摘 要： 闡述了輸送機斷鏈、失速保護裝置的工作原理，詳細(xì)介紹了以AVR ATmega16單片機為核心構(gòu)成的保護裝置的軟硬件、控制算法和可靠性設(shè)計方案。該智能保護裝置實現(xiàn)了對輸送機斷鏈、失速故障的智能可靠保護，有力保證了輸送機安全、可靠運行。
關(guān)鍵詞： AVR； 單片機； 斷鏈； 失速； 保護裝置
輸送機廣泛用于建材、化工、火電、礦山、機械、冶煉和運輸?shù)刃袠I(yè)，由于輸送機連續(xù)運行時間長、負(fù)荷重，事故、磨損、腐蝕、等問題比較多見，因此輸送機故障概率大，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，往往會摧毀輸送機機架，損壞設(shè)備，堵塞運輸巷道,造成長時間的停產(chǎn)及重大經(jīng)濟損失,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)的正常運行。采用先進的技術(shù)，加強輸送機管理和維護是降低輸送機事故率、提高產(chǎn)量、保障安全生產(chǎn)的有效途徑。
本文以Amega16高性能單片機為核心,開發(fā)了輸送機斷鏈、失速保護裝置。該裝置能夠根據(jù)現(xiàn)場采集的輸送機主動輪、被動輪信號，按照判別算法，快速識別輸送機斷鏈、失速狀態(tài)，迅速有效地進行自動處理,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、失速保護裝置工作原理如圖1所示。裝置從輸送機獲得主動輪、從動輪轉(zhuǎn)速信號，經(jīng)過單片機運算處理，判斷主動輪與從動輪之間是否存在轉(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)，單片機送出相應(yīng)的聲光報警信號，并經(jīng)過信號線傳送給現(xiàn)場輸送機控制系統(tǒng)。如果為重度失速（斷鏈）狀態(tài)，則現(xiàn)場控制系統(tǒng)發(fā)出拖動電機停止信號，同時電磁制動器使主動輪、從動輪同時制動，防止事故進一步擴大；如果為中度失速狀態(tài)，信號傳送到現(xiàn)場控制系統(tǒng)后，經(jīng)過一段延時，如果沒有得到有效處理，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)出聲光報警信號，提示操作人員，不作停車處理；如果輸送機運轉(zhuǎn)正常，則不發(fā)出信號。另外，斷鏈、失速信號、位置信號、速度信號通過RS485總線傳送到上位監(jiān)控計算機系統(tǒng)，可以在控制室及時監(jiān)測現(xiàn)場輸送機狀態(tài)和故障位置。
限于篇幅，本文只介紹斷鏈、失速保護裝置。
2 硬件設(shè)計
斷鏈、失速保護裝置由CPU單元、按鍵輸入電路、上位機通訊電路、失速信號輸出電路、速度檢測電路、系統(tǒng)起動電路、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，具有強大的RISC精簡指令集，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個高驅(qū)動能力可編程I/O端口，可直接驅(qū)動較大電流負(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，可以方便實現(xiàn)與上位機通訊。
Atmega16單片機接口內(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)計有6個輸入按鍵，可以實現(xiàn)功能選擇、參數(shù)調(diào)整、確定、取消、復(fù)位等操作；上位機通訊電路采用75176型專用RS485通訊集成電路，方案簡單、可靠，為實現(xiàn)上位計算機與下位單片機通訊傳輸數(shù)據(jù)速度的匹配，單片機采用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)場輸入、輸出通道均采用光電耦合器，速度檢測開關(guān)采用測速專用光電測速開關(guān)，采用24 V直流供電；系統(tǒng)起動信號由現(xiàn)場控制系統(tǒng)發(fā)出，斷鏈、失速保護裝置檢測到此信號，即進入速度、斷鏈、失速檢測狀態(tài)。Atmega16單片機的I/O口驅(qū)動能力很強，采用端口直接驅(qū)動光電耦合器發(fā)光二極管負(fù)載，I/O端口接上拉電阻，可以提高單片機端口驅(qū)動能力。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I/O口資源。
3 軟件設(shè)計
控制系統(tǒng)軟件由系統(tǒng)初始化程序、鍵盤處理程序、起動檢測程序、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。保護裝置對采集的主、從動輪轉(zhuǎn)速信號進行處理，按照模糊判別規(guī)則確定系統(tǒng)運行狀態(tài)，產(chǎn)生斷鏈、失速后，進行中斷服務(wù)處理，送出相應(yīng)失速狀態(tài)信號，同時顯示相關(guān)信息。
4 算法設(shè)計
輸送機斷鏈、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，選用主動輪與從動輪速度偏差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)控輸送機的運行情況，準(zhǔn)確判別失速狀態(tài)。
模糊控制器誤差E等于主動輪轉(zhuǎn)速減去從動輪轉(zhuǎn)速，因主動輪轉(zhuǎn)速大于等于從動輪轉(zhuǎn)速，所以主動輪與從動輪轉(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個等級,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個等級，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）、正小（PS）、正中（PM）、正大（PB），量化為4個等級，表示為0、+1、+2、+3，含義為無失速、輕度失速、中度失速、重度失速（斷鏈）。根據(jù)人工判別經(jīng)驗及實驗，形成的模糊判別規(guī)則如表1所示。
5 可靠性設(shè)計
從軟件和硬件兩方面考慮系統(tǒng)的可靠性設(shè)計。軟件方面主要采用了軟件陷阱、信號重復(fù)檢測、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，對測速部件采用硬件冗余措施，即主動輪、從動輪分別采用兩路同時檢測轉(zhuǎn)速信號，當(dāng)2個信號數(shù)據(jù)誤差較大時，認(rèn)為其中一路出現(xiàn)問題，提示運行人員檢修，有效防止速度檢測回路損壞對保護裝置性能的影響，保證系統(tǒng)能在惡劣的工業(yè)條件下準(zhǔn)確、穩(wěn)定地運行。
本文采用AVR高性能單片機為控制核心，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)計技術(shù)等，設(shè)計了斷鏈、失速智能保護裝置，該保護技術(shù)和裝置對保護輸送機設(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。
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