摘要：為掌握金剛石繩鋸機在水下切削作業時的工作狀態，并能及時對作業參數進行調整，設計了一種水下金剛石繩鋸機監測系統。分析了繩鋸機切削作業時的切削參數，選取切削速度、進給速度、張緊力、串珠繩位置和液壓系統進行監測。硬件采用基于ARM7TDMI-S核心的處理器LPC2214，配合監測傳感器、存儲器、RS232通訊和LCD顯示器組成硬件系統。分析了監測系統軟件設計思路，對數據顯示和數據處理進行模塊化設計。經過測試，顯示器可以實時顯示繩鋸機的主要作業參數。該設計實現了水下金剛石繩鋸機作業參數的可靠監測，對提高繩鋸機的水下切削效率有重要意義。

　　關鍵詞：金剛石繩鋸機;水下作業;監控系統;LPC2214;RS232;MAX706;串口通信;SED1335;

　　隨著我國陸地石油資源的日益減少，開采豐富的海上石油是一種很好的解決辦法。伴隨著海底石油管道的日益增加，其事故率也逐年增加[1]。一旦發生事故，便會引起巨大的經濟損失，因此需要在最短的時間內進行修復作業[2]。在海底管道的切割作業中，金剛石繩鋸具有廣泛的應用[3]。金剛石繩鋸機最早應用于礦山開采，經過研究和改進推廣到海底管道切割作業中[4]。

　　國內對金剛石繩鋸機的水下應用做了大量的研究，但對于切削過程的監測設計還相對較少，而且主要集中在控制方法上[5-6]。為了掌握金剛石繩鋸機切割海底管道的工作狀態，并能及時進行切削參數的調整，設計了一種水下金剛石繩鋸機監測系統。在金剛石繩鋸機切割作業的研究基礎上，分析其影響切削效率和安全的關鍵參數，選擇合適的傳感器進行數據采集。硬件采用基于ARM7TDMI-S核心的處理器LPC2214，配合外圍電路和相關軟件設計，及時可靠地顯示繩鋸機的關鍵切削參數，提高切削效率。

　　1水下金剛石繩鋸機及監測方案

　　水下金剛石繩鋸機主要由切割裝置、進給裝置、張緊裝置、夾緊裝置和導向裝置等組成。繩鋸機作業前，先調整張緊裝置使串珠繩保持一定張力;加緊液壓缸驅動夾緊裝置夾緊管道;切割裝置主動輪提供動力使串珠繩旋轉;在進給裝置和導向裝置的作用下完成切削進給。金剛石繩鋸機在水下進行海底管道切割作業時，需要根據鋸切狀態及時調整切削參數，以保證切割作業順利完成[7]。

　　因此，這需要多種傳感器及時反饋作業狀態。結合金剛石繩鋸機的切割過程，主要對以下參數進行監測：1)串珠繩張緊力監測串珠繩的張緊力對切削效率和串珠使用壽命有重要的影響[8]。張緊力過大會加速串珠繩的疲勞損，容易導致斷繩;張緊力過小則會導致串珠繩與導向輪打滑磨損，降低切削效率。2)串珠繩位置監測繩鋸機工作過程中，串珠繩偶爾會出現卡繩現象。單靠張緊力監測無法判斷串珠繩的狀態，需要位置監測和張緊力監測配合才能實時反饋串珠繩狀態。

　　3)進給速度監測繩鋸機的進給速度決定了其工作效率的高低。進給速度過大會導致繩張緊力增大，引起斷繩;進給速度過小會降低切削效率。因此，需要根據繩鋸機切割管道的深度，及時調整進給速度。4)切削速度監測切削速度是串珠繩相對海底管道的切向速度，對切削效率與串珠磨損有重要影響。在切削作業中，需要及時根據切削厚度和切削材質來改變切削速度。5)液壓系統監測水下金剛石繩鋸機的動力由液壓系統提供，液壓系統的穩定工作，是保證切削作業的前提。因此，需要對主動輪液壓馬達和進給液壓馬達進行監測。

　　2傳感器選擇與設計

　　2.1張緊力傳感器設計

　　其基本原理是電阻的應變效應。切割過程中，串珠繩壓力作用在導向輪上，使彈性軸按比例產生應變，通過彈性軸上應變片將其轉化為電阻的變化。通過測量電路和放大電路，將數據采集到處理器。為防止進水影響信號精度，采用密封膠圈和防水保護套對彈性軸進行保護。機械應變一般為10-6~10-3，引起的電阻變化很小(約10-4~10-1Ω)。采用直流電橋作為測量電路，把電阻的變化轉變為電壓變化。一對橋臂接負載電阻，另一對接電流。

　　2.2串珠位置傳感器

　　選擇美國PT8系列拉繩式傳感器。考慮水下工作環境，對其關鍵部分進行密封改裝，增加防水膠圈并進行測試，使其適合測量串珠繩位移。

　　2.3進給速度傳感器

　　繩鋸機進給系統是通過液壓馬達帶動絲杠螺母機構，實現串珠繩的進給，因此可通過測量液壓馬達轉速間接測量進給速度。選用北京新宇航公司的JN338—A轉矩轉速傳感器。該傳感器可以測量正反轉速，通過密封改裝增加防水膠圈并進行測試后，將其安裝在液壓馬達與負載之間，用以測量轉速。

　　2.4壓力、流量傳感器

　　壓力傳感器將液壓壓力轉換為0~5V電壓信號，其輸出電壓與壓力有一定的線性關系。流量傳感器基于力矩平衡原理測量流量，其成比例輸出0~5V電壓信號。繩鋸機工作時，張緊力傳感器將導向輪彈性軸的應變轉換為電信號，拉繩式傳感器測量進給機構的實時位置，轉矩轉速傳感器測量進給機構液壓馬達的轉矩轉速，壓力、流量傳感器測量液壓系統的壓力流量。各傳感器實時傳輸監測數據到CPU，傳輸線路均做防水處理。傳感器均傳輸電壓信號，對信號進行標定后設計相應的硬件和軟件。

　　3監測系統硬件設計

　　為監測系統的硬件結構。該嵌入式系統基于ARM7TDMI-S處理器，主要包含電源、微處理器芯片、存儲器和I/O接口。硬件的核心處理器為PhilipsLPC2214，可以實現信號采集、調試和輸出;同時也可以實現人機交互，實現LCD顯示和RS232通訊[9]。

　　3.1復位電路設計

　　LPC2214的CPU復位引腳連續保持4個時鐘周期的低電平信號時，才能使其有效復位。復位電路作用是給處理器提供復位信號，采用MAX706芯片產生Reset信號。MAX706還可以提供1.6s看門狗定時器：WDI引腳保持高電平或者低電平超過1.6s，WDO引腳輸出低電平使系統復位，保證系統有更高的可靠性[10]。WDO引腳與MR引腳連接，使監測系統運行。LPC2214還提供JTAG復位引腳nTRST，用來進行軟件復位。8為仿真器JTAG和處理器的接口電路，通過ARM7TDMI所提供的JTAG型掃描標準，可以調試處理器的ICE-RT邏輯。

　　3.2交互接口設計

　　采用日本SEIKOEPSON公司的產品SED1335液晶顯示器作為LCD顯示硬件，其在同類產品中有較高的可靠性。SED1335的特點為豐富的指令功能、320×240點陣、較強的I/O緩沖器和圖形文本混合顯示[11]。處理器產生的部分信號，需經過反相器進行電平匹配，再與液晶屏連接。串口通信接口采用RS-232，其電氣特性規定：接口輸出電壓在-5～-15V為邏輯1，信號進行傳輸;接口輸出電壓在+5～+15V為邏輯0，信號停止傳輸。TTL邏輯電路的電平與RS-232接收的電平形式不同，因此需要專門電路進行轉換。采用MAX3232芯片進行電平轉換。

　　4監測系統軟件設計

　　建立好水下金剛石繩鋸機監測系統的硬件后，需要對其進行相應的軟件設計。LPC2214沒有內存管理單元，在加載到內存中運行前，系統需要把操作程序編譯為二進制代碼，根據軟件設計總體框架可以看出，軟件的開發可以分為數據顯示和數據處理兩個方面，其中數據處理又由數據的采集和計算組成。根據監測系統的特點，整個軟件設計可以分為幾個模塊，每個模塊有獨立的LCD界面顯示，可以接受用戶的查看和輸入。

　　5實驗結果分析

　　為確保監測結果的準確可靠，需要對LCD顯示結果進行數據驗證分析。串珠位置傳感器、進給速度傳感器、壓力和流量傳感器是直接購買的成品，其準確度可以保證。因此，主要對張緊力傳感器的實驗結果進行分析。張緊力傳感器采用靜態標定方法，通過電子萬能材料試驗機每隔500N記錄一次電壓值，標定張力和電壓的對應關系。

　　對靜態標定結果進行理論修正，得到不同張力和轉速的理論修正值。張力的測量范圍為0~3000N，不同張力情況下實驗與理論數值對比。可以看出，理論修正值與實驗值基本吻合，證明張緊力傳感器可以為監測系統提供穩定的張力顯示，保證繩鋸機的正常運行。

　　6結論

　　針對水下金剛石繩鋸機的工作要求，提出了一種基于ARM微處理器的繩鋸機檢測系統設計。1)根據繩鋸機水下切割作業工況，對主要參數切削速度、進給速度、張緊力、串珠繩位置和液壓系統進行監測，并選擇合適的傳感器。

　　2)硬件采用基于ARM7TDMI-S的核心處理器LPC2214，與外部電路組成監測系統。經過軟件設計，使顯示器顯示傳感器采集的信號，為工作人員隨時掌握切削數據并及時調整切削工況提供了方便。經驗證，本監測系統能夠準確可靠地顯示繩鋸機的切削狀態，對提高繩鋸機的水下切削效率有重要意義。

　　參考文獻:

　　[1]齊兵兵,王賀,齊芳芳.海底管道應急回收技術研究[J].石油工程建設,2017,43(1):34-37.

　　[2]王宏安.海底油氣管道水下維修技術綜述[J].科技創新與應用,2016(8):143-144.

　　[3]魏行超,齊兵兵,王迪祥,等.金剛石線切割鋸在海管維修中的應用[J].機械工程師,2018(3):58-60.

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