摘 要： 闡述了輸送機(jī)斷鏈、失速保護(hù)裝置的工作原理，詳細(xì)介紹了以AVR ATmega16單片機(jī)為核心構(gòu)成的保護(hù)裝置的軟硬件、控制算法和可靠性設(shè)計(jì)方案。該智能保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸送機(jī)斷鏈、失速故障的智能可靠保護(hù)，有力保證了輸送機(jī)安全、可靠運(yùn)行。
關(guān)鍵詞： AVR； 單片機(jī)； 斷鏈； 失速； 保護(hù)裝置
輸送機(jī)廣泛用于建材、化工、火電、礦山、機(jī)械、冶煉和運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)，由于輸送機(jī)連續(xù)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、負(fù)荷重，事故、磨損、腐蝕、等問(wèn)題比較多見(jiàn)，因此輸送機(jī)故障概率大，其中斷鏈、斷帶、失速故障占的比例最大。發(fā)生斷鏈、斷帶、失速故障后，往往會(huì)摧毀輸送機(jī)機(jī)架，損壞設(shè)備，堵塞運(yùn)輸巷道,造成長(zhǎng)時(shí)間的停產(chǎn)及重大經(jīng)濟(jì)損失,甚至導(dǎo)致人員傷亡,后果極其嚴(yán)重，并且故障修復(fù)難度大，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的正常運(yùn)行。采用先進(jìn)的技術(shù)，加強(qiáng)輸送機(jī)管理和維護(hù)是降低輸送機(jī)事故率、提高產(chǎn)量、保障安全生產(chǎn)的有效途徑。
本文以Amega16高性能單片機(jī)為核心,開發(fā)了輸送機(jī)斷鏈、失速保護(hù)裝置。該裝置能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集的輸送機(jī)主動(dòng)輪、被動(dòng)輪信號(hào)，按照判別算法，快速識(shí)別輸送機(jī)斷鏈、失速狀態(tài)，迅速有效地進(jìn)行自動(dòng)處理,避免重大損失,并能快速給出故障位置,有利于快速修復(fù)故障和恢復(fù)生產(chǎn)。
1 工作原理
斷鏈、失速保護(hù)裝置工作原理如圖1所示。裝置從輸送機(jī)獲得主動(dòng)輪、從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速信號(hào)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)運(yùn)算處理，判斷主動(dòng)輪與從動(dòng)輪之間是否存在轉(zhuǎn)速差，如果存在轉(zhuǎn)速差，則按照判別規(guī)則判斷失速斷鏈狀態(tài)，即輕度失速、中度失速、重度失速（斷鏈）狀態(tài)，根據(jù)失速、斷鏈狀態(tài)，單片機(jī)送出相應(yīng)的聲光報(bào)警信號(hào)，并經(jīng)過(guò)信號(hào)線傳送給現(xiàn)場(chǎng)輸送機(jī)控制系統(tǒng)。如果為重度失速（斷鏈）狀態(tài)，則現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)發(fā)出拖動(dòng)電機(jī)停止信號(hào)，同時(shí)電磁制動(dòng)器使主動(dòng)輪、從動(dòng)輪同時(shí)制動(dòng)，防止事故進(jìn)一步擴(kuò)大；如果為中度失速狀態(tài)，信號(hào)傳送到現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)后，經(jīng)過(guò)一段延時(shí)，如果沒(méi)有得到有效處理，則停車，防止輸送帶打滑損壞；如果為輕度失速狀態(tài)，則只發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，提示操作人員，不作停車處理；如果輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，則不發(fā)出信號(hào)。另外，斷鏈、失速信號(hào)、位置信號(hào)、速度信號(hào)通過(guò)RS485總線傳送到上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可以在控制室及時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)輸送機(jī)狀態(tài)和故障位置。
限于篇幅，本文只介紹斷鏈、失速保護(hù)裝置。
2 硬件設(shè)計(jì)
斷鏈、失速保護(hù)裝置由CPU單元、按鍵輸入電路、上位機(jī)通訊電路、失速信號(hào)輸出電路、速度檢測(cè)電路、系統(tǒng)起動(dòng)電路、顯示電路、晶振電路、復(fù)位電路、編程接口電路等部分構(gòu)成。斷鏈、失速保護(hù)裝置硬件電路原理框圖如圖2所示。
為了適應(yīng)高速數(shù)據(jù)采集與運(yùn)算的需要,裝置以Atmega16為控制核心。Atmega16為低功耗、高性能的8位AVR單片機(jī)，具有強(qiáng)大的RISC精簡(jiǎn)指令集，多數(shù)為單周期指令，數(shù)據(jù)處理能力高達(dá)1 MIPS/MHz，內(nèi)部具有1 KB RAM單元，16 KB Flash ROM單元及512 KB E2PROM單元，參數(shù)可保存在E2PROM中；具有32個(gè)高驅(qū)動(dòng)能力可編程I/O端口，可直接驅(qū)動(dòng)較大電流負(fù)載，端口還具有可編程內(nèi)部上拉電阻；支持在線編程（ISP）及在應(yīng)用編程（IAP），方便現(xiàn)場(chǎng)修改和調(diào)試程序。另外，還有可編程串行USART接口，可以方便實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通訊。
Atmega16單片機(jī)接口內(nèi)部具有可編程上拉電阻，按鍵輸入電路可不用外部上拉電阻，但在設(shè)計(jì)中，一般接上拉電阻，一是不用考慮內(nèi)部上拉電阻是否有效，二是上拉電阻可起到限流作用；設(shè)計(jì)有6個(gè)輸入按鍵，可以實(shí)現(xiàn)功能選擇、參數(shù)調(diào)整、確定、取消、復(fù)位等操作；上位機(jī)通訊電路采用75176型專用RS485通訊集成電路，方案簡(jiǎn)單、可靠，為實(shí)現(xiàn)上位計(jì)算機(jī)與下位單片機(jī)通訊傳輸數(shù)據(jù)速度的匹配，單片機(jī)采用11.059 2 MHz晶振。
為了提高系統(tǒng)抗干擾能力，電路系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)輸入、輸出通道均采用光電耦合器，速度檢測(cè)開關(guān)采用測(cè)速專用光電測(cè)速開關(guān)，采用24 V直流供電；系統(tǒng)起動(dòng)信號(hào)由現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)發(fā)出，斷鏈、失速保護(hù)裝置檢測(cè)到此信號(hào)，即進(jìn)入速度、斷鏈、失速檢測(cè)狀態(tài)。Atmega16單片機(jī)的I/O口驅(qū)動(dòng)能力很強(qiáng)，采用端口直接驅(qū)動(dòng)光電耦合器發(fā)光二極管負(fù)載，I/O端口接上拉電阻，可以提高單片機(jī)端口驅(qū)動(dòng)能力。顯示部分采用1602 B字符型液晶顯示模塊，液晶模塊采用D4~D7作為數(shù)據(jù)傳輸線,分2次傳送8位顯示參數(shù)，以便節(jié)省單片機(jī)I/O口資源。
3 軟件設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)軟件由系統(tǒng)初始化程序、鍵盤處理程序、起動(dòng)檢測(cè)程序、參數(shù)設(shè)定程序、數(shù)據(jù)采集程序、顯示程序、數(shù)據(jù)與算法處理程序、失速報(bào)警程序、通訊程序、中斷服務(wù)程序等構(gòu)成，系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。保護(hù)裝置對(duì)采集的主、從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行處理，按照模糊判別規(guī)則確定系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，產(chǎn)生斷鏈、失速后，進(jìn)行中斷服務(wù)處理，送出相應(yīng)失速狀態(tài)信號(hào)，同時(shí)顯示相關(guān)信息。
4 算法設(shè)計(jì)
輸送機(jī)斷鏈、失速狀態(tài)采用模糊判別方法，模糊控制器采用二維模糊控制器，選用主動(dòng)輪與從動(dòng)輪速度偏差E及偏差變化率EC作為輸入變量，斷鏈、失速狀態(tài)U作為輸出變量，可靠地監(jiān)控輸送機(jī)的運(yùn)行情況，準(zhǔn)確判別失速狀態(tài)。
模糊控制器誤差E等于主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速減去從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速，因主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速大于等于從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速，所以主動(dòng)輪與從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速偏差數(shù)值大于等于零，E的模糊子集為零（ZO）、正小（PS）、正中（PM）、正大（PB），量化為4個(gè)等級(jí),分別表示為0、+1、+2、+3。誤差變化率EC的模糊子集為負(fù)大（NB）、負(fù)小（NS）、零（ZO）、正小（PS）、正大（PB），量化為5個(gè)等級(jí)，分別表示為-2、-1、0、+1、+2。斷鏈、失速狀態(tài)量U的模糊子集為零（ZO）、正?。≒S）、正中（PM）、正大（PB），量化為4個(gè)等級(jí)，表示為0、+1、+2、+3，含義為無(wú)失速、輕度失速、中度失速、重度失速（斷鏈）。根據(jù)人工判別經(jīng)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)，形成的模糊判別規(guī)則如表1所示。
5 可靠性設(shè)計(jì)
從軟件和硬件兩方面考慮系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)。軟件方面主要采用了軟件陷阱、信號(hào)重復(fù)檢測(cè)、數(shù)字濾波等措施,硬件方面主要采用了看門狗、光電隔離、合理布線、硬件冗余等措施，對(duì)測(cè)速部件采用硬件冗余措施，即主動(dòng)輪、從動(dòng)輪分別采用兩路同時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)速信號(hào)，當(dāng)2個(gè)信號(hào)數(shù)據(jù)誤差較大時(shí)，認(rèn)為其中一路出現(xiàn)問(wèn)題，提示運(yùn)行人員檢修，有效防止速度檢測(cè)回路損壞對(duì)保護(hù)裝置性能的影響，保證系統(tǒng)能在惡劣的工業(yè)條件下準(zhǔn)確、穩(wěn)定地運(yùn)行。
本文采用AVR高性能單片機(jī)為控制核心，結(jié)合現(xiàn)代電子技術(shù)、智能控制理論、傳感器技術(shù)、可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)等，設(shè)計(jì)了斷鏈、失速智能保護(hù)裝置，該保護(hù)技術(shù)和裝置對(duì)保護(hù)輸送機(jī)設(shè)備，保障相關(guān)行業(yè)安全、可靠、高效生產(chǎn)，減少事故發(fā)生，有著重要的意義。
參考文獻(xiàn)
[1] 張平川，許興廣.基于單片機(jī)電熱水器模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007，11(2)：145-146.
[2] 孫冰,王汝琳.智能化礦井膠帶輸送機(jī)綜合安全保護(hù)系統(tǒng)[J]. 華北科技學(xué)院學(xué)報(bào),2005(1):41-43.
[3] 董久赤,王金奎.刮板輸送機(jī)斷鏈?zhǔn)鹿试蚍治鯷J].煤礦機(jī)械，2004(4)：117-118.
[4] 諸靜.模糊控制原理與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.
[5] 王柏林.單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的誤區(qū)與對(duì)策[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2002,28(2).