基于PLC的举重保护装置

戎冰雪

【摘 要】由于举重运动的高危险性，以及当前对举重运动员保护措施的缺乏，本文提出了一种基于PLC的举重保护装置。举重保护装置采用拉力传感器检测杠铃的运动状态，使用PLC对拉力信号进行分析处理并通过变频器对电机发出控制信号，使杠铃适中处于可控的状态。该设计可以对举重运动员提供有效的保护措施，降低举重运动的危险性。

【关键字】举重;PLC;电机;拉力传感器

中图分类号： TS952.5 文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）03-0229-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.03.095

PLC based weight protection device

RONG Bing-xue

（Henan Experimental Wenbo School High School，Zhengzhou Henan 450002，China）

【Abstract】Due to the high risk of weightlifting and the lack of protective measures for weightlifters，a new weight lifting protection device based on PLC is proposed.The weight protection device uses a tension sensor to detect the motion state of the barbell，uses PLC to analyze and process the tension signal，and sends a control signal to the motor through the inverter，so that the barbell is moderately controlled.The design can provide effective protection measures for weightlifters and reduce the risk of weightlifting.

【Key words】Weightlifting;PLC;Electrical machinery;Tension sensors

0 引言

舉重是一项历史悠久的运动，既可以锻炼身体，又可以用来测试人的体力。古希腊人、罗马人曾用举重训练士兵，中国早在两千多年前就有举重高度记录，从晋代到清代，举重一直作为武考的科目之一。现代举重运动18世纪末开始兴起，逐渐被列为正式比赛项目。从1896年希腊举行的第一届奥运会，举重开始成为正式的国际比赛项目。举重与健力和健美相比，门槛要求较高，除对力量的要求外，对技巧和身体协调要求也很高，举重过程涉及多次重心转移，除了需要各种单一方向的最大绝对力量以外，还需要精确的力量转移与卸除的技巧、爆发力以及全身协调性。正是因为举重能够训练最大力量、爆发力、协调性以及灵活度，所有许多其他种类的专项运动（例如篮球等），也会把举重列入训练计划表。举重训练，还有增强力量、增加快肌纤维、增加身体协调性、增强心血管功能、燃烧脂肪等作用，所有在健身房中，经常可以看到进行举重锻炼的身影。但是，举重作为一种挑战极限的运动，经常造成肩、肘、腕、腰、膝关节等关节损伤[1]，危险系数非常高。历届奥运赛场上，举重意外时有发生，如2008年北京奥运会，匈牙利选手亚诺什，2012伦敦奥运会，韩国名将史载赫，2012年伦敦奥运会，德国选手马蒂亚斯-施泰纳，2016年里约奥运会亚美尼亚选手卡拉佩特扬等。在网上搜索“举重+意外”，健身房中发生的意外也比比皆是。

目前，举重运动的保护措施一般从两方面进行，一方面是提前训练以降低安全隐患，文献[1-2]提出通过运动前心理和生理上的训练来预防举重运动中的安全隐患，并可以采用康复训练加快受伤部位的恢复，但是该类方法只是减小了事故发生率，对于举重运动中正在发生意外事故的运动员没有任何保护作用;另一方面是采用装备辅助的方式，在事故发生时降低事故的危害，文献[3]采用液压伺服原理，在运动员举重时，使保护装置始终跟随杠铃运动，以保证托架始终处于杠铃正下方，当运动员对杠铃失去控制时，托架及时托住杠铃，防止坠落压伤运动员，但是该方法将压力传感器设置在杠铃内部，可靠性低，机械结构与电子设计都较为复杂，使用不便;文献[4]对加压举重服在抓举发力阶段的关节受力、弯曲度等方面做了功能分析，分析指出加压举重服更有利于举重运动员的力量输出与脊柱稳定，可以起到一定的保护作用，但是，当杠铃失控事故发生时，加压举重服对举重运动员没有保护作用。

为了保护举重运动员在举重过程中免收损伤，本文设计了一种基于PLC的举重保护装置。基本原理是将杠铃与钢丝绳相连，通过拉力传感器将钢丝绳中的拉力信号传输到PLC中，改变变频器的输出频率对电机进行精确控制，电机带动传动轮实现对杠铃的控制，该装置还可以手动操作，结构简单，操作方便。

1 系统工作原理

本设计的硬件系统架构如图1所示，主要包括主控板、电机、拉力传感器、杠铃、钢丝绳以及其他支撑装置等，其中主控板主要由PLC控制器和变频器组成。

系统工作时，举重运动员在检测装置没有连接错误后，打开电源，PLC、变频器、电机、拉力传感器、限位开关等装置上电工作;拉力传感器实时检测钢丝绳中的拉力信号，并传输到PLC中;PLC将拉力传感器的拉力信号与预设的拉力值相比较，判断杠铃是否处于失控状态，再输出相应的控制信号给变频器;变频器接收到PLC的控制信号后，输出一定频率的电压信号给电机，使电机以一定速度转动;电机使钢丝绳始终处于紧绷、但又不影响运动员举重的状态。当运动员因为操作失误使得杠铃突然失控下落时，拉力传感器会检测到一个突变的较大拉力值，并传输给PLC进行分析对比，PLC输出相应的控制信号给变频器使电机停转，让杠铃立即停止下落，达到保护运动员的目的。限位开关作为预防措施，可以在电机过转和拉力传感器损害时将杠铃的活动范围控制在对运动员和设备都安全的范围内。为了能够方便的移动和操作杠铃，该系统还有手动操作的功能，通过按钮控制PLC发出控制信号，实现杠铃的上升与下降。

2 电气系统设计

电气系统是本设计的核心部分，其中主要包括PLC、变频器、拉力传感器、电机，如图2所示，限位开关和拉力传感器的信号传入PLC中，PLC通过变频器控制电机。

其中，PLC是核心控制部件，相对于其他处理器具有可靠性高、耐用性强、抗干扰能力强等优点。本设计选用西门子S7-221的PLC作为控制器，该型号扩展性好、可靠性高、操作简单。PLC接220V电源，同时接收拉力传感器和限位开关的信号，并输出调节信号到调频器。

限位开关又叫行程开关，被用来限制机械运动的位置或行程，使运动机械按一定位置或行程自动停止、反向運动、变速运动或自动往返运动等，可被分为接触式与非接触式。本文采用松下PM-L45光电式非接触式限位开关，具有体积小、可靠性强、灵敏度高、防止机械磨损等优点。限位开关直接与PLC 的I/O口相连。

拉力传感器选用额定负载大于300KG，灵敏度2+0.05mv/v的传感器。拉力传感器的输出信号为与所受拉力成正比的毫伏级电压信号，PLC的模拟量输入模块无法直接处理，故采用经济型放大器RW-ST01将信号放大到0～10V的标准工业过程信号供PLC的模拟量模块处理。该连接方法系统灵活、编程方便、系统反应速度快。

变频器通过接收PLC的控制信号，输出不同频率、不同电压的控制信号来控制交流电机的转速，变频器还具有如节能、过流、过压、过载保护等保护功能。接线过程中，PLC和变频器上的RS485通讯接口相连，采用PLC编程通信控制，这种连接方式可以实现无级变速，具有速度变换平滑、速度控制精确，适应性好等特点。

电机选用功率为600～700W、最大转速为1500r/min的交流绕线异步电机，其实际转速与变频器输出频率成正比。在变频器与电机的放置方面，由于变频器输出的电压波形不是正弦波，包含有大量的谐波成分，其中的高次谐波会使变频器输出电流增大，造成电机绕组发热、产生振动和噪声、加速绝缘老化等，并且各种频率的谐波会向空间发射一定程度的无线电干扰，因此，需要把变频器安放在电机附近。

3 总结

本文提出的举重保护装置，通过机械结构与电气装置相结合的方式实现举重保护，其中，通过拉力传感器反馈拉力信号，使用PLC对拉力信号实时处理，再控制电机实施保护。目前，举重保护装置的研究并非热点，但是随着人们物质和精神生活的日益丰富，人们对体育运动也会有更多的关注。该举重保护装置设计简单，行之有效，能够极大地保护举重运动员和锻炼者的安全，具有良好的应用前景。

【参考文献】

[1]万建辉.举重运动员运动损伤特征与预防[J].福建体育科技，2013，32（1）：37-40.

[2]陈环.浅析举重运动损伤及预防策略[J].科技展望， 2015，2015（36）：217-218.

[3]汪功明.残疾人举重液压伺服保护装置设计[J].机床与液压，2015，43（2）：115-117.

[4]吴肖洁.加压举重服对脊柱稳定性、力量输出及恢复的影响[D].北京：北京体育大学，2017.