2022年门机抓斗实时监控系统 .pdf

（申请工学硕士学位论文）基于 FPGA 和单片机的门机抓斗作业实时监控系统培 养 单 位：自动化学院 学 科 专 业：控制科学与工程研究生：潘志伟 指 导 老 师：刘 清 教授2010年 5 月 基于FPGA和单片机的门机抓斗作业实时监控系统潘志伟武汉理工大学名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 31 页 -分类号密级暂不公开UDC 学校代码 10497 学位论文中文题目基于 FPGA 和单片机的门机抓斗作业实时监控系统英文The Design of Real-time Monitoring System of Grab Bucket 题目Operation for Portal Crane Based on FPGA and SCM 作者姓名潘志伟 姓名刘 清职称教 授学位博士单位名称自动化学院邮编 430063 申请学位级别硕士学科专业名称控制科学与工程论文提交日期 2010.4 论文答辩日期 2010.5.23 学位授予单位武汉理工大学学位授予日期答辩委员会主席评阅人2010年 5 月指导教师名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 31 页 -独 创 性 声 明本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生（签名）：日 期：关于论文使用授权的说明本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。(保密的论文在解密后应遵守此规定)研究生（签名）：导师（签名）：日 期 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 31 页 -武汉理工大学硕士学位论文I 摘要近年来，随着进出口贸易的快速发展，港口码头的货物吞吐量日益增加，对港口的货物转运能力提出了更高的要求。港口门座式起重机（以下简称门机）是港口码头前沿装卸一般散杂货的通用港口装卸起重机，在各海港、内陆码头都广泛使用。目前门机监控系统CMS（起重机监控系统，又称本地的起重机监控系统即 LCMS）和 RCMS（远程的起重机监控系统），只是完成港机/散货码头设备运行实时状态信息监控和港机/散货码头设备在线编程功能，如港口机械车载PLC状态监控，港口机械设备故障诊断，港口机械设备故障信息报警，港口机械电气控制部分远程故障排除，港口机械网络状态监控，港口机械历史故障信息查询及统计，港口机械故障处理记录及统计查询等，不包含机械设备操作数据的实时记录和作业量的实时监测。这是散货装卸目前的一个不足。本文研究的主要目的，是采用FPGA 和单片机，设计和实现一个基于门机抓斗作业记录的实时监控系统。本文对现有的门机散货抓斗作业的基本流程和门机的电气构造进行了必要的研究和分析，首先确定了系统设计技术方案，即在基于对抓斗动作相关信号采集的基础上，通过建立抓斗作业实时监控的过程约束，提出基于 FPGA+单片机的硬件开发思路设计监控系统对门机作业进行监控的思路。然后进一步地研究整个门机抓斗作业实时监控系统的构成。具体包括门机作业监控系统的作业信号采集，重量信号的获取、作业动作信号和门机旋转信号的采集方法，还有该系统的硬件系统的整体构成与设计方案，软件的设计流程等。由于门机上的电气环境和电磁环境比较恶劣，本文还讨论了门机作业实时监控系统的抗干扰设计问题。最后，门机抓斗作业实时监控系统成功在某港口门机上安装成功，并且在某港口矿石散货码头稳定运行数月之后，效果良好。本文还介绍了系统的实时运行情况、分析了抓斗作业历史信息。由于该系统有完善的数据保存和备份能力，数据的分析即依托与于门机实际作业的记录信息。通过分析作业监控系统历史信息可以看出该系统的安装运行对生产效率的提高发挥了积极作用。关键词：门机，抓斗作业，监控，FPGA，单片机名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 31 页 -武汉理工大学硕士学位论文II ABSTRACT In recent years,with the rapid development of import and export trade,the transshipment of port cargo increasing rapidly.Therefore there are higher requirements for the capacity on the port.As a general bulk cargo handling crane in bulk cargo ports,portal crane are widely used in mostly ports.Currently,the CMS(Crane Monitoring System,also known as local CMS)and RCMS could just complete port machinery/bulk cargo terminal equipment running real-time status information monitoring and port machinery/bulk cargo terminal equipment online programming features.Such as the PLC in the port machinery condition monitoring equipment,fault diagnosis equipment,port machinery and failure information alarm equipment,port machinery/electrical fault remote control,port machinery condition monitoring network equipment,port machinery failure treatment records and statistical inquiry,does not include machinery and equipment operational data real-time recording and monitoring of operation.This is a current shortage of bulk handling.The main purpose of this thesis is to adopt FPGA+SCM,design and implement a real-time monitoring system based on the portal crane grab bucket record.This thesis analyze the basic processes of portal crane grab operation and structure of portal crane.First decide the design of the monitoring system that are based on the signal acquisition of grab action,based on the obtain of process condition of real-time monitoring,established design solution of FPGA+SCM development.Then introduce the structure of real-time monitoring system of portal crane grab bucket.Including the grab bucket operation signal acquisition of portal crane,the acquisition of weight signal,the acquisition of action signal of portal crane,the acquisition of rotate signal,as well as overall composition and design of the hardware system,software system flow,etc.As the electrical environment and the electromagnetic environment on portal crane is harsh,the thesis is also discussed interference design of real-time monitoring system.Finally,the real-time monitoring system of portal crane is installed successfully on the port,and the results of the run is stable for several months bulk in a ore port.The thesis introduced real run of the real-time system as well,made analysis of historical information of grab operation.The data analysis relies on the recording information of actual operation on portal crane for the system has excellent data retention and backup capabilities.It can be seen that the installation of the real-time monitoring system has played an active role system by analyzing the operating history information.Key words:Portal Crane;Grab Operation;Monitoring;FPGA;SCM 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 31 页 -武汉理工大学硕士学位论文III 目录第 1 章绪 论.1 1.1 课题研究的意义.1 1.2 门机监控系统的研究现状.2 1.3 门机作业监控的难点与解决思路.4 1.4 课题来源及主要研究内容.6 第 2 章门机抓斗作业实时监控的系统总体结构.8 2.1 现有门机监控系统简述.8 2.2 门机抓斗作业实时监控系统整体设计方案.10 2.2.1 门机抓斗作业分析.12 2.2.2 门机实时监控系统整体结构.14 2.2.3 门机抓斗作业的实时监控及作业结果的判断.15 2.2.4 门机作业监控系统的抓斗作业安全生产方案.17 2.2.5 门机作业实时监控系统的应用环境.18 第 3 章门机监控系统的信号采集.21 3.1 门机旋转角度信号的采集.21 3.1.1 传感器系统的搭建.21 3.1.2 角度信号的隔离.22 3.2 门机抓斗作业动作信号的采集.23 3.2.1 抓斗动作信号的捕捉.23 3.2.2 抓斗动作信号的变换与隔离.25 3.3 门机抓斗作业重量信号的采集.26 第 4 章基于 FPGA+单片机的监控终端设备硬件设计.28 4.1 门机监控终端设备的硬件构成.28 4.2 关键元器件选型.29 4.3FPGA 控制电路的硬件设计.30 4.3.1 FPGA开发环境.30 4.3.2 FPGA主控电路.34 4.3.3 重量信号采集电路及接口设计.35 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 31 页 -武汉理工大学硕士学位论文IV 4.3.4 抓斗动作信号及角度信号采集电路.38 4.4AVR 单片机控制电路的硬件设计.39 4.4.1 A VR 单片机简介.39 4.4.2 A VR 主控电路的设计.40 4.4.3 A VR 单片机配置电路.41 4.4.4 键盘接口模块的设计.42 4.5FPGA 与单片机的数据通信.42 4.6 门机监控系统的抗干扰设计.43 第 5 章基于 FPGA 的门机监控系统的软件设计.45 5.1 作业参数设置程序设计.45 5.2IC 卡读写程序设计.46 5.3 抓斗作业程序设计.47 第 6 章门机监控系统运行结果分析.51 6.1 门机抓斗作业监控分析.51 6.2 多门机单船抓斗作业监控数据分析.52 第 7 章总结与展望.54 致谢.56 参考文献.57 攻读硕士学位期间发表的学术论文.60名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 31 页 -武汉理工大学硕士学位论文1 第 1 章绪 论1.1 课题研究的意义门机是广泛地应用于港口货物装卸的重型机械设备。建设现代化港口，高效快速的货物装卸设备与搬运系统是关键123。门机的作业监控水平，直接影响到现代港口的运行效率。伴随着计算机、电子信息、工业控制和传感器技术等高新技术的不断发展，各个工业领域的生产检控设备得到不断的完善与发展。门机作为现代港口的主力装卸设备之一，因其机械结构和电气控制系统复杂、作业频繁，与之相匹配的作业监控系统较少4。目前最为主要的设备级门机生产监控装置有风速报警仪和门机超负荷限制器等装置56。这类装置主要的功能是检测门机工作的风速环境和工作负载状态，确保门机的安全生产7。现阶段，港口门机在生产作业过程中，对现场门机装卸作业的实时进展情况没有一套科学的管理方法，而门机的管理部门有实时掌握门机生产进度的强烈需求。由于门机的类型多种多样、结构复杂、作业工况多，设计以传感器技术、电子信息技术为基础的门机生产作业量监控系统面临较大困难。要设计出科学的、有效的用于作业量监控的门机监控系统，主要面临的问题有：设备通用性问题，即针对不同型号、不同载重量的门机设计出通用性很强的门机监控系统；作业监控方式的设计，即在不同的门机和不同的控制系统的情形下，如何构建合适的传感器系统，设计一个通用的作业信号采集方案采集所需的各类型作业量信号；设备耐用性问题，如何在恶劣的工业现场设计出防尘、防水、抗震、抗电磁干扰能力强的门机作业监控设备。而国内各大港口的散货码头的门机作业有其特殊性，对煤炭、矿石等的散货作业主要以抓斗作业为主，针对这种专用码头的特殊作业方式，本文设计出一套门机生产的抓斗作业实时监控系统。该系统能实时动态地获取门机抓斗作业量，对作业量信息和相关的门机运行信息进行保存。同时通过设计友好的人机接口，将统计到的作业信息进行实时更新显示，并且结合门机操作人员不同的操作结果给出相应的提示信息。该生产监控系统除了能给门机司机操作上的提示、能为门机维护人员提供设备检修信息以外，最重要的是能及时提供给门机管理人员详细的作业信息，从而在提高生产效率的同时达到改善门机管理水名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 31 页 -武汉理工大学硕士学位论文2 平的目的。毫无疑问，门机作业监控系统的研究已成为当前各大港口作业信息实时管理的一个焦点，并将逐渐在我国的港口现代化建设方面发挥更加积极作用。可以预见到，各种类型和功能的门机监控系统将在21 世纪装卸工程领域中扮演更加重要的角色。因此研究港口门机的作业斗数实时监控系统是非常必要和有实际工程应用价值的。1.2 门机监控系统的研究现状随着我国对外贸易的不断向前发展，国际运输业特别是港口运输业在国民经济中的地位和作用越来越突出。我国的港口运输业虽然基础较薄弱，随着国际贸易的不断发展，港口货物转运能力和管理水平也不断得到加强。为了应对货运量的不断增长，各大港口在添置港口装卸设备的同时，也在努力提高设备管理水平。门机作为港口装卸的主力设备之一，对它的作业管理水平关系到整个码头的货物转运效率。现阶段，伴随着工业控制理论、计算机技术、通讯技术和电子技术的发展，门机监控系统（crane monitor system,CMS）得到了广泛的研究，并且取得了极大的发展。CMS 用于门机运行状态的实时监控、机构的故障报警及诊断。一般由数据采集、数据通讯、报警管理、趋势曲线显示、操作统计、系统管理等部分组成841。根据监控范围的不同主要可以分为2 类：本地门机监控系统(local crane monitor system,LCMS)和远程门机监控系统910(remote crane monitor system,RCMS)。LCMS 指单台门机电气控制房或者门机司机驾驶室中配置的上位监控系统，负责监控单台门机的运行状况。由于LCMS 直接与本机的 PLC 系统进行数据通讯，所以数据通讯的速度和精度都比较高，系统运行较稳定。LCMS 是以某一台或几台起重机为对象，可以根据实际工况灵活地设计监控软件，满足用户的各种要求，这就使得系统的适应性较差，源码的重用性不高，从总体上延长了系统的开发周期。上海港机有限责任公司针对港口机械开发的状态检测系统即属于典型的LCMS 控制系统。该LCMS 的主要功能是对门机的机械结构的实时运行状况进行有效地监测，防止因机械结构设备的工作特性下降而引发安全事故。该系统名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 31 页 -武汉理工大学硕士学位论文3 通过复杂的机械状态检测传感器系统，如应变片测量、震动测量、转速测量、温度测量等检测测量装置，实时获得门机的运行机械结构状态信息。之后，利用前置的信号处理器和工业控制机组成完整的LCMS，从而实现对门机机械结构的有效监测11。RCMS 依托网络（有线网络或无线网络），采取开放的TCP/IP 协议，让现场数据信息流通过网络进行传输，这样大大减少了监控系统由于距离而带来的限制，使工程师可同时远程监控多台设备的运行状况，目前越来越受到用户的重视。RCMS 使得上位监控的用户变得更为广泛。网络知识的普及，使得 RCMS的可操作性越来越强，从而提高了系统的可用性。特别是对于一些较少直接接触现场的用户，RCMS 大大提高了他们对现场的了解程度。天津港集装箱码头公司即采用了RCMS 系统进行门机状态的监控。该公司采用 CMS 实现岸桥与本机主PLC 实现通信，监控岸桥的运行情况。岸桥管理办公室的作业控制主机通过光纤通信能实时调用相应岸桥上CMS 的内容，与桥机实现同步数据显示。另外，该公司还采用虚拟网络技术，可以远程登陆公司网站调用办公室内的主机，实现对岸桥的监控。实现的功能主要包括起重机故障管理、实时作业监控、操作数据管理、维修管理模块、“黑匣子”功能10。随着 CMS 系统的发展，现场作业监控越来越朝着远程化、自动化的管理方式发展。门机作业信息管理系统（MIS）应运而生。因为现阶段，一是大多数的生产作业监控仅仅停留在以监控生产为主，以掌握船舶、港口机械、堆场等运行情况的阶段，并不能对作业进行远程指挥和控制，其次由于旧有的生产监控方式和作业方式的限制，目前码头各个生产部门各司其职、各自为政，无法按照具体生产情况及时地服从整个码头生产作业的整体利益做到资源的合理利用和调配，限制了作业效率的提升。码头MIS 系统即针对这些不足而专门设计1213。但是考虑到 MIS 系统的主要作用是了解港口现场的作业情况，因此，获得现场的实时作业情况显得尤为重要。即根据各个类型门机的具体机械电气情况来设计不同的 CMS 和 LCMS 系统，是构建和完善MIS 系统的关键。如上所述，随着生产的发展和技术的进步，港口货物转运的作业监控和信息管理技术日趋成熟。前场作业的监控系统也有如船舶装卸作业监控系统、货物转运出入监控系统、堆场作业监控系统、港口仓储监控系统等。门机作为港口机械的一个重要组成部分，对它进行科学的、有效的生产管理显得尤为重要。目前，港口门机上现有的作业监控装置主要有综合监测仪、风速仪和超负荷力名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 31 页 -武汉理工大学硕士学位论文4 矩限制器。综合监测仪的作用主要是实时监测门机的电气机构运行状态，进行及时的运行操作提示和故障报警。风速仪和超负荷力矩限制器均是以安全生产为目的的监测装置。前者是监控门机的作业风速环境，后者则是实时控制门机的安全作业载荷。当门机的作业超重或者吊臂超幅以后，超负荷力矩限制器会及时地控制门机停止此类危险作业，确保生产安全。现阶段，由于门机作业工况复杂，对门机的管理停留在比较原始的阶段。只能做到作业任务的安排，门机司机的调配，门机的调度。而对门机作业数据的实时采集和管理，目前还没有一个好的解决方案。门机的作业管理水平的不断发展，迫切需要在以下几个方面得到发展：（1）作业信息的采集。目前的门机监测系统多是对门机自身的机械结构或者电气结构进行监控，无法对门机的作业量数据进行采集，门机司机也无法对操作过程进行理性的分析。（2）作业量的实时获取。由于门机的单次作业量数据难以掌握，因此，现阶段对门机作业量的获取面临较大困难。只能获得门机工班作业的多台参与作业门机的作业量之和。（3）作业提示和警示。因为门机作业特别是抓斗作业的过程很复杂，容易出现过快作业和超载作业。从安全生产的角度出发，也极其有必要通过设计新的门机抓斗作业实时提示、警示方案对该类操作进行提示和警示，以提高门机的生产作业水平。1.3 门机作业监控的难点与解决思路在本文中设计的门机作业实时监控系统，是以对门机作业进行实时监控为目标，因此该监控系统对获取生产数据的实时性要求非常高。因而对门机的作业动作以及相关的重量信号和门机旋转信号进行有效且快速的捕捉和响应显得非常重要。对门机各类信号的实时性和快速性的要求，也是设计门机作业实时监控系统的难点。除了要尽量缩短检测各类信号的响应时间以外，门机的抓斗作业实时监控系统还存在以下几个需要解决的难题：（1）作业信息的采集。门机称重传感器主要是检测门机钢丝绳的承重，目前使用的港口门机主要有两种，一种是采用2 根钢丝绳的 10 吨门机，另一种是采用 4 根钢丝绳的 25 吨钢丝绳。传感器的安装也主要有两种方式：第一种是安名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共 31 页 -武汉理工大学硕士学位论文5 装于机房顶部室外的钢丝绳定滑轮上，这种安装方式比较容易受门机变幅的影响；第二种是安装于钢丝绳的卷筒的一侧，这样可以稍微减弱门机变幅造成的影响，但是这种安装方式难度较大，施工比较复杂，涉及到门机的改造。（2）设备的抗干扰的能力。由于门机作业实时监控系统安装于门机上，而大多数情况下门机都是大负载作业，会伴随着大功率电机的不断起停3839，在产生较大的电磁干扰的同时也使得门机的机上环境震动强度非常大。如此恶劣的环境，要求在设计门机作业监控系统时一定要考虑好门机的传感器信号的采集和抗干扰设计，做好系统重量信号检测设备单元的防尘和抗震等措施。（3）设备的通用性和易维护性。即使是常用的散货码头的门机，因制造年代的不同和载荷量的差别，存在较多的电气和机械差异。目前急需一种通用性较强的设备，在能实现门机作业量监测的同时，同时还要求其安装灵活，不需要做大的改动即可实现在多种类型的门机上安装使用。同时考虑到门机作业恶劣的现场生产环境，设备可能面临着严重的大振动，大温差和高粉尘的工作环境，因此较好的维护性显得尤为重要。（4）门机作业生产因素。要考虑到门机的实际作业对作业信号捕捉产生的影响。由于门机的作业过程会不断地执行对货物的起升、下降和门机的旋转等操作，货物也在空中不断地加速、减速和摆动。因此同样的货物在空中移动时，传感器的输出值波动比较大，货物上升时检测到的重量值比实际值偏大，货物下降时检测到的重量值比实际值偏小。考虑到门机具体的操作情况的复杂程度，要准确获得门机作业的作业动作信号和动态重量值存在较大的难度。提高门机作业监控的准确度和可靠性，是否能捕捉到有效的门机作业动作信号和获得较高精度的称重重量值是一个关键40。目前主要是从两个方面着手，第一是优化信号采集方案，第二是通过完善程序控制来避免信号的误判断和排除无效的动作信号。保证系统对门机作业监控的实时性也是本系统的难点之一。要做到这一点，在选用了合适的捕捉门机动作信号的方式和获得较高精度的称重重量的前提下，需要对核心处理设备的响应速度提出较高的要求。因为门机的抓斗作业是一个连续的过程，当一次作业完成后，会马上进入到下一个作业流程中，而在下次作业开始的时候就要将已经完成的抓斗作业信息进行记录，并且显示出来。只有当门机作业监控设备的处理速度够快，每一次作业才能得以及时地记录和显示出来。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 12 页，共 31 页 -武汉理工大学硕士学位论文6 1.4 课题来源及主要研究内容本文研究的主要目的是设计和实现一个基于FPGA 和单片机的门机抓斗作业实时监控系统，解决门机散货作业的作业量实时监控的难题，并且设计相应的门机作业监控系统以实现作业量实时地记录、显示和保存的功能。门机作业监控系统采用了全新的作业量记录方式，通过该系统门机操作人员和港口管理人员可以及时了解门机的作业量。本文的研究依托武汉理工大学自动化学院与某港口散货码头的合作项目，重点在以下三个方面开展研究：（1）在基于斗数记录的门机作业监控系统的开发过程中，为了保证信号采集的独立性和安全性，论文重点研究对传感检测信息的分类处理以及信号的隔离处理，从而确保在该系统进行斗数记录时，信息具有实时性、准确性以及安全性。（2）研究并确定了以斗数记录为基础的门机监控系统的信号采集。由于门机的作业涉及到抓斗的闭合、打开、上升、下降以及门机的旋转。因此要通过现场考察确定如何通过安装红外角度传感器系统来检测门机的旋转角度，并且通过交流继电器从门机的交流控制线路中采集门机的动作信号。重量信号由于是判断门机抓取货物量的一个关键因素，因此在文中也会对此有专门的研究。（3）研究并确定门机作业监控终端设备的作业信号采集、系统的硬件设计原理、软件的设计流程。该系统在门机上批量安装投入运行，结合实际运行数据，分析了该系统的可用性和可靠性。由于实际作业工况复杂，门机司机的操作具有随机性，本文重点对抓斗作业量记录和门机作业量监控的方式进行研究，通过建立合理的数据处理模型来提高系统作业记录的稳定性和有效性。根据以上研究内容本文各章内容安排如下：第 1 章：阐述了本文研究工作的意义，介绍国内门机作业监控系统的发展现状及主要研究问题，引出本课题的研究背景和主要内容。第 2 章：详细分析了门机作业监控系统所采用的整体技术方案，并详细分析了采用该方案是如何通过新的抓斗作业斗数记录的方案弥补现阶段常规门机生产监控方案的不足。第 3 章：门机作业监控系统作业信号的采集，包括门机的作业动作信号，旋转信号和重量信号。并且详细介绍了信号采集的原理、传感器的安装、信号的接收、放大以及隔离等优化处理方法。第 4 章：详细介绍了基于FPGA 的门机抓斗作业实时监控系统的终端的原名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 13 页，共 31 页 -武汉理工大学硕士学位论文7 理和设计，包括对作为控制核心的FPGA 核心电路的详细功能介绍和对作为数据处理显示核心的单片机的介绍。第 5 章：详细介绍了门机作业量监控系统的软件设计，包括门机生产监控系统的作业监控终端的抓斗作业参数设置软件流程、IC 卡读写程序流程、抓斗作业实时监控程序流程。第 6 章：最后对所设计的系统的实际运行结果进行分析，对已完成的工作进行总结，并且结合当前的门机监控系统存在的不足，给出对课题继续深入研究相关的展望。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 14 页，共 31 页 -武汉理工大学硕士学位论文8 第 2 章门机抓斗作业实时监控的系统总体结构在国内大多数港口的散货码头，由于对矿石等散货进行装卸操作的随机性较强，目前在国际和国内都没有成熟的门机作业量监控解决方案。现有的一些监控设备主要功能是检测门机工作现场环境、进行故障统计与故障报警、超重等不规范作业进行限制等。因此为了实现对门机作业量的准确统计，采用更好的门机作业监控方案就显得尤为必要。本章首先简要介绍了现有的门机采用的作业监控系统以及他们的工作原理，然后提出了一种基于FPGA+单片机的门机抓斗作业实时监控系统的整体设计方案，包括抓斗作业的实时监控方案、监控系统的主要功能以及监控系统的应用环境等。2.1 现有门机监控系统简述门机上现有的作业监控装置主要有综合监测仪、风速仪和超负荷限制器。综合监测仪常见于通过变频器和PLC 作为控制设备的新型门机上，该设备的主要功能是结合液晶屏来实时显示门机的电气部件的异常状态，一旦门机的电气部件发生损坏，该综合监测仪能将故障及时显示出来，并进行报警。风速仪主要是为了检测港口的风速大小，确保门机在安全的风速下作业。超负荷限制器又被称为力矩限制器14，它被广泛使用在各种起重类的工程机械上，是现阶段国内所有门机必须配备的安全生产装置。这里对力矩限制器的工作原理做一个重点介绍。所谓力矩，是对其中机械的幅度和负荷重量的大小的一个整体评估。即幅度的变化和负荷重量的变化都会引起力矩发生变化。在要求力矩不变的情况下，他们的关系是此消彼长的，即幅度越小，起重机所能吊起来的物体最大重量越大，反之亦然。它的作用就是监测起重机械的力矩变化情况，确保门机无超负荷作业情况，实现安全生产。门机的伸展幅度一旦过大或者吊取货物的重量过大，极易发生起重机整体翻倒或者承重钢丝绳断裂。因此部分力矩限制器为了简化设计，直接设置了重量阈值和门机变幅的幅度阈值（最大幅度阈值和最小幅度阈值）。一旦门机变幅动作时即将超出最大（或最小）幅度时，力矩限制器会切断变幅电机向前（或名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 15 页，共 31 页 -武汉理工大学硕士学位论文9 向后）变幅的控制回路，直到门机司机控制减幅（或增幅）使得幅度达到所设定的阈值之内。可见超负荷限制器的使用可以避免门机的突发超重事故和疲劳作业，延长设备使用寿命。超负荷限制器的种类和型号较多，该设备的主要构成有：(1)压力传感器当前门机的称重传感器大多采用的是电桥式电阻应变式高精度压力传感器，虽然伴随着制作工艺的进步，压力传感器的线性度有了较大的提高，但是仍然存在比较明显的测量误差。国内各个港口现阶段使用最普遍的是采用四根钢丝绳的 25 吨级大型门机，由于作业时各根钢丝绳的受力有极大差异，因此一般会对应每一根钢丝绳都安装一个重量传感器，通过在软件编程时增加均值算法来提高重量检测结果的精确度。重量传感器的安装一般有两种方式：一种是将重量传感器全部安装于钢丝绳的定滑轮支撑处，还有一种是安装于机房内的卷筒的一侧。他们都有一个缺点，就是门机在抓取货物作业过程中一旦有变幅动作发生，或者是门机在执行起升加速或者下降减速动作时，检测到的重量信号会受到货物运动加速度的影响有较大的失真。(2)重量信号变送器门机的结构非常复杂，考虑到工业现场的布线和信号衰减的情况，传感器的安装和力矩限制器的安装所处位置可能会比较远。因此在必要的时候可以增加重量信号变送器，用以将微弱的电压或者电流信号转换为可以远距离传输的RS-485 信号或者是通过以太网的方式传送和无线发送的信号。这种处理方式一是可以防止信号受到工业环境其他信号的干扰，保证信号的失真度小，另外也可以简化布线，化繁为简。布线的原则是尽量传输电流信号而非电压信号；尽量通过变送器将模拟量信号转化为数字量的形式传送，因为频率信号等传输距离更有优势，但是更易受到信号干扰。(3)传感器信号的放大与A/D 转换传感器信号因自身种类的不同也有非常大的差异。常见的差别是输出信号的种类和输出的值的范围不同，有的重量传感器输出的电压值，这个可以直接送给运放进行信号放大然后进行A/D 转换，有的是毫安级的电流信号，这样就必须要将电流信号做一个变换，先经过一个100 欧的高精度电阻则可以将电流信号转换为电压信号，对这个电压信号做类似处理即可。通常考虑到工业现场恶名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 16 页，共 31 页 -武汉理工大学硕士学位论文10 劣的工作环境，为了避免电磁干扰，会增加信号滤波电路。例如RC 低通滤波电路可以有效滤除高频率的信号干扰。电压的放大有多种方式，可以采用集成运放，也可以采用同时具有运放和A/D 转换功能的芯片来做重量信号的采集。一般的转换精度都要求要达到12 位及以上。(4)起升变幅控制电路如前所述，超负荷限制器预先设置好了最大幅度阈值和最大重量阈值，在门机作业过程中超过了所设定的最大阈值时，超负荷限制器会发出一个相应的弱电控制信号，利用继电器输出来控制切断门机的相应电气控制回路。例如，作业过程中门机抓斗作业抓取了过多的货物，使得重量超过了门机的重量阈值，此时门机司机必须打开抓斗放下一些货物，以此减小门机的重量负荷才可以继续进行抓斗作业。(5)人机交互接口人机交互接口主要是超负荷限制器的液晶和键盘接口。主要的功能包括作业参数的设定、超重的声光报警、作业参数（幅度和重量信息）的实时显示。早期的超负荷限制器主要采用的是LED 数码管作为作业信息显示的人机交互接口、后来随着超负荷限制器的升级换代，逐渐开始采用LCD 液晶屏和触摸屏，这也使得作业参数的显示内容更加丰富。因为在人机接口中显示的重量信息要求为实时作业吨数，而采集到的传感器信号为电压或电流信号，因此必须要做标度变换。该变换是对传感器信号的转换处理，由于传感器的信号大多是电流或者电压信号，将这些信号做一个比例分割，将电压值或电流值按其理应对应的值转换为实际的重量值。当前的标度换算是由传感器的输出线性求得的一次函数或者二次函数或者直接使用插值法等数值运算方法。2.2 门机抓斗作业实时监控系统整体设计方案本文采用了基于斗数记录的门机作业实时监控方法来实现作业量等信息的实时监控。门机在连续的抓斗作业的过程中，每一个完整的抓斗作业过程都会伴随产生不同作业动作信号变化。结合门机已有的信号采集传感器、另外根据需要安装相关的传感器装置即可捕捉到完整的抓斗作业过程。本文的创新之处即是以抓斗作业次数记录为基础实现门机作业量的实时获取。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 17 页，共 31 页 -武汉理工大学硕士学位论文11 抓斗作业的判断和记录，与信号的采集紧密相关。在本系统中主要涉及到的信号有开关量的直流角度信号，交流抓斗动作信号，毫伏级重量信号，对信号的采集、隔离、转换等都提出了较高的要求。图2-1 门机抓斗作业实时监控系统总体结构一次完整的抓斗作业工艺过程包括：开斗、抓斗下降、闭斗抓货、抓斗上升、旋转（重量较大）、抓斗下降、开斗卸货、抓斗上升、旋转（空斗）、抓斗下降等，如此重复即可实现连续作业。在优化工艺过程提高生产效率时，可以有若干个动作同时进行，但不能缺少任何一个动作。而且其中某个动作有时需要多个命令的同时执行才能得以实现，如闭斗操作为脚踏开关和司机手柄处于上升位置同时发生方能实现。管理人员为了实时了解门机作业进度，需要了解司机在一个工班所完成的作业量。考虑到抓斗作业中散货的动态计量不准确而且计量方法复杂的特点，采用记录各工班司机的作业斗数，结合水尺测量法获得参与同一条船作业的同一班次员工的装卸船货物总吨数，用总的装卸货物吨数除以所有当班司机作业斗数即可得到每一斗的平均重量。然后用每一斗的平均重量乘以每一位门机司机作业斗数，即可计算出门机司机在该工班内的装卸货物估算量。司机完成一次有效的抓斗作业与司机的动作信号：闭斗、旋转信号和开斗，大尺寸显示屏行列式键盘