步进式钢丝水平位移计的设计与实现

李成伟，邵灿辉

（国电南京自动化股份有限公司 南京河海南自水电自动化有限公司，南京 210032）

步进式钢丝水平位移计，主要利用步进电机带动变速器，由变速器驱动高精度丝杆，从而推动升降平台的上下移动。当测量点按压到升降平台上的触点瞬间，电气控制模块就读到了步进脉冲数，从而折算出步进电机运行的步数和升降平台上零点到被测点的距离，2次测量的差值即为被测物体的水平位移值[1]。该系统主要由步进电机、变速器、升降平台及触点、高精度丝杆、滑轮组、电气控制模块和铟钢丝等几部分组成，是专门用于观测土石坝、混凝土坝、边坡等结构在施工和运行期间内部的水平位移的监测仪器，为坝体的稳定性和有无形变、开裂等提供判定依据[2]。

1 装置工作原理

具有机电一体化功能的钢丝水平位移计的原理如图1所示。当自动化控制模块接收到上位机的测读命令，或者定时测读时的工作流程如下：

图1 钢丝水平位移计的工作原理Fig.1 Working principle of steel wire horizontal displacement device

（1）控制升降平台先向下移动，当零点触点脱离零点砝码，继续向下运动约5 cm行程，这时候所有测点通过滑轮均悬挂在升降平台之上。再等待10 min以上，直至测点钢丝绷直受力，反映出被测体的水平位移。

（2）等待时间结束后，升降平台向上移动，当零点触点触碰到零点砝码时，开始从零计脉冲数。

（3）升降平台继续向上移动，测量触点依次触碰到测量砝码，并依次读取触碰时的脉冲数。

（4）当所有测点都测量完毕后，升降平台将停止运动。如有测点触点失灵导致无法正常测量，升降平台将继续向上，当最高点触点触碰到固定砝码，升降平台就会停止运行；如果最高点触点也失灵，当升降平台触碰到限位开关，装置电源被断开，升降平台也停止运行。最高点和限位开关起到双重保护的作用。

2 硬件设计

钢丝水平位移计电气控制模块的工作原理如图 2所示[3]。

该控制模块单片机选用TI公司最新的低功耗芯片MSP430F5436。由于其具有较多的I/O口、硬件串口和低功耗特性，使其能更好地控制步进电机的脉冲信号并进行多种方式的串口通信。根据现场情况，在一段时间内坝体水平位移的是极其微小的，这就要求测量精度和稳定性要高。通过对步进电机的运行步数的计数，还有高精密丝杆之间的相互配合，可以精确地折算出砝码垂直方向的偏移距离，从而得到坝体水平位移的距离。

图2 钢丝水平位移计电气控制原理Fig.2 Control module principle of steel wire horizontal displacement device

步进式钢丝水平位移计控制模块的操作指令主要来源于上位机，控制模块与上位机的通信方式有以下2种：一种是通过传统的串口RS485来实现，基于MSP430的硬件UART口输出串口信号，由串口转RS485信号芯片MAX485来输出差分信号。另一种是通过无线模块Zigbee实现的[5]。所选用Zigbee模块为周立功公司的ZM2410，其理论无障碍传输距离为2 km，通过其进行无线数据的接受和发送。无线模块工作电平为+5 V，其与MCU的通信方式也是普通的UART串口通信，且通信方式设置为透传模式，仅作信号中继用。而本装置的串口USB主要针对工程人员进行现地装置参数下载和出厂程序下载。

2.1 步进电机控制电路设计

该测量模块实现了对步进电机的方向和运行步数进行高精度的控制[4]，进而通过变速齿轮来控制高精度螺杆实现整个升降平台的上升或下降。如图3所示，选取SN74LVC04作为光电开关的驱动，其工作电压为3.3 V。选用TLP127型光电开关，工作电平为3.3 V，模拟触点外接5 V，当其被驱动导通时可以驱动步进电机的方向控制端、运动控制端。其中，方向控制端可以控制步进电机旋转的方向，运动控制端每收到1个方波信号时，步进电机运动1个固定的角度。利用步进电机每次旋转的固定角度，带动高精度丝杆运动1个固定的距离，因此只需计算发出脉冲信号的个数，就可以得到高精度的水平位移距离。

图3 步进电机脉冲输出电路Fig.3 Pulse output circuit of stepping motor

由于该测量系统长期工作在坝体上，坝体周围的空气湿度较大，容易使高精度丝杆和升降平台生锈，进而影响测量数据的精度和稳定性。为此，需要为设备定期除锈、涂抹润滑油，以保证测量的精确性和稳定性。

由于铟钢丝一端连接着坝体基准点，一端连接着大重量的砝码，在测量时需要拉直绷紧，长期运行过程中容易出现机械疲劳而导致断裂，需要定期对其进行检查和维护。

2.2 触点电路的设计

在装置没有测量的情况下，测量点铟钢丝所吊砝码压住升降平台上的测量触点，同时铁杆所吊砝码压住零点触点。当得到测量命令时，升降平台会在步进电机的间接带动下向下运动，当运动到一定位置时，铁杆所吊砝码与升降平台上的零点触点脱离，升降平台向下运动一小段距离后停止运行，等待铟钢丝所吊砝码拉直铟钢丝。然后，升降平台慢慢地向上运动，直至铁杆所吊砝码触碰到零点触点，MCU计数脉冲数清零。平台继续向上运动当触碰到测量点的触点时，依次记录所有测量触点触碰到砝码的脉冲数。

如图4所示，当触点闭合时光电开关发出5 V的电压信号[5]，然后利用SN74LVC4245芯片将5 V信号转成3.3 V信号，这样MUC芯片就可以判断触点是否闭合。

图4 触点采集电路Fig.4 Contactor acquisition circuit

3 控制流程设计

当下位机控制模块接受实时测量或者定时测量时[6]，MSP430控制流程如图5所示。

图5 钢丝水平位移计控制流程Fig.5 Flow chart of steel wire horizontal displacement device by stepping motor

由于此控制模块应用于不同的特定工程，每个工程所需的铟钢丝所吊砝码的等待时间长短不一，因此需要维护人员根据不同的测量要求配置不同砝码重量和等待时间。该控制模块不仅能接收上位机下发的延时命令，还可以通过上位机命令实现升降平台的自动上升与下降，方便了安装调试工作。

本装置具备强大的自我保护功能，当测量触点损坏时，升降平台会一直向上或者向下运动，直至遇到最高触点或最低触点，升降平台就停止运行。如果最高触点和最低触点也损坏，升降平台会触碰到触碰开关，使整个装置掉电，从而保护整个装置的机械部分不受损坏，真正实现双重保护。

4 结语

新一代全自动的步进式钢丝水平位移计，已经有5台套成功地应用于四川泸定水电站大坝安全监测工程中，凭借其优良的各项性能不仅实现了传统手动式水平位移计的测量功能，并且由于其具有自动定时读数、精度高、无线数据传输等功能，降低了工程人员的工作负荷。此外，该系统具有测量精度高、可靠性强、低功耗等特点，为智能化大坝监测系统提供了实时可靠的数据。

[1]路郑郑，南大伟.浅谈土石坝钢丝水平位移计安装工艺及质量控制[J].工程技术，2016，26（9）：317-318.

[2]邓念武，黄小红，李芳.水平垂直位移计在水布垭面板堆石坝中的应用[J].中国农村水利水电，2010，34（12）：125-126.

[3]许仲生.面板堆石坝位移计安装埋设的质量控制[J].人民长江，1998，27（6）：45-47.

[4]胡永平，张军荣.三板溪水电站大坝安全监测系统建设特点及运行建议[J]. 水电自动化与大坝监测，2009，13（36）：17—19.

[5]高键，方滨，尹金玉.ZigBee无线通信网络节点设计与组网实现[J].计算机测量与控制，2008，16（12）：1912-1914.

[6]胡建勋，李开成.基于MSP430单片机的低压综合智能保护器的研制[J].仪器仪表学报，2006，27（6）：24-27.