帶式輸送機(jī)帶速監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

范詩琪，吳 青，曾 飛,2，李梓龍

（1.武漢理工大學(xué) 港口裝卸技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430080；2.南通大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南通 226019）

1 引言

我國(guó)作為世界港口大國(guó)，近年來港口建設(shè)數(shù)量、規(guī)模、年吞吐量、面積都以驚人速度增長(zhǎng)，隨之引發(fā)的能耗問題日益顯著。截止2011年底，我國(guó)共有生產(chǎn)用碼頭泊位31 968個(gè)，港口貨品吞吐量和集裝箱吞吐量持續(xù)9年位居世界第一。作為港口散料裝卸關(guān)鍵設(shè)備之一，帶式輸送機(jī)因通常以恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，當(dāng)皮帶空載或者輕載狀態(tài)時(shí)，能源浪費(fèi)巨大。為發(fā)展節(jié)能調(diào)速技術(shù)，必須優(yōu)化研究帶速測(cè)量。然而，在電頻器調(diào)節(jié)電機(jī)速度的過程中，由于皮帶具有粘彈性，電機(jī)頻率轉(zhuǎn)換的速度不能直觀反映帶速[1]。因此，設(shè)計(jì)一種方案以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)帶式輸送機(jī)皮帶的速度至關(guān)重要。

散貨碼頭帶式輸送機(jī)帶速監(jiān)測(cè)平臺(tái)是一種優(yōu)化帶速控制和實(shí)現(xiàn)帶速閉環(huán)控制的重要前提。國(guó)內(nèi)外研究中通過建立準(zhǔn)確的帶速控制模型以實(shí)現(xiàn)帶速閉環(huán)控制至今還是一片空白[2～5]。帶速監(jiān)測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)在滿足基本需求的基礎(chǔ)上，應(yīng)還具有一定的可擴(kuò)展性。因此，通過分析帶式輸送機(jī)對(duì)帶速遠(yuǎn)程監(jiān)控的需求，結(jié)合輸送帶動(dòng)力學(xué)特性，本文設(shè)計(jì)并開發(fā)了一套帶式輸送機(jī)帶速遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)裝置。

2 帶速遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

帶式輸送機(jī)帶速監(jiān)測(cè)平臺(tái)主要由本地設(shè)計(jì)和遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)組成。本地設(shè)計(jì)主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、速度檢測(cè)模塊、電源、顯示模塊、遠(yuǎn)程通訊模塊等組成，遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)可以由服務(wù)器、手機(jī)終端等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

對(duì)于散貨碼頭帶式輸送機(jī)，皮帶機(jī)托輥和驅(qū)動(dòng)滾筒都能反映皮帶速度[6-7]，從測(cè)量穩(wěn)定性和安裝方便性考慮，本文選擇了在帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)滾筒安裝光電編碼器的測(cè)速方式。其中光電編碼器需要由支架固定[8-9]，固定光電編碼器的支架由兩塊環(huán)氧樹脂板通過角鐵連接而成，其中一塊板固定在驅(qū)動(dòng)滾筒一側(cè)的皮帶機(jī)框架上，另一塊垂直于上一塊且中心打孔用于安裝光電編碼器。光電編碼器的接頭與一匹配的安裝軸用聯(lián)軸器相連，安裝軸與驅(qū)動(dòng)滾筒中的孔過盈配合，如圖2所示：

圖2 傳感器安裝示意圖

3 帶速遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中，首先在帶式輸送機(jī)上加裝傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶機(jī)帶速的實(shí)時(shí)測(cè)量和遠(yuǎn)程監(jiān)控。通過傳感器采集數(shù)據(jù)信息，單片機(jī)根據(jù)所檢測(cè)的信號(hào)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量即驅(qū)動(dòng)滾筒的轉(zhuǎn)速，經(jīng)過計(jì)算轉(zhuǎn)換為皮帶機(jī)的線速度，由顯示模塊實(shí)時(shí)顯示帶速，通訊模塊完成信息遠(yuǎn)程傳輸。帶式輸送機(jī)速度遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包括電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)、單片機(jī)系統(tǒng)模塊電路設(shè)計(jì)、傳感器模塊電路設(shè)計(jì)、液晶屏模塊電路設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)。

3.1 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

散貨碼頭帶式輸送機(jī)帶速遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵是完成速度監(jiān)控和帶式輸送機(jī)的信號(hào)處理。采用單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心就可以充分發(fā)揮其強(qiáng)大的控制功能和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。在這里本文選用STM32F103處理器作為主控裝置。主控裝置的最小系統(tǒng)包括微型處理器、時(shí)鐘電路以及復(fù)位電路，同時(shí)設(shè)計(jì)有JTAG接口電路。在應(yīng)用上，用STM32F103設(shè)計(jì)系統(tǒng)簡(jiǎn)單方便，具有復(fù)用IO 口重映射功能，為PCB 制板提供了便利，且全部引腳都可以作為中端輸入。

3.2 電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

電源是帶式輸送機(jī)帶速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)力來源，負(fù)責(zé)為單片機(jī)、傳感器、顯示器等硬件提供穩(wěn)定可靠的電壓。該系統(tǒng)由一個(gè)5V 電源供電，但是單片機(jī)需要+3.3V 電源，所以使用AMS1117-3.3 電源轉(zhuǎn)換電路將5V 電源轉(zhuǎn)化為3.3V 電源供STM32F103 處理器使用，結(jié)合選用并聯(lián)電容電路的方式濾除交流。同時(shí)，在電路中加入穩(wěn)壓管SMLVT3V3，反向擊穿電壓是3.3V，擊穿電流200μA，它起到了穩(wěn)定直流電壓的作用，并限定電路中的工作電流，使電路工作在合適的狀態(tài)。

3.3 傳感器模塊設(shè)計(jì)

光電編碼器作為本設(shè)計(jì)選用的傳感器，具有將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為線速度的作用。由于其輸出信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，數(shù)據(jù)采集更為便捷。光電編碼器有增量式、絕對(duì)式兩種。其中，增量式光電編碼器不僅精度高、體積小，而且性能穩(wěn)定、性價(jià)比更好，因此，相比于絕對(duì)式光電編碼器具有更為廣泛的應(yīng)用。光電編碼器測(cè)量皮帶速度，選用的是增量式光電編碼器，可以直接運(yùn)用光電轉(zhuǎn)換原理，由輸出軸輸出數(shù)字脈沖信號(hào)，交由單片機(jī)進(jìn)行處理。

系統(tǒng)加裝的光電編碼器，選用分辨率為1 000P/R 的歐姆龍編碼器。工作時(shí)光電編碼器被驅(qū)動(dòng)滾筒帶動(dòng)，輸出方波信號(hào)，即光電編碼器每轉(zhuǎn)1圈產(chǎn)生1 000個(gè)脈沖，就會(huì)有1 000個(gè)上升沿輸出，通過數(shù)脈沖個(gè)數(shù)就可以知道光電編碼器轉(zhuǎn)了多少圈，即驅(qū)動(dòng)滾筒軸轉(zhuǎn)了多少圈，由此可得總?cè)?shù)，進(jìn)一步可求得皮帶速度。

3.4 液晶屏模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是通過LCD1602液晶顯示屏實(shí)時(shí)地顯示皮帶的速度。顯示原理是，顯示模塊通過單片機(jī)接收速度信號(hào)，通過控制程序?qū)SCII碼轉(zhuǎn)化為字符。

3.5 遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)

GSM 模塊用到的是西門子公司經(jīng)典的蜂窩通信引擎TC35i終端。該模塊有標(biāo)準(zhǔn)的RS-232接口，提供標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口，符合ETSI 標(biāo)準(zhǔn)GSM07.07 和GSM07.05，可支持短消息、數(shù)字、語音消息發(fā)送，提供可靠、安全、高效的傳輸，方便應(yīng)用開發(fā)及設(shè)計(jì)。

4 帶速遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括中斷服務(wù)程序和功能函數(shù)兩個(gè)部分。首先，系統(tǒng)軟件通過初始化單片機(jī)，使單片機(jī)處于工作狀態(tài)；當(dāng)單片機(jī)收到某些模塊的中斷請(qǐng)求，便開始調(diào)用該模塊的中斷服務(wù)程序；等中斷程序結(jié)束后，單片機(jī)開始調(diào)用關(guān)鍵的功能函數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，比如速度計(jì)算等；通過得到的脈沖信號(hào)來驅(qū)動(dòng)LCD1602顯示數(shù)字并計(jì)算脈沖數(shù)以及由定時(shí)器中斷服務(wù)程序得到時(shí)間，就可以計(jì)算出皮帶的速度；并通過通訊模塊完成信息的傳遞。

4.1 速度與顯示算法

單片機(jī)在捕捉到一個(gè)脈沖上升沿時(shí)就產(chǎn)生一次中斷，此時(shí)脈沖數(shù)加1，光電編碼器每轉(zhuǎn)1 圈輸入1 000 個(gè)脈沖。設(shè)計(jì)采用設(shè)置兩級(jí)中斷定時(shí)器脈沖總數(shù)每5μs 自加1，計(jì)數(shù)脈沖數(shù)u16PulseCounter2每10ms歸零一次。系統(tǒng)將10ms內(nèi)的脈沖數(shù)轉(zhuǎn)化為皮帶機(jī)皮帶的線速度。與光電編碼器相連接的驅(qū)動(dòng)滾筒每轉(zhuǎn)1 圈輸出1 000 個(gè)脈沖，所以u(píng)16PulseCounter2/1 000 就是指光電編碼器在這段時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)的圈數(shù)。驅(qū)動(dòng)滾筒直徑D為222mm，位移量是（u16PulseCounter2/1 000）*π*222，時(shí)間為10ms，即0.01s，因此速度V=698*u16PulseCounter2/10；在下一個(gè)10ms 中斷之前計(jì)數(shù)脈沖數(shù)被置0，即u16PulseCounter2=0。設(shè)光電編碼器轉(zhuǎn)速為μ(P/R),中斷時(shí)間為T(s)，驅(qū)動(dòng)滾筒直徑為D(mm),中斷時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)為N，則帶速V(mm/s)的計(jì)算公式如下：

單片機(jī)內(nèi)部處理傳感器的信號(hào)計(jì)算脈沖數(shù)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)液晶屏顯示數(shù)字。通過編程對(duì)LCD1602 進(jìn)行管腳配置，設(shè)置兩行顯示，配置寫指令函數(shù)和寫數(shù)據(jù)函數(shù)，第一行顯示數(shù)據(jù)中，把5位數(shù)字的萬位、千位、百位、十位、個(gè)位上的數(shù)字分別提出來，再顯示在屏幕上，數(shù)字提取如下：wan=count/10 000；qian=count%10 000/1 000； bai=count%1 000/100；shi=count%100/10；ge=(int)(count%10)。

4.2 遠(yuǎn)程通訊模塊配置

在收發(fā)短信方面，共產(chǎn)生三種模式，分別為：BLOCK 模式(快模式)、TEXT 模式(文本模式)和PDU 模式。BLOCK 模式需要生產(chǎn)廠家提供驅(qū)動(dòng)支持；TEXT 模式開發(fā)方便簡(jiǎn)單，但只能發(fā)送ASCII 碼；PDU 模式則發(fā)送圖片、鈴聲、中文。這里使用TEXT就可以了。短信模式下的數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖3所示。

圖3 短消息發(fā)送流程圖

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