水下金刚石绳锯机监测系统设计

　　摘要：为掌握金刚石绳锯机在水下切削作业时的工作状态，并能及时对作业参数进行调整，设计了一种水下金刚石绳锯机监测系统。分析了绳锯机切削作业时的切削参数，选取切削速度、进给速度、张紧力、串珠绳位置和液压系统进行监测。硬件采用基于ARM7TDMI-S核心的处理器LPC2214，配合监测传感器、存储器、RS232通讯和LCD显示器组成硬件系统。分析了监测系统软件设计思路，对数据显示和数据处理进行模块化设计。经过测试，显示器可以实时显示绳锯机的主要作业参数。该设计实现了水下金刚石绳锯机作业参数的可靠监测，对提高绳锯机的水下切削效率有重要意义。

　　关键词：金刚石绳锯机;水下作业;监控系统;LPC2214;RS232;MAX706;串口通信;SED1335;

　　随着我国陆地石油资源的日益减少，开采丰富的海上石油是一种很好的解决办法。伴随着海底石油管道的日益增加，其事故率也逐年增加[1]。一旦发生事故，便会引起巨大的经济损失，因此需要在最短的时间内进行修复作业[2]。在海底管道的切割作业中，金刚石绳锯具有广泛的应用[3]。金刚石绳锯机最早应用于矿山开采，经过研究和改进推广到海底管道切割作业中[4]。

　　国内对金刚石绳锯机的水下应用做了大量的研究，但对于切削过程的监测设计还相对较少，而且主要集中在控制方法上[5-6]。为了掌握金刚石绳锯机切割海底管道的工作状态，并能及时进行切削参数的调整，设计了一种水下金刚石绳锯机监测系统。在金刚石绳锯机切割作业的研究基础上，分析其影响切削效率和安全的关键参数，选择合适的传感器进行数据采集。硬件采用基于ARM7TDMI-S核心的处理器LPC2214，配合外围电路和相关软件设计，及时可靠地显示绳锯机的关键切削参数，提高切削效率。

　　1水下金刚石绳锯机及监测方案

　　水下金刚石绳锯机主要由切割装置、进给装置、张紧装置、夹紧装置和导向装置等组成。绳锯机作业前，先调整张紧装置使串珠绳保持一定张力;加紧液压缸驱动夹紧装置夹紧管道;切割装置主动轮提供动力使串珠绳旋转;在进给装置和导向装置的作用下完成切削进给。金刚石绳锯机在水下进行海底管道切割作业时，需要根据锯切状态及时调整切削参数，以保证切割作业顺利完成[7]。

　　因此，这需要多种传感器及时反馈作业状态。结合金刚石绳锯机的切割过程，主要对以下参数进行监测：1)串珠绳张紧力监测串珠绳的张紧力对切削效率和串珠使用寿命有重要的影响[8]。张紧力过大会加速串珠绳的疲劳损，容易导致断绳;张紧力过小则会导致串珠绳与导向轮打滑磨损，降低切削效率。2)串珠绳位置监测绳锯机工作过程中，串珠绳偶尔会出现卡绳现象。单靠张紧力监测无法判断串珠绳的状态，需要位置监测和张紧力监测配合才能实时反馈串珠绳状态。

　　3)进给速度监测绳锯机的进给速度决定了其工作效率的高低。进给速度过大会导致绳张紧力增大，引起断绳;进给速度过小会降低切削效率。因此，需要根据绳锯机切割管道的深度，及时调整进给速度。4)切削速度监测切削速度是串珠绳相对海底管道的切向速度，对切削效率与串珠磨损有重要影响。在切削作业中，需要及时根据切削厚度和切削材质来改变切削速度。5)液压系统监测水下金刚石绳锯机的动力由液压系统提供，液压系统的稳定工作，是保证切削作业的前提。因此，需要对主动轮液压马达和进给液压马达进行监测。

　　2传感器选择与设计

　　2.1张紧力传感器设计

　　其基本原理是电阻的应变效应。切割过程中，串珠绳压力作用在导向轮上，使弹性轴按比例产生应变，通过弹性轴上应变片将其转化为电阻的变化。通过测量电路和放大电路，将数据采集到处理器。为防止进水影响信号精度，采用密封胶圈和防水保护套对弹性轴进行保护。机械应变一般为10-6~10-3，引起的电阻变化很小(约10-4~10-1Ω)。采用直流电桥作为测量电路，把电阻的变化转变为电压变化。一对桥臂接负载电阻，另一对接电流。

　　2.2串珠位置传感器

　　选择美国PT8系列拉绳式传感器。考虑水下工作环境，对其关键部分进行密封改装，增加防水胶圈并进行测试，使其适合测量串珠绳位移。

　　2.3进给速度传感器

　　绳锯机进给系统是通过液压马达带动丝杠螺母机构，实现串珠绳的进给，因此可通过测量液压马达转速间接测量进给速度。选用北京新宇航公司的JN338—A转矩转速传感器。该传感器可以测量正反转速，通过密封改装增加防水胶圈并进行测试后，将其安装在液压马达与负载之间，用以测量转速。

　　2.4压力、流量传感器

　　压力传感器将液压压力转换为0~5V电压信号，其输出电压与压力有一定的线性关系。流量传感器基于力矩平衡原理测量流量，其成比例输出0~5V电压信号。绳锯机工作时，张紧力传感器将导向轮弹性轴的应变转换为电信号，拉绳式传感器测量进给机构的实时位置，转矩转速传感器测量进给机构液压马达的转矩转速，压力、流量传感器测量液压系统的压力流量。各传感器实时传输监测数据到CPU，传输线路均做防水处理。传感器均传输电压信号，对信号进行标定后设计相应的硬件和软件。

　　3监测系统硬件设计

　　为监测系统的硬件结构。该嵌入式系统基于ARM7TDMI-S处理器，主要包含电源、微处理器芯片、存储器和I/O接口。硬件的核心处理器为PhilipsLPC2214，可以实现信号采集、调试和输出;同时也可以实现人机交互，实现LCD显示和RS232通讯[9]。

　　3.1复位电路设计

　　LPC2214的CPU复位引脚连续保持4个时钟周期的低电平信号时，才能使其有效复位。复位电路作用是给处理器提供复位信号，采用MAX706芯片产生Reset信号。MAX706还可以提供1.6s看门狗定时器：WDI引脚保持高电平或者低电平超过1.6s，WDO引脚输出低电平使系统复位，保证系统有更高的可靠性[10]。WDO引脚与MR引脚连接，使监测系统运行。LPC2214还提供JTAG复位引脚nTRST，用来进行软件复位。8为仿真器JTAG和处理器的接口电路，通过ARM7TDMI所提供的JTAG型扫描标准，可以调试处理器的ICE-RT逻辑。

　　3.2交互接口设计

　　采用日本SEIKOEPSON公司的产品SED1335液晶显示器作为LCD显示硬件，其在同类产品中有较高的可靠性。SED1335的特点为丰富的指令功能、320×240点阵、较强的I/O缓冲器和图形文本混合显示[11]。处理器产生的部分信号，需经过反相器进行电平匹配，再与液晶屏连接。串口通信接口采用RS-232，其电气特性规定：接口输出电压在-5～-15V为逻辑1，信号进行传输;接口输出电压在+5～+15V为逻辑0，信号停止传输。TTL逻辑电路的电平与RS-232接收的电平形式不同，因此需要专门电路进行转换。采用MAX3232芯片进行电平转换。

　　4监测系统软件设计

　　建立好水下金刚石绳锯机监测系统的硬件后，需要对其进行相应的软件设计。LPC2214没有内存管理单元，在加载到内存中运行前，系统需要把操作程序编译为二进制代码，根据软件设计总体框架可以看出，软件的开发可以分为数据显示和数据处理两个方面，其中数据处理又由数据的采集和计算组成。根据监测系统的特点，整个软件设计可以分为几个模块，每个模块有独立的LCD界面显示，可以接受用户的查看和输入。

　　5实验结果分析

　　为确保监测结果的准确可靠，需要对LCD显示结果进行数据验证分析。串珠位置传感器、进给速度传感器、压力和流量传感器是直接购买的成品，其准确度可以保证。因此，主要对张紧力传感器的实验结果进行分析。张紧力传感器采用静态标定方法，通过电子万能材料试验机每隔500N记录一次电压值，标定张力和电压的对应关系。

　　对静态标定结果进行理论修正，得到不同张力和转速的理论修正值。张力的测量范围为0~3000N，不同张力情况下实验与理论数值对比。可以看出，理论修正值与实验值基本吻合，证明张紧力传感器可以为监测系统提供稳定的张力显示，保证绳锯机的正常运行。

　　6结论

　　针对水下金刚石绳锯机的工作要求，提出了一种基于ARM微处理器的绳锯机检测系统设计。1)根据绳锯机水下切割作业工况，对主要参数切削速度、进给速度、张紧力、串珠绳位置和液压系统进行监测，并选择合适的传感器。

　　2)硬件采用基于ARM7TDMI-S的核心处理器LPC2214，与外部电路组成监测系统。经过软件设计，使显示器显示传感器采集的信号，为工作人员随时掌握切削数据并及时调整切削工况提供了方便。经验证，本监测系统能够准确可靠地显示绳锯机的切削状态，对提高绳锯机的水下切削效率有重要意义。

　　参考文献:

　　[1]齐兵兵,王贺,齐芳芳.海底管道应急回收技术研究[J].石油工程建设,2017,43(1):34-37.

　　[2]王宏安.海底油气管道水下维修技术综述[J].科技创新与应用,2016(8):143-144.

　　[3]魏行超,齐兵兵,王迪祥,等.金刚石线切割锯在海管维修中的应用[J].机械工程师,2018(3):58-60.

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