zur Verstärkung direkt über ein Kabel an die Verstärkerschaltung des Systems übertragen. In der Praxis zeigt sich jedoch, dass dieses Spannungssignal bei der Übertragung über lange Distanzen in rauen Industrieumgebungen häufig Störungen unterliegt, was die Erfassungsgenauigkeit und den ordnungsgemäßen Betrieb des Systems beeinträchtigt. Um dieses Problem zu lösen, wird das Sensorsignal in diesem Systemdesign vorverarbeitet und auf 0–5 V verstärkt, bevor es zur A/D-Abtastung an die CPU gesendet wird (siehe Abbildung 2). 3.2 Ausgangssteuerungsschnittstelle: Während des Kranbetriebs wird eine „Sicher“-Meldung auf dem Bildschirm angezeigt, wenn das Verhältnis der tatsächlichen zur Nennlast unterhalb des Warnwerts liegt. Liegt der Wert über oder gleich dem Warnwert, erscheint eine Warnmeldung und ein akustisches Signal ertönt intermittierend. Wird der Alarmwert oder die obere/untere Grenze des Arbeitsradius überschritten, erscheint eine Alarmmeldung, der Summer ertönt dauerhaft und die Kranbewegung in Gefahrenrichtung wird gestoppt. Die Bewegung in sicherer Richtung ist weiterhin möglich. 3.3 Echtzeit-Datenerfassung und Hardware-Störschutz: Bei Überlastung des Krans müssen die tatsächliche Last, die Nennlast, der Arbeitsradius und weitere Betriebsparameter sowie der Zeitpunkt der Überlastung in Echtzeit erfasst werden. Diese Daten dienen als Grundlage für die Unfallanalyse und den Erfahrungsaustausch. Das System verwendet den Echtzeituhr-Chip DS1302. Dieser Chip ist an eine externe Lithiumbatterie angeschlossen, zeichnet sich durch hohe Betriebsstabilität und präzise Zeitsteuerung aus und kann direkt an den PE-Port der CPU angeschlossen werden, wodurch die Systemanforderungen erfüllt werden. Bei starken Störungen im Betrieb kann es zu Programmabstürzen oder Endlosschleifen und somit zu Fehlfunktionen des Programms kommen. Der Drehmomentbegrenzer stellt hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit; daher müssen wirksame Maßnahmen ergriffen werden, um Fehlfunktionen zu verhindern. Das Hardware-Störschutzsystem verwendet den Xicor X5043-Chip als Watchdog-Timer, der Systemstart/manuelles Zurücksetzen, Watchdog-Timer-Funktionen und die Überwachung der Versorgungsspannung übernimmt. Die ATMEGA128-CPU verfügt über 4 KB internen EEPROM als Blackbox-Datenspeicher. Zusätzlich ist ein externer serieller 2-Draht-EEPROM 24C1024 mit 128 KB Kapazität für spezielle Anwender zur Speicherung großer Datenmengen vorhanden. 3.4 Die Kommunikationsschnittstelle nutzt den MAXIM MAX485 zur seriellen Kommunikation mit dem Host-Computer und zur Übertragung der Blackbox-Daten. 4 Software-Design Der Drehmomentbegrenzer wird je nach Anwendung in Drehmomentbegrenzer für LKW-Krane, Raupenkrane und Portalkrane unterteilt. Alle Drehmomentbegrenzer verwenden dieselbe Hardware, und die drei verschiedenen Softwareprogramme sind jeweils einem der drei Drehmomentbegrenzer für LKW-Krane, Raupenkrane und Portalkrane zugeordnet. Die drei Softwareprogramme weisen dieselbe Grundstruktur auf, unterscheiden sich jedoch geringfügig in den spezifischen Abtastvariablen und Berechnungen. In diesem Artikel wird der grundlegende Software-Designprozess am Beispiel des Drehmomentbegrenzers für LKW-Krane erläutert. Das Hauptflussdiagramm der Software ist in Abbildung 3 dargestellt. 4.1 Initialisierung: Setzen des Anfangswerts von SP; Löschen des vom Programm verwendeten internen RAM-Bereichs auf 0; Zuweisen des Anfangswerts zum DC-Ausgangsrelais; Initialisierung des seriellen Ports 0 (RS-485) (Baudrate auf 9600 einstellen, Empfangsstatus); EEROM-Zeiger (Zeiger auf den Datenspeicher); Initialisierung des Punktmatrix-LCDs, Anzeige der Anfangsanzeige (Anzeige von Gerätemodell, Hersteller und Kontaktnummer). Initialisieren Sie die Echtzeituhr (DS1302); initialisieren Sie den Watchdog-Timer (X5043) und aktivieren Sie ihn; initialisieren Sie den Interrupt und aktivieren Sie ihn. 4.2 Datenerfassung: Erfassen Sie jeweils 64 Signalpunkte für Winkel-, Längen- und tatsächliches Hubgewicht. Entfernen Sie Ausreißer gemäß dem Gesetz der großen Zahlen und glätten Sie die verbleibenden Punkte, um die Winkel-, Längen- und tatsächlichen Hubgewichtswerte zu erhalten. 4.3 Berechnung: Winkel = Winkelwert * Winkelkoeffizient; Länge = Längenwert * Längenkoeffizient + Grundauslegerlänge; Amplitude = Länge * cos(Winkel) - R0; Nenntragfähigkeit = F (Länge, Amplitude); Tatsächliche Tragfähigkeit = Tatsächlicher Tragfähigkeitswert * Anzahl der Drahtseile * Gewichtskoeffizient - Nullpunktkorrekturwert für leeren Haken in % = Tatsächliche Tragfähigkeit * 100 / Nenntragfähigkeit. Basierend auf den berechneten Werten werden Sicherheits-, Warn- und Alarmstatus beurteilt. 4.4 Anzeige: Der Bildschirm zeigt die tatsächliche und die Nenn-Hubkraft in Prozent, die Amplitude, die Länge, den Winkel und entsprechende Werte in chinesischer Schrift an. Die Anzeige chinesischer Zeichen erfolgt über verschiedene Treiberfunktionen: `Printstr 8X16` zeigt eine Zeichenkette (einschließlich chinesischer Zeichen) als 8x16-Punktmatrix an; `Printstr 16X16` zeigt eine Zeichenkette (einschließlich chinesischer Zeichen) als 16x16-Punktmatrix an; `Printlong8X16` zeigt Zahlen als 8x16-Punktmatrix an; `Printlong16X16` zeigt Zahlen als 16x16-Punktmatrix an. Durch Aufruf dieser Funktionen im Programm lassen sich chinesische Zeichen oder Zahlen an beliebiger Position auf dem Bildschirm anzeigen. 4.5 Ausgangssteuerung: Überschreitet der Winkel den oberen Sicherheitsgrenzwert, verhindert das Ausgangssteuerrelais 1 eine weitere Winkelerhöhung; unterschreitet der Winkel den unteren Sicherheitsgrenzwert, verhindert das Ausgangssteuerrelais 2 eine Winkelverringerung. Wenn der Prozentsatz der tatsächlichen Hubkraft im Verhältnis zur Nennhubkraft den Alarmwert erreicht oder überschreitet, verhindern die Ausgangssteuerrelais 2 und 3 ein Absenken des Winkels und das Anheben des Gewichts. Dies dient gleichzeitig als Blackbox-Datenspeicher. 4.6 Blackbox-Datenspeicherung Die Blackbox-Daten werden im internen EEPROM der CPU gespeichert. Jeder Datensatz umfasst 12 Byte (siehe Tabelle 1). Ein Lesebefehl vom Host-Computer (PC) über die serielle Schnittstelle sendet die Blackbox-Daten an den PC. Ein Löschbefehl löscht alle Blackbox-Daten. 4.7 Tastenfunktionen 4.7.1 Nullstellungstaste: Abtastung des Leergewichtssignals des Hakens mithilfe des A/D-Wandlers, Multiplikation mit dem entsprechenden Koeffizienten und Speicherung des Nullstellungswerts als Leergewicht des Hakens im EEPROM. 4.7.2 Einstelltaste: Eingabe des Passworts erforderlich. Geben Sie Passwort 1 ein, um die Echtzeituhr einzustellen. Die aktuelle Uhrzeit wird angezeigt. Ändern Sie die entsprechende Zahl unter der Cursorposition, bewegen Sie den Cursor und speichern Sie die korrigierte Uhrzeit. Geben Sie Passwort 2 ein, um die Parameter einzugeben. Pro Bildschirm wird ein Parameter angezeigt. Nach der Änderung wechselt das System zum nächsten Bildschirm, um den nächsten Parameter anzuzeigen, oder kehrt zum Normalbetrieb zurück. Folgende Parameter können geändert werden: Alarmwert, Warnwert, oberer Grenzwert der Winkelsicherheit, unterer Grenzwert der Winkelsicherheit und verzögerte Alarmzeit. 4.8 Serielle Kommunikationsverarbeitung Dieses System verwendet passives Polling. Der Empfang über die serielle Schnittstelle erfolgt im Interrupt-Modus, die Übertragung im Polling-Modus. Befehle der seriellen Schnittstelle: 4.8.1 Befehl zum Lesen von Blackbox-Daten (3 Byte) Siehe Tabelle 2. Wenn die serielle Schnittstelle die Befehle 0AH, 41H und 0DH empfängt, werden die gespeicherten Blackbox-Daten an den Host-Computer gesendet. Die Datenübertragungsstruktur ist in Tabelle 3 dargestellt. Hinweis: Das Datenformat jeder Gruppe ist in Tabelle 4 dargestellt. 4.8.2 Blackbox-Daten löschen (siehe Tabelle 5). Wenn die serielle Schnittstelle die Befehle 0AH, 43H und 0DH empfängt, wird der Blackbox-Zeiger auf die Ausgangsposition zurückgesetzt, der Gruppendatenwert auf 0 gesetzt und eine Antwort an den Host-Computer gesendet. Die Datenstruktur ist in Tabelle 6 dargestellt. 5. Fazit: Dieses System verwendet in seinem Design einige neue Technologien und Methoden, insbesondere die störungsfreie Verarbeitung schwacher Signale bei der Hubgewichtserkennung, die als Referenz dienen kann. Als Kransicherheitsvorrichtung zeichnet sich dieses System durch hohe Störfestigkeit, umfangreiche Funktionen, geringe Größe und einfache Bedienung aus. Mehrere Parameteranzeigen und ein Überlastalarm ermöglichen es den Bedienern, den Betriebszustand des Krans zeitnah zu erfassen, die Arbeitseffizienz zu steigern und Unfälle effektiv zu vermeiden. Referenzen: [1] Song Jianguo (Hrsg.): AVR High-Single-Chip-Mikrocomputerprinzip und -anwendung. Peking: Verlag der Universität für Luft- und Raumfahrt Peking, 1998 [2] AVR ENHANCED RISC MICROCONTROLLER DATA BOOK WWW.ATMEL.COM [3] ATMEGA128 DATASHEETS WWW.ATMEL.COM Anhang: Anwendungsbereich dieses Drehmomentbegrenzers: 1. Raupenkrane: CH500, 60P, 85P, D308, D408, KH180-2, KH100, KH300, KH700, DLQ16, Gangbu-25T, DLQ40B, LS-518J, S-4100W, M-250, QUY50 und andere Modelle 2. LKW-Krane: NK20B, NK200BE, NK300, NK800, NK450, NK160B2, TG452, QY25D, QY16, JQZ25 usw. 3. Portalkrane: MQ40-30, MQ16-30, MQ10-30, MQ40-35 usw. Zugehörigkeit des Autors: Höhere Berufsfachschule für Maschinenbau und Elektrotechnik Wuxi Adresse: Nr. 5, Wangzhuang East Road, Neuer Bezirk, Wuxi, Jiangsu 214028 E-Mail: [email protected]