桥梁拉索PVF带缠包的控制系统设计及实现

韦炳机

摘要：PVF带是一种韧性好、黏性强、抗紫外线能力好的聚氟乙烯材料，是目前桥梁拉索保护应用领域中一种较好的材料。文章针对桥梁拉索PVF带的缠包应用，介绍了PVF带缠包控制系统的硬件构成、电路设计以及软件实现方法，并分析了该系统的缠包效果与工作效率。

关键词：PVF带;桥梁拉索;单片机;联动驱动

中国分类号：U443.38文章标识码：A291124

0 引言

拉索作为一种高效承受拉力的结构构件在斜拉索桥梁的建设中有着广泛的应用[1]。在过去的十几年里全世界修建的斜拉桥越来越多，拉索作为桥梁重要的承重构件，其健康防护俨然成为桥梁防护工作的一项重要内容。拉索布置在桥面上方，长期处于高强度应力状态，曝露在复杂的自然环境中，PE护套防腐层容易过早地老化损坏，导致水、氧及腐蚀因子等的入侵，从而引起拉索内部结构的锈蚀，威胁桥梁的安全[2]。拉索PE护套表面的状况及内部腐蚀状况是评估拉索体系健康安全的一项重要参数[3]。

PVF薄膜胶带是一种新型拉索PE护套保护材料。在斜拉索外层缠包上PVF薄膜带，可以对PE护套起到很好的保护作用。该方法在国内外都已经被采用，但因缺乏相应的PVF带智能缠包设备，阻碍了此技术的发展[4]。目前国内桥梁拉索的PVF带缠包主要还是采用人工手动的方法进行，工作效率低下，PVF带缠包质量不稳定。所以设计开发一种PVF带智能缠包的系统对桥梁健康维护的建设具有重要的意义。

本文研究的目的是建立基于四联动电机的桥梁拉索PVF带智能缠包的系统设计，即利用单片机主控器侦听人机交互界面下达的指令，根据指令操作两个行走电机和两个旋转电机动作，在电机转速的反馈条件下，协调四个电机的联合动作，最终实现行走电机速度与旋转电机速度的科学配比，保障PVF带缠包重叠质量的稳定。系统设计的手持控制器能为系统的应用提供更便捷的方法。期望该系统设计能为桥梁拉索PVF带的缠包工作提供智能、便捷、高效、稳定的技术保障。

1 PVF带缠包机的系统硬件构成及原理

1.1 系统的硬件构成

系统主要由发电机供电组、系统控制器、无线手持设备及行走、PVF带缠包机等构成。MCU控制器通过RS485总线与四路电机驱动模块进行通信，通过配置四路电机驱动的参

数实现四路电机的联合动作操作，再配合4台电机的实时转速反馈，实现用户设置的功能智能适应;通过RS232总线与433 MHz的无线收发模块、HMI显示屏进行通信，侦听及响应用户指令功能。见图1。

1.2 系统直流电机驱动主要电路设计

系统直流电机的驱动总共有4组，驱动电路模块主要由通信电路及功率驱动电路构成，通信电路采用磁隔离的方式来降低因电机运行而引入的电磁干扰，提高通信的可靠性。直流电机驱动电路主要采用16片场效应管PSMN009和8片IR2103S半橋驱动芯片设计成的4个H桥直流电机驱动电路。设计中的PSMN009导通阻抗RDS（ON）<9 m[WTBZ]Ω，可通过的最大电流ID=100 A，DS端最大电压VDSS=100 V。IR2103S是一款高压、高速功率MOSFET和IGBT的栅极驱动器，兼容标准的CMOS逻辑输入和LSTTL输出，以及兼容多种类型电平的主控器，在很大程度上降低了H桥功率驱动电路系统的设计难度。图2所示的直流电机半桥驱动单元示意图中，Q1、Q2为N沟道场效应管（PSMN009）;高速开关二极管D2、D3和电阻R2、R3的作用是降低削弱半桥驱动芯片（HO/IO）输出的过应力，达到保护功率管的作用;自举二极管D1和电容C1构成自举电路为电桥高压侧端驱动提供悬浮驱动电压，其中自举二极管选择高速开关管IN4148，电容选择高质量的钽电容且耐压值为35 V;为使直流电机正常工作，电路的控制流程是当PWM源作用在IR2103的2脚（HIN）上时，3脚必须提前拉低以关断低侧端的场效应管的导通;同时另一半桥电路的2脚拉低关断高侧端的场效应管，3脚拉高打开低侧端的场效应管。

1.3 通信接口电路设计

系统通信接口采用电源隔离及磁隔离双重保护来提高通信的抗干扰能力，如图3所示图中U10是通信隔离电源B0505S，该电源模块具有体积小、性能稳定、可靠性高且纹波最大值仅有100 mVp-p[5]的特点。U4是一款带有磁隔离功能的工业RS485通信集成芯片ADM2483，它能为电机应用领域中数据的可靠通信提供一个较优的解决方案。

1.4 MCU主控器

Stm32f103是一款高性能、低成本且接口丰富的增强型单片机，它被广泛应用于各个领域的嵌入式开发。下页图4为系统的主控单片机电路图。

2 系统软件及人机交互界面设计

2.1 系统控制的软件流程

系统控制器实时监听本地的HMI控制屏及无线手持控制设备发出的操作指令，当控制器接收到数据时，先判断数据类型是控制指令还是写参数指令，然后进入相应指令的功能区响应指令的操作。具体流程如下页图5所示。

2.2 系统HMI界面的设计

系统的人机交互界面设计中，本地控制和手持设备上的HMI操作媒介均采用可触摸的TFT彩屏完成设计且两者的操作界面风格一致，它们与MCU控制器的接口分别以RS485的方式有线对接及433M无线

数据接口对接。HMI的操作界面上，主要有四个操作按钮控件，分别对应启动顺、启动逆、停止、后退。其中启动顺、启动逆指的是启动设备后PVF带顺时针、逆时针缠绕工作方式的选择。该系统还具有电机的实时转速监控、电机的转速参数修改及PVF带的缠包叠加比例设定滑条等功能，具体界面见图6。

3 系统设备的实验数据、缠包效果及经济分析

3.1 实验结果的数据分析

在实验中，设定带动PVF带缠包的旋转电机固定转速为850 r/min不变，将重叠带的比例值按10%的步进值做10组实验并用分辨率为1 mm刻度的软尺进行人工测量，测量方法是在对应的实验区域随机检测5个固定位置点的PVF带重叠宽度，并记录数据。

由表1测量结果可知，结合设备的实际运行状态可知操作结果的误差主要是转盘带动PVF带旋转时，由于转盘配重失衡而造成的局部作业结果误差。表1的实验数据显示，系统实验操作完成的结果与设置的10组重叠比例参照数据对比分析，分析的结果是PVF带智能缠包系统的缠包效果稳定在2 mm以内的误差，由此可见所设计系统的工作结果具有良好的稳定性。

3.2 操作结果的效率及经济分析

在实际应用中，PVF带重叠率为50%时，设备以850 r/min转速行走，以800 r/min转速进行缠包。根据实际操作在使用该参数工作情况下设备完成5 m长度的拉索缠包需要1 min。以对300 m长度的拉索进行缠包作业计算，使用智能缠包设备缠包需时60 min，人力2人;而采用同样人力进行手动缠包，在不间断工作的前提下按平均10 s一圈的缠包速度，则300 m长度的拉索缠绕600圈耗时约99 min。由此可见，PVF带智能缠包设备的工作效率明显比人工要高，而且随着需要缠包的拉索长度变长，效果更加明显;此外利用设备纏包PVF带，长时间内能保证PVF带的重叠比例在很小的范围内变化而人工却无法保证;同时采用智能化设备工作，可以降低工人的工作强度，减少因高空长时间作业可能引起的一系列安全事故的发生。

4 结语

本文主要介绍了PVF带缠包控制系统的硬件构成、电路设计以及软件实现方法。其主要包括系统通信电路的设计，中小功率直流电机驱动电路设计，核心主控制器设计，软件实现方法的控制流程及HMI控制界面的设计;该设计实现了基于四联动电机的桥梁拉索PVF带缠包系统在实际桥梁施工项目中的应用，能有效提高拉索PVF带的缠包工作效率及缠包的质量。

参考文献：

[1]罗 帅，刘红军，王 刚.斜拉索-调谐质量阻尼器系统复模态分析[J].哈尔滨工业大学学报，2012，44（6）：58-61，148.

[2]吴昱[HTXH1]劼.桥梁拉索的环境腐蚀损伤控制研究[J].辽宁：建筑与预算，2018（9）：31-33.

[3]赵 军，朱建龙，薛花娟.桥梁拉索环境腐蚀损伤控制的有效途径[J].北京：公路，2007（7）：66-69.

[4]卢民娟.PVF薄膜热分解特性及粘接性能研究[D].北京：北京化工大学，2014.

[5]郭天祥.51单片机C语言教程[M].北京：电子工业出版社，2009.