Комплекс для измерения параметров грузоподъемных машин

УДК 62-51

КОМПЛЕКС ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ МАШИН

В. А. Раевский, П.В. Витчук, А.В. Осницкий, К.С. Коломиец

Рассмотрены особенности разработанного аппаратного комплекса измерения медленно меняющихся сигналов, который может применяться как часть системы регистрации параметров грузоподъемных машин. Раскрыта элементная база комплекса, описано функционирование его блоков. Приведены результаты апробации комплекса.

Ключевые слова: грузоподъемная машина, измерение параметров, аппаратный комплекс.

В настоящее время в Российской Федерации наблюдается ситуация, когда потребителям приходится работать с парком физически изношенных, морально устаревших грузоподъемных машин (ГПМ) [1] и приборов безопасной эксплуатации.

С другой стороны, во многих отраслях на стадии строительства и ввода в эксплуатацию находится сравнительно большое количество объектов, где будут использоваться ГПМ с обязательной реализацией функций контроля параметров системы [2 - 6 и др.]. К таким параметрам относятся показания датчиков контроля температуры, давления, положения, скорости, усилий, концевых выключателей и другие сигналы, передаваемые от оборудования объекта управления в систему управления [7, 8].Важным условием является применение аппаратного и программного обеспечения отечественного производства, в основе которого лежат общепринятые языки программирования, а также сопряжение датчиков на общем интерфейсе. В некоторых случаях система должна функционировать в автоматическом режиме, оператор требуется лишь для считывания информации. Подобные требования приводят к использованию в системе либо персональных компьютеров, либо программируемых логических контроллеров.

Авторами разработан аппаратный комплекс измерения медленно меняющихся сигналов, который может являться частью системы регистрации параметров грузоподъемных машин (рис. 1). Разработанный комплекс позволяет подключать тензодатчики и термопары и, таким образом, измерять нагрузки и температуру.

К восьми платам измерительных усилителей подключаются соответствующие витые пары, идущие от датчиков. Измерительные усилители одновременно усиливают сигнал и ослабляют входящую помеху. Далее усиленный сигнал поступает на входы аналогового мультиплексора, являющегося частью восьмиканального коммутатора, последовательно опрашивающего измерительные усилители и передающего сигнал на вход

аналого-цифрового преобразователя, так же являющегося часть коммутатора. Аппаратный комплекс взаимодействует посредством стандартного порта LPT как с персональным компьютером, так и с программируемыми логическими контроллерами, включенными в системы управления (т. е. может являться частью полноценного программно-аппаратного блока регистрации параметров). В данный момент для семейства ОС Windows разработан драйвер, который передает управляющие сигналы ADRESS на вход мультиплексора, CHIPSELECT и CLOCK - на входы аналого-цифрового преобразователя; принимает сигнал OUT с выхода АЦП. Также разработана программа пользователя, показания записываются в формате модельных файлов, что позволяет существенно упростить их дальнейший анализ.

Рис. 1. Блок-схема аппаратного комплекса измерения медленно меняющихся сигналов

Ниже приведено более детальное описание критических узлов данного аппаратного комплекса и отмечены его особенности (рис. 2).

Источник питания выполнен на микросхемах КР142ЕН5А, КР142ЕН6 и ТЬ431. Микросхема КР142ЕН6 представляет собой двуполяр-ный стабилизатор с фиксированным выходным напряжением +15 В и возможностью его регулировки в пределах от +5 до +20 В. Прибор имеет два вывода для коррекции каналов положительного и отрицательного напряжения.

Рис. 2. Электрическая схема аппаратного комплекса измерения медленно меняющихся сигналов

123

Микросхема КР142ЕН5А - трехвыводной стабилизатор с фиксированным выходным напряжением +5 В, обладающий внутренней термозащитой, защитой выходного транзистора и ограничением тока короткого замыкания.

Нестабильность вырабатываемого выходного напряжению составляет не более 0,1 В, выходное напряжение шума составляет около 40 мкВ, коэффициент подавления пульсаций - около 80 дБ.

Управляемый регулятор/стабилизатор напряжения ТЬ431 является источником опорного прецизионного напряжения для АЦП. С помощью внешних резисторов возможно задать необходимую величину выходного напряжения в пределах от +2,5 до +36 В. Нестабильность вырабатываемого выходного напряжения составляет ±0,4 %.

Более подробно следует остановиться на рассмотрении инструментальных усилителей 8-канального коммутатора.

Основой измерительного усилителя является инструментальный усилитель А0623. Это интегральная микросхема на трех операционных усилителях с внутренними согласованными резисторами, обеспечивающая возможность одновременного усиления сигнала и ослабления индустриальных помех; характеризуется практически полным отсутствием влияния выходного сопротивления на дифференциальный коэффициент усиления и коэффициент ослабления синфазного сигнала. Питающее напряжение составляет ±2,5...±6 В, коэффициент усиления 1...1000, смещение нуля 0,2 мВ, погрешность усиления не более 0,35 %, коэффициент ослабления синфазного сигнала около 90 дБ без подстройки. Микросхема имеет выводы для подключения внешнего резистора, которым задается дифференциальный коэффициент усиления. Следует отметить, что на выбор данной микросхемы в качестве инструментального усилителя повлиял следующий факт: низким внутренним шумом обладают только входные операционные усилители; выходной операционный усилитель значительно большую величину шума, поэтому инструментальный усилитель с большим коэффициентом усиления имеет шум, приведенный к входу, значительно меньший, чем с единичным коэффициентом усиления. Тоже самое касается и смещения нуля.

ЯС-фильтр, находящийся перед инструментальным усилителем обеспечивает дополнительную фильтрацию высокочастотных входных помех, т.к. полезный сигнал является низкочастотным.

Восьмиканальный коммутатор объединяет в себе аналоговый мультиплексор, построенный на базе микросхемы последовательного доступа А00608, и аналого-цифровой преобразователь на базе комплементарной металл-окисел-полупроводниковой логики ТЬС549.

Аналоговый мультиплексор выполнен на микросхеме А00608, напряжение питания данного устройства составляет +3, +5, ±5, ток утечки в открытом состоянии 0,05 нА, время открытия/закрытия 80 и 40 нс соответственно, инжекция заряда 4 рС. Каждый из ключей до мультиплексора

124

представляет собой аналоговый КМОП-ключ. Дешифратор декодирует адрес, представленный в двоичном коде и включает только адресованный ключ, блокируя остальные. Адрес требуемого канала (ADR) передается через LPT-порт персонального компьютера или программируемого логического контроллера. Таким образом, данное устройство последовательно подключает ко входу АЦП один из восьми выходов измерительных усилителей.

TLC549 - последовательный КМОП АЦП, построенный на основе 8-битного АЦП на коммутируемых конденсаторах. Это устройство позволяет передавать по последовательному интерфейсу с тремя состояниями результат преобразования аналогового входного сигнала.

Для управления работой нужно подать на него только синхроимпульсы вывода данных (CLK) и сигнал выбора кристалла (CS) посредством LPT-порт персонального компьютера или программируемого логического контроллера. Входы опорного напряжения, лежащего в пределах от 3 до 6 В, являются дифференциальными, что позволяет производить относительное преобразование и масштабирование и снизить влияние шумов питания. Максимальная частота синхронизации данных равна 1,1 МГц, максимальная производительность 40 тыс. преобразований в секунду, максимальное время преобразования 17 мкс. В дополнение к быстродействующему конвертеру и перенастраиваемой управляющей логике прибор содержат устройство выборки-хранения, которое может работать в автономном режиме или под управлением микропроцессора. Кроме того, встроенный генератор системных синхроимпульсов с типовой частотой 4 МГц, позволяет работать независимо от наличия сигналов синхронизации вывода данных. Применение технологии коммутируемых конденсаторов позволяет производить преобразование с малой ошибкой (не более ±0,5 LSB) за 17 мкс во всем диапазоне измеряемых параметров.

Для проверки комплекса в режиме измерения нагрузок применялся тензодатчик силы БП-05-200 с нормативным пределом измерений 200 кг и рекомендуемым напряжением питания 5В.

Программная часть комплекса калибровалась на эталонную массу груза в 50 кг, затем проводились измерения с эталонными грузами 100, 150 и 200 кг.

По результатам обработки экспериментальных данных аппаратный комплекс адекватно описывает измерение нагрузок на 5 %-ном уровне значимости.

Также определенный интерес представляет функционирование комплекса в случае измерения некоторых интегральных характеристик, зависящих от времени, например, температуры. Для проверки в режиме измерения температурных параметров производилась ручная дуговая на-

плавка круговых валиков на пластину из стали Ст3. Сравнивались результаты измерения термических циклов лазерным пирометрированием и с помощью разработанного комплекса на расстоянии 30 мм (рис. 3, а) и 20 мм (рис. 3, б) от центра валика.

В качестве термопар применялись 8-термопары (платина (10 %) ро-дий(+) - платина(-)) нулевой категории. Функциональную зависимость температуры от напряжения получали, аппроксимируя значения, представленные в информационном листе к термопаре. Ошибка аппроксимации не превышает 0,05 %.

В качестве стороннего измерительного прибора применялся лазерный пирометр СЕМ БТ-8863.

а

б

Рис. 3. Сравнение термических циклов, полученных измерением пирометрированием и с помощью аппаратного комплекса

По результатам обработки экспериментальных данных аппаратный комплекс адекватно описывает измерение температур на 10 %-ном уровне значимости.

Список литературы

1. Годовой отчет о деятельности Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору в 2016 году. М.: ЗАО «Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности», 2017. 397 с.

2. Красильникова О.А., Ломакина Н.С. Тенденции и варианты развития морских портов России // Молодой ученый. 2014. №7. С. 133-136.

3. Марцинкевич Б. АЭС в России до 2030 года // Газоэнергетика.ру. Аналитический онлайн-журнал [Электронный ресурс]. URL: http://geoenergetics.ru/2016/08/12/aes-v-rossii-do-2030-goda/ (дата обращения: 02.02.2018).

4. Раевский В. А., Федин Р. А. Автоматизация и роботизация транспортных операций при производстве сварных двутавровых балок // Альманах современной науки и образования. 2016. № 3 (105). C. 103-105.

5. Романов Д. А., Анцев В.Ю., Толоконников А.С. Разработка методики диагностики и расчета остаточного ресурса металлоконструкций грузоподъемных машин методом магнитной памяти металла // ИНТЕРСТРОйМЕХ-2014: материалы международной научно-технической конференции, 9 - 11 сентября 2014 г., Самара / СГАСУ. 2014. С. 246249.

6. Романов Д.А., Анцев В.Ю., Толоконников А.С. Адаптация метода магнитной памяти металла к применению в диагностике и расчете остаточного ресурса металлоконструкций ГПМ // Инновации, качество и сервис в технике и технологиях: сборник научных трудов 4-й Международной научно-практической конференции, г. Курск, 04-05 июня 2014 г.: В 3 т. Т. 2. Курск: ЗАО «Университетская книга», 2014. С. 122-124.

7. Александров М.П. Грузоподъемные машины. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. 522 с.

8. Алгоритмы нечёткой логики в управлении устойчивостью стационарного башенного крана / П.А.Сорокин, В.Ю.Анцев, А.В.Редькин, В.А.Обыдёнов// Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2011. Вып. 4. С. 238 - 245.

Раевский Владимир Алексеевич, канд. техн. наук, var-77@mail.ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет),

Витчук Павел Владимирович, канд. техн. наук, zzz Ventor@yandex.ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана (национальный исследовательский университет),

Осницкий Александр Вячеславович, студент, Osnizkii-ne-@mail.ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет),

Коломиец Константин Степанович, аспирант, konkolomiec@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

SYSTEM FOR MEASUREMENT THE PARAMETERS OF LIFTING MACHINES V.A. Raevsky, P.V. Vitchuk, A.V. Osnitsky, K.S. Kolomiets

The article discusses the features of the developed hardware complex measuring slowly changing signals, which can be used as part of the system of recording the parameters of lifting machines. The element base of the complex is revealed, the functioning of its blocks is described. Results of approbation of the complex.

Key words: hoisting machine, measurement parameters, hardware.

Raevskiy Vladimir Alekseevich, candidate of technical sciences, var-77@mail.ru, Russia, Kaluga, Moscow Bauman State Technical University, Kaluga Branch,

VitchukPavelVladimirovich, candidate of technical sciences, zzzVentor@yandex.ru, Russia, Kaluga, Moscow BaumanState Technical University, Kaluga Branch,

Osnitsky Alexander Vyacheslavovich, student, Osnizkii-ne-@mail.ru, Russia, Kaluga, Moscow BaumanState Technical University, Kaluga Branch,

Kolomiets Konstantin Stepanovich, postgraduate, konkolomiec@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University