礦用智能型帶速傳感器的設(shè)計(jì)

張聚

摘要 分析了常用帶速傳感器的工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)，采用光電傳感技術(shù)設(shè)計(jì)了一種智能型帶速傳感器，設(shè)計(jì)了CAN總線通信電路，設(shè)計(jì)了光電傳感器和霍爾元件的安裝方法。智能型帶速傳感器具有CAN總線接口，可以接入轉(zhuǎn)速信號(hào)和帶式輸送機(jī)的運(yùn)行信號(hào)，在無需人工設(shè)定參數(shù)的情況下，智能型帶速傳感器不僅可以判斷打滑和超速，并可以結(jié)合帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)帶速的異常情況進(jìn)行預(yù)警。

【關(guān)鍵詞】帶速 傳感器 CAN 光電 智能

采用帶式輸送機(jī)運(yùn)煤是現(xiàn)代煤礦重要的運(yùn)輸方式。在帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中，如果由于某種原因，帶速與滾筒轉(zhuǎn)速不一致，則膠帶與滾筒會(huì)產(chǎn)生摩擦，導(dǎo)致膠帶和滾筒溫度升高，甚至著火，也就是通常說的“打滑”現(xiàn)象，這會(huì)嚴(yán)重威脅煤礦生產(chǎn)的安全。如果是下運(yùn)帶式輸送機(jī)，當(dāng)負(fù)荷過大，電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)力矩不足以控制帶速時(shí)，帶速和滾筒轉(zhuǎn)速會(huì)迅速升高，超過正常運(yùn)行速度，即通常說的“超速”現(xiàn)象，同樣會(huì)對(duì)煤礦安全產(chǎn)生威脅?！睹旱V安全規(guī)程》規(guī)定帶式輸送機(jī)必須設(shè)置打滑保護(hù)，下運(yùn)帶式輸送機(jī)還必須設(shè)置超速保護(hù)，因此，帶式輸送機(jī)帶速檢測(cè)傳感器是保證帶式輸送機(jī)安全運(yùn)行的重要組成部分。本文分析了常用帶速傳感器的工作原理和優(yōu)缺點(diǎn).采用光電傳感技術(shù)設(shè)計(jì)了一種智能型帶速傳感器，具有CAN總線接口，可以接入轉(zhuǎn)速信號(hào)，智能判斷打滑和超速，同時(shí)可以接入帶式輸送機(jī)的運(yùn)行信號(hào)，當(dāng)帶式輸送機(jī)正在運(yùn)行并且?guī)俸娃D(zhuǎn)速短時(shí)間內(nèi)變化過大時(shí)進(jìn)行報(bào)警。

1 常用帶速傳感器

通常是將帶速通過機(jī)械裝置轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量。轉(zhuǎn)速的檢測(cè)通常有以下幾種方法。

1.1 電流式傳感器

電流式傳感器的基本原理是輸出電流會(huì)隨傳感頭與金屬的距離在一定范圍內(nèi)變化。因此需要將帶速通過機(jī)械裝置轉(zhuǎn)換為齒盤的轉(zhuǎn)速，當(dāng)齒盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒和空隙變換地對(duì)準(zhǔn)傳感頭，使輸出電流產(chǎn)生由小到大和由大到小的變化。德國的NAMUR信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)就是一種電流式傳感器標(biāo)準(zhǔn)。NAMUR是“德國測(cè)量與控制標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)”制定的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，是P+F提出的。以NAMUR標(biāo)準(zhǔn)為例來說明電流式傳感器原理。

NAMUR傳感器根據(jù)金屬物接近傳感器的距離，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)1.2mA到2.lmA電流信號(hào)，標(biāo)定的開關(guān)電流典型值為1.5 5mA，這樣它可以來檢查金屬物是否接近。對(duì)于信號(hào)處理來講，當(dāng)電流由低到高越過1.75mA時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)變化（從O到l，或從OFF到ON），當(dāng)電流由高到低低于1.55mA時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)變化（從1到0，或從ON到OFF）。這樣就把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成了脈沖信號(hào)，方便后級(jí)電路的處理。

NAMUR型速度傳感器是一種僅僅包含一個(gè)振蕩器的二線制傳感器，其內(nèi)阻會(huì)隨著感應(yīng)目標(biāo)的遠(yuǎn)近而發(fā)生變化，相應(yīng)地其電流也隨之變化。該傳感器輸出的信號(hào)是小電流信號(hào)，需要采用一系列放大調(diào)理電路才能轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以識(shí)別的脈沖信號(hào)，因此其信號(hào)處理電路相對(duì)復(fù)雜。

1.2 干簧管式傳感器

干簧管式傳感器的工作原理如圖1所示。干簧管中有兩個(gè)磁簧片，當(dāng)有磁鐵靠近時(shí)，磁簧片被磁化，吸合在一起，接點(diǎn)導(dǎo)通，當(dāng)磁鐵遠(yuǎn)離時(shí)，磁場(chǎng)消失，磁簧片自身的彈性力使其恢復(fù)原位，接點(diǎn)斷開。干簧管式帶速檢測(cè)傳感器就是利用磁簧片的這一特點(diǎn)，在轉(zhuǎn)盤上安裝永久磁鐵，隨著轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)，磁鐵會(huì)周期性地靠近遠(yuǎn)離干簧管，接點(diǎn)會(huì)周期性地導(dǎo)通斷開，信號(hào)處理電路可以采集接點(diǎn)通斷的頻率，最終轉(zhuǎn)化為速度信號(hào)。轉(zhuǎn)盤是的隨膠帶轉(zhuǎn)動(dòng)的部件，可以將膠帶的帶速轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速。

干簧管式帶速檢測(cè)傳感器原理簡(jiǎn)單，輸出的接點(diǎn)信號(hào)易于單片機(jī)的處理，但由于磁簧片頻繁機(jī)械動(dòng)作，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行容易出現(xiàn)接觸不可靠的情況。

1.3 光電式傳感器

光電式傳感器原理與干簧管式類似，區(qū)別在于用光電傳感器代替了干簧管，光電傳感器是電子器件，在運(yùn)行過程中不存在機(jī)械動(dòng)作，信號(hào)穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)。

2 智能帶速傳感器的特點(diǎn)

傳統(tǒng)帶速傳感器從功能上可以分為兩類：

（1）僅檢測(cè)帶式輸送機(jī)帶速，將其轉(zhuǎn)化為模擬量信號(hào)或者總線信號(hào)傳給上位機(jī);

（2）除檢測(cè)帶式輸送機(jī)帶速外，本身具有邏輯判斷功能，人工給傳感器設(shè)定上下閾值，由傳感器給出打滑或超速信號(hào)。

第1類僅僅是檢測(cè)部件，不具有智能性，第2類雖具有邏輯判斷功能，但需要人工根據(jù)每條帶式輸送機(jī)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，不易于操作，并且在帶式輸送機(jī)起動(dòng)階段，由于剛開始帶速低，容易出現(xiàn)誤報(bào)警，需要上位機(jī)程序中進(jìn)行屏蔽，這導(dǎo)致無法檢測(cè)起動(dòng)階段的打滑問題。

為了方便操作，并且可以準(zhǔn)確檢測(cè)帶式輸送機(jī)的打滑和超速，智能帶速傳感器必須同時(shí)檢測(cè)帶速和驅(qū)動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)速，并進(jìn)行綜合信號(hào)處理。帶速值和轉(zhuǎn)速值按照一定的換算關(guān)系轉(zhuǎn)換成相同的單位，然后進(jìn)行比較，當(dāng)帶速值小于轉(zhuǎn)速值時(shí)認(rèn)定為打滑，當(dāng)帶速值大于轉(zhuǎn)速值時(shí)認(rèn)定為超速，同時(shí)通過現(xiàn)場(chǎng)總線采集帶式輸送機(jī)的運(yùn)行信號(hào)，當(dāng)帶式輸送機(jī)正在運(yùn)行并且?guī)俸娃D(zhuǎn)速短時(shí)間內(nèi)變化過大時(shí)進(jìn)行報(bào)警。智能帶速傳感器在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)不需要人工設(shè)定任何參數(shù)，操作方便，檢測(cè)更可靠。

本文設(shè)計(jì)的智能帶速傳感器具有CAN總線接口，可以采集掛接在總線上的滾筒轉(zhuǎn)速傳感器和帶式輸送機(jī)動(dòng)力裝置的數(shù)值，本身具有邏輯處理功能，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，將處理結(jié)果通過CAN總線傳輸給上位機(jī)，CAN總線采用多主通信方式，通信靈活，實(shí)時(shí)性好，有利于保護(hù)帶式輸送機(jī)的安全運(yùn)行。

3 智能帶速傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)、

3.1 CAN總線設(shè)計(jì)

智能帶速傳感器需要采集帶速、驅(qū)動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)速和帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，采集點(diǎn)分布于帶式輸送機(jī)的不同位置，相互之間采用CAN總線進(jìn)行通信，因此傳感器必須具有CAN總線接口。

智能帶速傳感器、滾筒轉(zhuǎn)速傳感器的CAN通信部分的原理是相同的。作為一個(gè)CAN總線節(jié)點(diǎn)，需要有CAN控制器和CAN收發(fā)器，CAN控制器實(shí)現(xiàn)CAN總線協(xié)議，CAN收發(fā)器實(shí)現(xiàn)CAN總線的電平轉(zhuǎn)換。某些單片機(jī)內(nèi)部集成了CAN控制器，選用此類器件，可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。本文選用NXP公司的LPC11C14單片機(jī)，其內(nèi)部集成了CAN控制器，外部只需連接一個(gè)CAN收發(fā)器，即可實(shí)現(xiàn)一個(gè)CAN總線節(jié)點(diǎn)。由于帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)的傳輸距離可能比較長(zhǎng)，因此需要選擇一款適合于長(zhǎng)距離傳輸?shù)腃AN收發(fā)器，本文選用AMIS42675，此芯片可以更好地支持CAN總線的低速率、長(zhǎng)距離傳輸。CAN總線通信的原理圖如圖2所示。

3.2 光電傳感器信號(hào)采集

光電傳感器是利用被測(cè)物體對(duì)光束的遮擋或反射，把被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)，然后借助光電元件進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。智能帶速檢測(cè)傳感器設(shè)計(jì)有轉(zhuǎn)動(dòng)輪，轉(zhuǎn)動(dòng)輪與膠帶緊密接觸，當(dāng)膠帶運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在摩擦力的作用下，轉(zhuǎn)動(dòng)輪跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)。與轉(zhuǎn)動(dòng)輪同軸裝有一個(gè)齒盤，光電傳感器橫跨在齒盤邊沿，齒盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)光電傳感器的光束交替地穿過和遮擋，使得光電傳感器輸出一定頻率的脈沖信號(hào)，如圖3所示。

齒盤上齒數(shù)影響帶速傳感器的響應(yīng)速度，齒數(shù)少，當(dāng)帶速有變化時(shí)，光電傳感器輸出的脈沖信號(hào)的頻率變化不明顯，并且單片機(jī)為了防止數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，會(huì)進(jìn)行一定時(shí)間的濾波，導(dǎo)致上位機(jī)檢測(cè)到速度變化滯后。因此，對(duì)于響應(yīng)速度要求高的應(yīng)用場(chǎng)所，齒盤上齒數(shù)應(yīng)設(shè)計(jì)的多一些。

3.3 霍爾元件信號(hào)采集

霍爾元件用來檢測(cè)驅(qū)動(dòng)滾筒的轉(zhuǎn)速，在滾筒側(cè)面固定一塊永久磁鐵，霍爾元件固定在與永久磁鐵等半徑的一個(gè)位置，并與永久磁鐵保持一定的水平距離，既保證霍爾元件與永久磁鐵不會(huì)碰撞，又保證永久磁鐵在霍爾元件的感應(yīng)范圍內(nèi)。霍爾元件的安裝方式如圖4所示。霍爾元件采用單極性霍爾開關(guān)，磁場(chǎng)靠近時(shí)，輸出低電位電壓（低電平）或關(guān)的信號(hào)，磁場(chǎng)遠(yuǎn)離時(shí)輸出高電位電壓（高電平）或開的信號(hào)，單片機(jī)采集高低電平信號(hào)的頻率，即可轉(zhuǎn)換出滾筒的轉(zhuǎn)速。

4 結(jié)語

分析了常用帶速傳感器的工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)，采用光電傳感技術(shù)設(shè)計(jì)了一種智能型帶速傳感器，具有CAN總線接口，可以接入轉(zhuǎn)速信號(hào)和帶式輸送機(jī)的運(yùn)行信號(hào)，智能判斷打滑和超速。設(shè)計(jì)了CAN總線通信電路，設(shè)計(jì)了光電傳感器和霍爾元件的安裝方法。在無需人工設(shè)定參數(shù)的情況下，智能型帶速傳感器不僅可以判斷打滑和超速，并可以結(jié)合帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)帶速的異常情況進(jìn)行預(yù)警。智能型帶速傳感器對(duì)于保障煤礦帶式輸送機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]馬宏偉，毛清華，張旭輝，礦用強(qiáng)力帶式輸送機(jī)智能監(jiān)控技術(shù)研究進(jìn)展[J].振動(dòng)、測(cè)試與診斷，2016，36 （02）： 213-219.

[2]盛濤，于巖，于卉等.帶式輸送機(jī)帶速檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械，2009， 30 （06）：133-134.

[3]孔維社.主運(yùn)煤流線協(xié)同控制系統(tǒng)的故障診斷設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2017，43（09）：32-36.

[4]張守福，劉洪超.NAMUR，型速度傳感器信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)[J]，工礦自動(dòng)化，2011 （08）：113-115.