基于嵌入式Linux的液压静力压桩机吊装过载安全监控

廖　平，余卫星，刘纯亮，李　玉，郑友娟

(中南大学 机电工程学院高性能复杂国家重点实验室， 湖南 长沙 410083)

基于嵌入式Linux的液压静力压桩机吊装过载安全监控

廖平，余卫星，刘纯亮，李玉，郑友娟

(中南大学 机电工程学院高性能复杂国家重点实验室， 湖南 长沙 410083)

摘要：针对实现液压静力压桩机吊装部分智能化的需求，提出了一套基于S5PV210处理器和嵌入式Linux操作系统的安全监控系统设计方法.通过多传感器对静力压桩机吊装部分的各种工况进行实时监控，以判断其工作状态并实现图文和声光报警提示；并通过Linux操作系统记录保存吊装部分运行状态及操作信息，实现类似黑匣子功能以便于事故记录查询.试验实践结果表明，该套系统能够有效地防止静力压桩机吊装部分出现过载问题，实现了安全监控保护功能.

关键词：液压静力压桩机；安全监控；S5PV210；嵌入式Linux

0引言

液压静力压桩机具有施工速度快、工效高、无噪声污染、无剧烈振动、无废气污染、无泥浆污染等特点，目前已经广泛应用于房屋建筑、桥梁基础、基础路基、有轨和无轨路基的预制桩基础施工[1].在文献[2]中，作者采用了一套基于凸轮机构控制比例溢流阀的溢流压力来实现控制系统压力以达到系统过载保护功能的系统.但该系统对凸轮机构的安装要求较高，而凸轮磨损对系统性能影响较大，导致整套系统在实时性、可靠性上很有限.笔者在此基础上，利用三星S5PV210微处理器，设计了一套基于Linux+QT4.5的嵌入式系统.系统通过倾角传感器实时检测吊臂变幅倾角α，并根据α值实时改变对应角度状态下比例溢流阀的上限卸荷压力，从而保证系统最大压力不会超过过载极限压力；压力变送器实时检测出系统压力值通过转换计算得到实时工作下的实际吊重，并与该角度对应下的额定吊重进行比较判断，过载则立即通过溢流阀锁定吊臂，并给以声光报警以示提醒，实现吊装过载保护功能[3-4].利用嵌入式Linux系统进行吊装运行工况状态记录，实现黑匣子功能，以便事故时查询.

1系统原理和总体设计

本系统采用的是三星基于ARM Cortex-A8内核的S5PV210微处理器，系统运行嵌入式ARM Linux系统，利用QT4.5设计、实现人机交互界面.系统通过压力变送器实时检测油缸大腔压力P1和系统压力P2，通过倾角传感器检测得到吊臂倾角α(图1)，然后根据数学模型计算出吊机在该吊臂倾角α下的实时吊重m，将m与当前吊臂倾角α所对应的额定吊重Me进行比较，若m>δMe(δ为安全系数)，则可以判定系统处于过载状态，此时通过先导式比例溢流阀对系统压力进行控制，从而起到过载保护作用.另外系统根据信息及时给出声光报警信号，并在界面上给操作人员以提示信息，引导操作人员正确操作.

2系统检测数学原理模型

系统通过检测到的吊臂倾角α，可以计算出油缸仰角θ，根据油缸仰角是否大于90°，可以分为两种情况进行转换，再根据系统吊臂工作数学模型得到系统工作实时检测的吊重大小.(1)油缸仰角小于等于90°时(图2)，即c·cosα≥(a+b)时

(1)

(2)油缸仰角大于等于90°时(图3)，即c·cosα≤(a+b)时

(2)

式中：α为吊臂铰座到回转中心的距离；b为油缸下铰座到回转中心距离；c为吊臂铰座到油缸上铰座距离；α为吊臂倾角；θ为油缸仰角.

根据θ、α等值可以得到吊机的实时吊重为

(3)

式中：m为实时吊重；P为油缸大腔压力；c为吊臂铰座到油缸上铰座距离；α为吊臂倾角；θ为油缸仰角；d为油缸大腔直径；L为吊臂长度；Mq0为自重力矩；mhl为滑轮组质量.

3系统硬件平台设计

系统硬件主要分为两大模块，1为微处理器模块主板，2为数据信号处理模块板.主板上有UART串口、USB接口电路，以实现开发阶段与PC机交互作用；有显示屏幕接口、SD卡、时钟电路，用以显示时间和记录.主板实现系统软硬件资源管理功能，主要进行人机交互功能.信号处理模板主要为主机提供外接传感器的数据处理，实现模拟信号采集、处理、转换，开关量信号采集、处理，开关量信号输出等功能.系统整体硬件框图如图4所示[6].

3.1微处理器主控模块

主控模块采用的是天嵌科技公司的主控核心板TQ210_COREB核心板，该核心板处理器采用的是三星S5PV210微处理器，主频可达1 GHz，处理器内部为64/32位总线结构，2/32 kB一级缓存，512 kB二级缓存.核心板配置1 G的DDR2内存，1 G的SLC Flash.运行Linux系统，有效地管理系统资源，主控模块主板为核心板设计了连接接口、SD卡电路(黑匣子功能)、RS232串口电路、7寸触摸屏、摄像头、音频、USB下载电路、时钟电路等.该处理器能提供很高的数据处理能力，主频可达到1 GHz，使系统可以满足更高的实时性要求.Linux系统具有非常好的软硬件资源管理能力使系统可以简便地利用文本文件进行多机型初始化配置， 实现一套系统多机型适用；并且能够保存机子运行状态信息，方便事故原因的调查和分析，为往后的系统程序开发升级维护提供便利.

3.2信号处理模块

信号处理模块可以分为4个部分，分别为模拟信号输入、输出模块，数字量开关信号量输入、输出模块.

3.2.1模拟输入

主要是对传感器输入信号进行调理转换，模拟信号处理总流程如图5所示.本系统共安装了2个压力变送器、1个倾角传感器共3个传感器，考虑到信号需要长距离传输，所选用的传感器均为4～20 mA电流型输出传感器.在对传感器输出电流信号转电压信号过程中，采用了高精度电流环接收器RCV420芯片，该芯片内部集成了高精度的灵敏电阻，能够保证较高的转换精度.为了消除工业供电上的工频干扰，进一步提高AD转换精度，对转换的电压信号进行了工频50 Hz的陷波处理.工频陷波采用双T型带阻滤波电路，陷波电路如图6所示，Multisim仿真结果如图7所示.陷波处理之后进一步进行低通滤波，消除噪声干扰，提高可靠性.最后进入AD转换之前加上了电压跟随器，进行阻抗匹配.本系统AD转换采用的AD7928芯片，该芯片支持8个模拟输入通道(以备升级使用)，具有12位转换精度，转换速率可以达到1MSPS，完全满足系统精度和实时性要求.

3.2.2模拟输出

系统比例溢流阀的控制通过电压控制配套使用的放大器板实现.放大器所要求的输入信号为0～10 V的电压信号.本系统利用DA转换电路以输出电压信号，所采用的DA芯片的型号为AD5328芯片，该芯片具有12位转换精度，输出0～5 V电压信号，通过对0～5V输出进行2倍线性放大处理，得到0～10 V电压信号的输出.在最终输出前加以光耦隔离，以提高系统抗干扰能力，如图8所示.光耦电路中的VR400为可调电阻，用以精确调整光耦两端的电压，以保证输出电压与输入电压大小相等.在对系统模拟输出进行电压测试时，将0～10 V电压进行20等分，分别利用放大器控制比例溢流阀得到比例溢流阀的卸荷压力，利用Matlab对实验测试数据进行校准拟合，得到的比例溢流阀的二次拟合曲线如图9所示.

3.2.3开关量信号输入

系统本部分电路主要是利用接近开关识别吊机运行状态，分为油缸举升、油缸下放、卷扬抬升、卷扬下放等工况，通过对不同的工况的识别可以对不同工况下的吊机过载情况进行不同的处理，并在显示器上显示不同工况下的系统运行信息，在系统过载情况下，给以相应的过载报警信息和正确的处理操作，以防止客户在系统过载后进一步错误操作.

3.2.4开关量信号输出

开关量信号输出主要是实现声光报警功能，提示客户以报警信息，避免进一步的错误操作.具体的报警控制策略如图10所示.信号输出主要是利用ULN2003A芯片以控制24 V继电器的输出，并加以线性光耦隔离实现抗干扰能力.

4系统驱动软件设计

Linux操作系统下的设备驱动程序主要扮演系统应用与系统硬件直接实际操作映射的作用，主要有3类设备：块设备、字符设备和网络设备.本系统采用的硬件均是通过SPI接口以流字节的形式进行数据交换，固以字符型设备来设计驱动程序[7].如图11所示，系统应用程序是利用系统调用实现与运行于系统内核层中的驱动程序进行交互，并通过驱动接口，实现对具体底层硬件进行数据交互和控制[8-9].

5系统控制软件设计

系统主控制逻辑由面向对象编程软件Qt4.5实现，并通过开机运行脚本，设置系统开机后进入主监控程序中，然后循环监测运行.Qt是基于面向对象的C++语言，是跨平台的图形用户界面应用程序开发框架，Qt所独有的信号与槽通信机制使得系统在事件设计处理中很方便，Qt也提供了简便的国际化支持和语言字符翻译.为了运行嵌入式系统Qt应用，首先要进行环境配置，在ubuntu系统中进行Qt源码的交叉编译，得到嵌入式系统环境下的Qt运行库，将相应库文件移植进嵌入式系统设备中，配置好系统环境，实现Qt应用程序的运行[10].

系统主监测控制程序主要实现吊机运行状态的界面显示：①显示系统压力、回油压力、实时吊重、变幅倾角、吊臂重物下放时的极限角度、系统工作状态、信息提醒以及系统运行时间的相关信息的显示；②实现吊机机型等参数显示；③实现吊机运行状态的信息记录保存，包括报警记录信息的记录和查阅，实现系统相关的帮助功能介绍及查阅；④实现出厂化进行特定机子型号的选择，并设置用户密码登录界面以防止客户对机型参数数据的误操作.主要实现功能框图如图12所示.

系统进入主控制程序后，首先读取SD卡中配置好的吊机参数、吊机额定吊重、程序显示语言、时钟等信息；随即进入吊机实时数据的检测扫描，得到吊机实时运行的相关信息，并进入主控制逻辑，图13为系统控制主流程，对应不同的工况条件，程序跳转至不同的判断逻辑中，并在主界面上进行对应的操作显示状态和报警状态[11-14].

6试验结果及结论

利用一台120 t液压静力压桩机进行上机调试试验，为了方便试验过载情况，进行修改吊机额定起重参数，变幅倾角小于18°的额定起重参数全修改为0.9 t，18°以上的额定起重按比例进行缩小.表1中数据为液压静力压桩机起吊1.4 t重重物的测试数据，表中测试数据为吊臂举升重物所测得的实时吊重检测数据，吊臂下降时进行试验测试数据可以发现，吊臂下放重物所测得的实时吊重检测数据，最大误差可以达到27.20%.从表中可以看出，重物在抬升过程中，系统所测得数据比较准确，除了小角度下的误差在8%左右外，其他数据误差均比较小，但重物在下放过程中系统测试数据误差普遍比较大，且基本上是大于与抬升过程对应角度的数据，这是因为系统下放重物时，油缸无杆腔有较大压力对油缸有杆腔检测的油压影响有关.所以系统在显示实时吊重检测数据时，应该采用抬升重物所测得的实时重物重量.在吊机模拟系统过载情况时，系统能够准确迅速的检测出过载情况并立即停止吊臂的继续危险操作，然后给出声光报警，在界面上给以用户正确操作提醒.试验表明，高达1 GHz的32位处理器能够完成高性能、高速率的数据处理任务，加上linux系统并行任务的处理，该系统能够满足液压静力压装机吊机系统实时性准确性要求，能够较好的解决液压静力压桩机吊机施工过程中出现的过载情况.

7结论

通过现场吊装系统模拟过载试验可知：在吊装系统过载情况时，系统能够准确迅速的检测出过载情况并立即停止切断系统，防止吊臂的继续危险操作，然后声光报警，并在界面上给以正确操作提示。并且能有效记录系统运行信息，实现了黑匣子可查功能。另外，试验结果表明，高达1GHz的32位处理器能够完成高性能、高速率的数据处理任务，加上linux系统并行任务的处理，该系统能够满足液压静力压装机吊装系统实时性准确性要求，能够较好的解决液压静力压桩机吊装施工过程中出现的过载情况。

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An Overload Safety Monitoring System of Lifting in Hydraulic Static Pile Driver Based on Embedded Linux

LIAO Ping, YU Wei-xing， LIU Chun-liang， LI Yu， ZHENG You-juan

(State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing, Central South University,Changsha 410083, China)

Abstract:For the realization of intelligent demand of the lifting part of the hydraulic static pile driver,a design about a set of safety monitoring system based on S5PV210 processor and embedded Linux operating system is proposed in the paper. To achieve the function of graphics, sound and light alarm, the system monitors the real-time status of various conditions by multi-sensor installed on the static pile driver lifting parts. We record the running and lifting operation information via the Linux operating system, which is similar to the black box. The experiment results demonstrate that the system can effectively prevent the overload problem and achieve the monitor protection function.

Key words:hydraulic static pile driver; safety monitoring system; S5PV210; embedded Linux

中图分类号：TP277

文献标志码：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.2015.02.022

文章编号:1671-6833(2015)02-0099-06

作者简介:廖平(1964-)，男，江西樟树人，中南大学教授，博士，主要研究方向：机电一体化和计算机测控技术.

收稿日期:2014-06-03；

修订日期：2014-09-06