基于ZigBee的吊挂称重数据监测系统设计

朱晓娇

摘 要：本文分析了厂房大部件吊装过程的特点及现场实际工况的需求，设计了一套基于ZigBee无线传输的吊装关键数据的监测系统，并以可视化的方式显示作业数据。并在大部件吊装过程中，经过自动判断对偏载超重的工况进行直观报警。与传统人工监测相比，具有安全可靠性高、功耗低、抗干扰能力强、成本低和操作简便等显著优点。

关键词：PLC；ZigBee；DC-AC逆变

中图分类号：XXXX 文献标识码：A

引言

在飞机制造过程中存在大量零部件的吊装转运过程，在现有的条件下,被吊装零部件起升、下落高度、速度的控制主要依靠操作人员的技能和经验。但人工吊运时存在因飞机零部件结构尺寸过大，出现较严重的视线遮挡的情况。会直接影响操作人员对吊装情况判断的准确性和及时性。由于地面指挥人员需目视观察吊装过程来指导作业,缺乏定量监测的手段,吊装过程存在磕碰的隐患。因此急需引入安全监测装置及方法,实现对吊装过程的实时监测,以及定量引导飞机零部件吊装的作业过程。

1. 吊装监测系统总体需求分析

天车吊对承重有限制，对于吊装飞机大部件的重量有严格要求，同时在吊装作业的过程中需保证吊点均匀受力。在正式起吊前先试吊，一旦超重立即停止，这就需要引入监测系统清晰显示起吊的总重量以及各吊点的分散受力值。满足条件后再进行吊装作业，在此过程中为了避免出现电源线、控制线拖拽情况，控制部分需采用无线收发，电源采用蓄电池的供电方式。

针对以上关键点，飞机大部件吊装监测系统的主要功能包括：

1. 监测吊装产品平衡姿态，根据产品重心

调整具体吊装位置；

2. 点对点的数据采集收发功能；

3. 采集终端、接受终端的续航时间大于2h。

2. 系统设计方案

1. 总体架构

系统的机械结构为钢制轻型吊挂，在吊挂的四个端点正下方分别安装四个称重传感器，如图1，吊钩受力后将压力值传送至放大器。经吊挂上的压力采集发射箱内部控制系统处理后，无线传输给地面接收显示箱，如图2。操作人员可以通过地面箱上的显示屏清楚监测四个吊点的实时压力值和总承重量。

采集终端和接收终端均采用蓄电池供电方式，由于吊挂结构尺寸过大，压力采集发射箱为固定式安装，极大程度上限制了该终端的充电条件。针对此问题设计了一台专门用于充电的设备。地面接收显示箱为便携移动式终端，因此可以用厂房电源直接充电，也可用移动充电设备充电。

图1 称重结构 图2 收发控制系统

2. PLC控制系统

现场控制层由NA2000系列小型PLC来完成控制功能，同时配合4通道模拟输入模块2个，满足现场基于集成化、小型化的设计要求，该主控系统安装在图2所示压力采集发射箱中。吊挂的四个称重点分别安装一个压力传感器，其信号值通过BM40放大器处理之后接入AIM2001-0401模拟量模块，控制接线原理图如图3所示。软件AIM变量表中会出现起始值为%IW0001的四组数值，即压力传感器的实时数据。

图3 控制原理图

3. ZigBee无线传输系统

ZigBee是一种低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线技术。它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。它依据IEEE802.15.4标准,以接力的方式通过无线电波将数据从一个网络节点传到另一个节点,传输只需要很少的能量,通信效率非常高。

本文要求的数据传输量较小,传输距离实时变化,功耗小,符合ZigBee技术的特征,因此选择ZigBee技术进吊挂称重信号的传输。南大傲拓的ZigBee通信扩展板可直接安装用于CPU模块内部，通过主机的编程软件NAPro完成ZigBee参数配置。

4. 供电系统

为避免在吊挂升降过程中，发生牵拉电源线的情况，压力采集发射箱采用蓄电池供电方式，一次工作时长不小于2h。在箱体侧面安装电量指示，完成一组吊装后，工人可根据使用情况，确定是否需要充电。考虑现场实际工况及轻型吊挂安装位置有限等相关因素，需将压力采集发射箱固定安装在吊挂横梁上。由于吊挂尺寸过大，只能在固定工位上进行操作，因此需要设计24V供电装置为压力采集发射箱充电。锂电池等电压之间充电，电压随着电量的下降而下降，在理想状态下只能满足需要电量的50%。所以锂电池向外输出的电能必须要有一个升压系统，这样就可以满足充电需求。

本文采用DC-AC逆变方式，将24V直流电压逆变为220V，之后采用开关电源充电方式。先经过恒流、恒压充电阶段，充电电流随着蓄电池电压上升而逐渐减少。当蓄电池电量上升到一定程度时，再转为恒压充电，是蓄电池内的电压缓慢上升。当蓄电池的电压达到充电器的充电终止电压时，再转为涓流充电即浮充。这样就可以满足现场压力采集发射箱内部供电的需求。地面接收显示箱为便携移动箱，所以可根据现场实际使用情况，灵活采用充电箱供电方式和厂房固定电源供电方式。

3. 结束语

本文根据厂房吊装安全监测的特点,设计了一种吊装安全监测系统。通过对吊装过程数据的采集与解析,以可视化的方式显示作业数据并且进行安全阈值示警,实现对吊装过程的实时监测。与传统的监测系统设计相比,具有功耗低、可靠性高、抗干扰能力强、成本低和操作简便等显著优点。该吊装安全监测装置具有较强的通用性,可用于类似的产品吊装监测和过程分析,对提高企业安全生产将起到重要作用。

参考文献

1. 董耀军.基于数字化的航天产品柔性化对接装

配方法研究[C]中国航天科技集团公司数字化制造论坛,2011

2. 许德浩，孙颖.无线技术在PLC通讯中的应用 ［J］.仪器仪表用户，2015（4）：80-82.

3. 冷亮，刘丹.基于ZigBee的无线传感器网络［J］.中国科技财富，2008（7）：113-116.

4. 梁耀光编著《工业控制新技术教程》［M］华南理工大学出版社，2014.