基于單片機的皮帶機綜合保護系統(tǒng)設計

李文藝，張云龍

宿州學院機械與電子信息工程學院，安徽宿州，234000

皮帶輸送機簡稱皮帶機，應用靈活方便、輸送效率高，為大宗散裝物料的輸送提供了有效手段，在煤礦、電廠、選煤廠等工業(yè)部門中應用廣泛。皮帶機特別是煤礦用皮帶機一旦出現(xiàn)故障，如皮帶超溫、跑偏、撕裂、堆煤等，極有可能引起安全生產事故，造成人員傷亡，給企業(yè)造成重大損失，產生極其惡劣的社會影響。如何提前預警皮帶機組的故障，盡量把故障消除在萌芽狀態(tài)就顯得極其重要。

針對皮帶機運行中存在的問題和市場需求，設計出一套皮帶機綜合保護系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有檢測皮帶機的能力，當皮帶機輸送系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，能夠自動開啟語音報警、停機功能。系統(tǒng)以AT89S52單片機為核心控制器，配合新型的ISD4000系列語音芯片與LCD顯示屏以及各種傳感器，如打滑、撕帶、煙霧、跑偏、溫度等多種傳感器，可以完成皮帶機的綜合保護，提高煤礦企業(yè)的安全性。皮帶機綜合保護系統(tǒng)功能較為完善，可以實現(xiàn)皮帶機系統(tǒng)的自動化控制，在保障生產安全的前提下為企業(yè)節(jié)約維修成本［1－3］。

1 系統(tǒng)的性能特點

皮帶機長時間大負荷工作，可能會出現(xiàn)各種各樣的故障。其中常見故障有以下幾種：皮帶超速、皮帶上堆煤、皮帶溫度過高、皮帶跑偏、皮帶冒煙、皮帶斷裂等。

為對每一種故障作出可靠的保護動作，需要作出以下設計：對于煙霧、超溫、撕裂等傳感器需要立即實現(xiàn)停機保護動作。對于超速、堆煤、跑偏等故障，如果短時間內可以自動消除就不需要進行停機和報警，所以此類傳感器的信號需要延時后再進行停機保護。當皮帶機出現(xiàn)超溫故障和煙霧故障時，系統(tǒng)除了實現(xiàn)停機、報警功能，還應具有灑水降溫功能。

根據(jù)需要作出以下具體設計。

（1）打滑保護：打滑保護又稱為速度保護，當皮帶運行時，從動滾筒完全不轉連續(xù)超過4秒鐘時，啟動速度保護動作，實現(xiàn)自動停車。

（2）堆煤保護：當煤倉中的煤堆積過多，煤位傳感器動作，延時3～5秒后實現(xiàn)保護停車。

（3）跑偏保護：當出現(xiàn)跑偏時，跑偏傳感器動作，延時10～15秒鐘，實現(xiàn)跑偏故障保護。如果在實現(xiàn)保護之前故障自動消除，系統(tǒng)不實現(xiàn)停機保護。

（4）煙霧保護：產生煙霧時，煙霧傳感器將信號傳給系統(tǒng)，保護系統(tǒng)立即實現(xiàn)停機保護，同時啟動灑水裝置灑水。

（5）超溫保護：當溫度超過溫度傳感器的設定值（如70°C）時，裝置立即實現(xiàn)溫度保護，同時啟動灑水裝置，灑水降溫。

（6）撕帶保護：當出現(xiàn)傳送帶撕裂時，撕帶傳感器動作，立即實現(xiàn)停機保護。

（7）沿線急停功能：沿線急停功能是專門為皮帶機巡視人員設計的一種停機功能。當巡視人員按下沿線急停按鈕時，立即實現(xiàn)停機保護。

系統(tǒng)還具有起車、停車控制，并且在出現(xiàn)故障時，可以自動發(fā)出語音報警、實現(xiàn)自動停車，并具有鎖定故障信號的功能，通過LCD顯示屏顯示故障類型，便于工作人員查找故障。

2 系統(tǒng)總體設計

該系統(tǒng)主要包括五大部分：傳感器接口、語音報警、顯示模塊、控制部分、報話打點，如圖1所示。傳感器部分利用傳感器采集皮帶機的各種狀態(tài)信號，并且把信號轉化為單片機可以接受的電信號形式。每個傳感器具有故障模擬功能，即在沒有故障時可以測試系統(tǒng)能否正常工作。語音報警部分可以在起車或出現(xiàn)故障時發(fā)出語音報警，顯示模塊可以顯示故障類型，并且鎖定故障，便于維修人員及時排除故障?？刂撇糠种饕沁M行手動起車、停車的控制，故障時自動停車的控制功能。集控接口部分使得該系統(tǒng)可以單臺工作控制一條皮帶，也可以多臺聯(lián)機工作控制多臺皮帶機。打點報話信號主要在距離較長時進行語音通話。

圖1 皮帶機綜合保護系統(tǒng)結構圖

2.1 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)采用AT89S52單片機作為控制器，該單片機內置8KB的Flash存儲器、32位并行的I／O接口、定時器、串口、片內RAM等。利用內部的flash存儲程序可以省去外部存儲器的擴展，提高了系統(tǒng)的可靠性，方便系統(tǒng)開發(fā)［2］。語音芯片采用美國ISD公司推出的新型ISD4000系列語音芯片，該芯片采用多電平直接模擬存儲技術，將每個采樣值直接存儲在片內的閃存中，能夠非常真實、自然地再現(xiàn)語音、音樂、音調和效果音；具有操作簡單，接口方便，錄音時間長，可以任意分段錄音，不怕斷電以及低功耗等諸多優(yōu)點，廣泛用于自動化通信系統(tǒng)、移動電話和智能儀器等產品中。ISD4000系列語音芯片所有操作采用微控制器控制，控制命令采用SPI串行接口標準，利用4條線進行通信，可以方便地采用單片機實現(xiàn)語音芯片的控制［3］。

各個傳感器信號需要先經過光電耦合后再把信號送到單片機，這可以提高單片機的安全性，同時防止傳感器引入高電壓燒壞單片機。各個傳感器還具有模擬故障的功能，可以在檢修時測試系統(tǒng)的動作性能。

顯示部分采用MzLH04－12864液晶模塊，負責出現(xiàn)故障時顯示故障類型。液晶模塊具有串行SPI接口方式（僅寫入），自帶12×12點和16×16點漢字庫（包含一級和二級漢字庫），自帶6×10、8×16點ASCII碼西文字庫（96個字符），自帶基本繪圖GUI功能（繪點、直線、矩形、矩形框、實心圓形、圓形框），自帶整型數(shù)據(jù)顯示功能，直接輸入整型數(shù)據(jù)顯示，而無需作變換；帶有背光控制指令，只需一條指令便可控制背光亮度等級［4］。

系統(tǒng)的控制輸出分為兩部分：主電機控制輸出和灑水裝置的控制輸出。該部分用單片機控制繼電器，利用繼電器輸出的信號控制，送入電機的控制器中控制主電機電源與灑水裝置的電源。

2.2 系統(tǒng)軟件設計

單片機軟件的開發(fā)采用常用的開發(fā)工具keil，利用C51語言。系統(tǒng)總的軟件流程如圖2所示。對于超溫故障與煙霧故障需要在起車之前檢測，如果系統(tǒng)上電之后檢測到了煙霧或者超溫就不能起車，直接發(fā)出故障報警。正常起車后各種故障都要檢測。在運行過程中，如果出現(xiàn)了故障，按照程序設定的要求，及時或延時實現(xiàn)停機保護功能［5］。

圖2 總體軟件流程圖

語音芯片的放音控制流程如圖3所示。該語音芯片在播放語音之前需要先發(fā)送上電指令，上電后需要進行延時等待內部的初始化完成（稱為上電延時），然后發(fā)送放音的起始地址和放音指令。由于在放音結束之前不能接受新的放音指令，所以延時等待放音結束掉電或者再給芯片發(fā)送放音指令重新放音。

圖3 語音芯片控制流程圖

3 結束語

本文設計了一種皮帶機的綜合保護系統(tǒng)，在實際設計時單片機控制部分采用本安型設計方法，電源部分采用防暴型設計，可以應用于礦井、漏天煤礦、選煤、電廠等工業(yè)生產領域。該系統(tǒng)在軟硬件設計好之后，進行了系統(tǒng)聯(lián)合調試，然后又進行了老化實驗。老化試驗后的現(xiàn)場測試取得了良好的運行效果，從實驗效果來看，該系統(tǒng)可以有效保障皮帶機的安全運行。

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