摘 要： 闡述了輸送機斷鏈、失速保護裝置的工作原理，詳細介紹了以AVR ATmega16單片機為核心構成的保護裝置的軟硬件、控制算法和可靠性設計方案。該智能保護裝置實現了對輸送機斷鏈、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、冶煉和運輸等行業，由于輸送機連續運行時間長、負荷重，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。發生斷鏈、斷帶、失速故障后，往往會摧毀輸送機機架，損壞設備，堵塞運輸巷道,造成長時間的停產及重大經濟損失,甚至導致人員傷亡,后果極其嚴重，并且故障修復難度大，嚴重影響生產的正常運行。采用先進的技術，加強輸送機管理和維護是降低輸送機事故率、提高產量、保障安全生產的有效途徑。
本文以Amega16高性能單片機為核心,開發了輸送機斷鏈、失速保護裝置。該裝置能夠根據現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，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,有利于快速修復故障和恢復生產。
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、從動輪轉速信號，經過單片機運算處理，判斷主動輪與從動輪之間是否存在轉速差，如果存在轉速差，則按照判別規則判斷失速斷鏈狀態，即輕度失速、中度失速、重度失速（斷鏈）狀態，根據失速、斷鏈狀態，單片機送出相應的聲光報警信號，并經過信號線傳送給現場輸送機控制系統。如果為重度失速（斷鏈）狀態，則現場控制系統發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，信號傳送到現場控制系統后，經過一段延時，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，則只發出聲光報警信號，提示操作人員，不作停車處理；如果輸送機運轉正常，則不發出信號。另外，斷鏈、失速信號、位置信號、速度信號通過RS485總線傳送到上位監控計算機系統，可以在控制室及時監測現場輸送機狀態和故障位置。
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、系統起動電路、顯示電路、晶振電路、復位電路、編程接口電路等部分構成。斷鏈、失速保護裝置硬件電路原理框圖如圖2所示。
為了適應高速數據采集與運算的需要,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，多數為單周期指令，數據處理能力高達1 MIPS/MHz，內部具有1 KB RAM單元，16 KB Flash ROM單元及512 KB E2PROM單元，參數可保存在E2PROM中；具有32個高驅動能力可編程I/O端口，可直接驅動較大電流負載，端口還具有可編程內部上拉電阻；支持在線編程（ISP）及在應用編程（IAP），方便現場修改和調試程序。另外，還有可編程串行USART接口，可以方便實現與上位機通訊。
Atmega16單片機接口內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，但在設計中，一般接上拉電阻，一是不用考慮內部上拉電阻是否有效，二是上拉電阻可起到限流作用；設計有6個輸入按鍵，可以實現功能選擇、參數調整、確定、取消、復位等操作；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，為實現上位計算機與下位單片機通訊傳輸數據速度的匹配，單片機采用11.059 2 MHz晶振。
為了提高系統抗干擾能力，電路系統中現場輸入、輸出通道均采用光電耦合器，速度檢測開關采用測速專用光電測速開關，采用24 V直流供電；系統起動信號由現場控制系統發出，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。Atmega16單片機的I/O口驅動能力很強，采用端口直接驅動光電耦合器發光二極管負載，I/O端口接上拉電阻，可以提高單片機端口驅動能力。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作為數據傳輸線,分2次傳送8位顯示參數，以便節省單片機I/O口資源。
3 軟件設計
控制系統軟件由系統初始化程序、鍵盤處理程序、起動檢測程序、參數設定程序、數據采集程序、顯示程序、數據與算法處理程序、失速報警程序、通訊程序、中斷服務程序等構成，系統軟件流程如圖3所示。保護裝置對采集的主、從動輪轉速信號進行處理，按照模糊判別規則確定系統運行狀態，產生斷鏈、失速后，進行中斷服務處理，送出相應失速狀態信號，同時顯示相關信息。
4 算法設計
輸送機斷鏈、失速狀態采用模糊判別方法，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U作為輸出變量，可靠地監控輸送機的運行情況，準確判別失速狀態。
模糊控制器誤差E等于主動輪轉速減去從動輪轉速，因主動輪轉速大于等于從動輪轉速，所以主動輪與從動輪轉速偏差數值大于等于零，E的模糊子集為零（ZO）、正?。≒S）、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的模糊子集為負大（NB）、負小（NS）、零（ZO）、正?。≒S）、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）。根據人工判別經驗及實驗，形成的模糊判別規則如表1所示。
5 可靠性設計
從軟件和硬件兩方面考慮系統的可靠性設計。軟件方面主要采用了軟件陷阱、信號重復檢測、數字濾波等措施,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速信號，當2個信號數據誤差較大時，認為其中一路出現問題，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，保證系統能在惡劣的工業條件下準確、穩定地運行。
本文采用AVR高性能單片機為控制核心，結合現代電子技術、智能控制理論、傳感器技術、可靠性設計技術等，設計了斷鏈、失速智能保護裝置，該保護技術和裝置對保護輸送機設備，保障相關行業安全、可靠、高效生產，減少事故發生，有著重要的意義。
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