開關(guān)類安全保護(hù)裝置多點(diǎn)無線監(jiān)測系統(tǒng)

蔣永清　張帥　王博

摘 要： 針對機(jī)械設(shè)備開關(guān)類安全保護(hù)裝置繁多、易出故障的現(xiàn)狀，提出一種判定開關(guān)類安全保護(hù)裝置是否處于故障狀態(tài)的依據(jù)。根據(jù)此依據(jù)設(shè)計(jì)了一種開關(guān)類安全保護(hù)裝置多點(diǎn)無線監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對開關(guān)故障參數(shù)的多點(diǎn)監(jiān)測、無線傳輸、實(shí)時(shí)顯示、故障報(bào)警。對該系統(tǒng)的信號采集、傳送、處理以及各功能模塊之間的交互進(jìn)行較詳細(xì)地設(shè)計(jì)與闡述。研究結(jié)果表明，開關(guān)類安全保護(hù)裝置多點(diǎn)無線監(jiān)測系統(tǒng)的引入可以自動檢測各個(gè)機(jī)械設(shè)備上開關(guān)類安全保護(hù)裝置的運(yùn)行狀況，可有效地幫助企業(yè)安全生產(chǎn)管理人員和機(jī)械操作人員發(fā)現(xiàn)問題。

關(guān)鍵詞： 機(jī)械設(shè)備； 開關(guān)類安全保護(hù)裝置； 故障； 多點(diǎn)檢測； 無線傳輸； 安全管理

中圖分類號： TN92?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）15?0157?04

Multi?point wireless monitoring system for switch?type safety protection device

JIANG Yongqing， ZHANG Shuai， WANG Bo

（College of Measurement?Control Technology and Communication Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China）

Abstract： Since the switch?type safety protection device of mechanical equipment has various types and is easy to fault， a basis to determine whether the switch?type safety protection device is in the fault condition is proposed， and a multi?point wireless monitoring system of switch?type safety protection device is designed. The multi?point monitoring， wireless transmission， real?time display and fault alarm of the switch?type fault parameters were realized. The acquisition， transmission， processing of the system signal and interaction between the functional modules are designed and elaborated in detail. The research result indicates that the introduction of the multi?point wireless monitoring system for switch?type safety protection device can automatically detect the operating conditions of switch?type safety protection device in each mechanical equipment， and help enterprises safety managers and mechanical operators to identify the problems effectively.

Keywords： mechanical equipment； switch?type safety protection device； fault； multi?point detection； wireless transmission； safety management

0 引 言

機(jī)械設(shè)備是企業(yè)實(shí)施生產(chǎn)活動的核心工具和重要資源，必須采用性能可靠的安全保護(hù)裝置來滿足生產(chǎn)安全的需要[1?4]。其中，開關(guān)類安全保護(hù)裝置附設(shè)在機(jī)械設(shè)備運(yùn)動部件的運(yùn)動軌跡沿線，起控制、調(diào)節(jié)以及限位保護(hù)等作用，以實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備自動化。開關(guān)類安全保護(hù)裝置在實(shí)際生產(chǎn)中存在下列問題：

1） 開關(guān)動作頻繁造成此類安全保護(hù)裝置故障率較高，使其無法發(fā)揮應(yīng)有的安全保護(hù)作用，嚴(yán)重時(shí)還會導(dǎo)致設(shè)備脫軌或生產(chǎn)癱瘓等后果；

2） 設(shè)置安全開關(guān)的位置具有較大危險(xiǎn)性，如起重機(jī)的限位開關(guān)設(shè)置在廠房的高架結(jié)構(gòu)上，安全管理人員對其日常巡檢時(shí)，存在較大的隱患；

3） 當(dāng)開關(guān)故障使設(shè)備不能運(yùn)行時(shí)，故障位置不明，如皮帶輸送機(jī)的糾偏開關(guān)眾多，查找開關(guān)故障就非常麻煩，采用電壓法或直接觀察方法時(shí)，需要挨個(gè)尋找，既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，降低生產(chǎn)效率[5?6]。

綜上所述，開關(guān)類安全保護(hù)裝置（下文簡稱“安全開關(guān)”）自身的可靠性尤為重要，有必要對這些機(jī)械設(shè)備的保護(hù)點(diǎn)的故障信息進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并且快速找到故障點(diǎn)，避免由于此類安全裝置的故障給設(shè)備乃至整個(gè)系統(tǒng)帶來損失。本文提出的解決方案是設(shè)計(jì)一種開關(guān)類安全保護(hù)裝置多點(diǎn)無線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)獨(dú)立于機(jī)械設(shè)備本身的控制系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測多個(gè)機(jī)械設(shè)備上的各個(gè)安全開關(guān)的故障信號，將監(jiān)測結(jié)果通過無線通信的方式發(fā)送到該系統(tǒng)的監(jiān)控端。安全管理人員通過監(jiān)控端可充分了解安全開關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)，能夠迅速查找并發(fā)現(xiàn)故障開關(guān)，及時(shí)對失效的安全開關(guān)進(jìn)行維修或更換，以此幫助安全管理人員對安全開關(guān)進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)管。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由信號檢測板和移動監(jiān)測終端兩個(gè)部分組成，系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。信號檢測板完成對機(jī)械設(shè)備上各安全開關(guān)的開關(guān)量、故障信號的采集，檢測到故障信息時(shí)在作業(yè)現(xiàn)場警示，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼處理后發(fā)送給移動監(jiān)測終端。移動監(jiān)測終端的主要功能是通過無線通信模塊接收車間內(nèi)各設(shè)備附設(shè)的安全開關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行接收、比較、處理以及顯示，并且發(fā)出故障警示信號。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 信號檢測板

信號檢測板是系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)，主要由開關(guān)故障信號采集模塊、單片機(jī)處理模塊、無線通信模塊、聲光警報(bào)模塊、電源模塊等組成。本設(shè)計(jì)以一臺擁有4枚安全開關(guān)的機(jī)械設(shè)備為例構(gòu)造最小試驗(yàn)系統(tǒng)，信號檢測試驗(yàn)板如圖2所示。

2.1.1 開關(guān)故障信號采集

安全開關(guān)型號種類很多，但工作原理基本上均是通過機(jī)械設(shè)備運(yùn)動部件碰撞開關(guān)擺桿使其內(nèi)部觸點(diǎn)斷開或吸合來控制電路的通斷[7?8]。開關(guān)內(nèi)部由一路常閉觸點(diǎn)（NC）和一路常開觸點(diǎn)（NO）組成，通過動觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換電路通斷。安全開關(guān)在長期使用中的主要故障模式有接觸電阻增大使觸點(diǎn)無法導(dǎo)通、彈簧片老化、電觸點(diǎn)污染以及突發(fā)性的電氣元件受損（如機(jī)械設(shè)備的運(yùn)動部件撞毀安全開關(guān)）[9?11]。以上模式的結(jié)果都使開關(guān)內(nèi)部的電接觸產(chǎn)生障礙。

根據(jù)安全開關(guān)的故障特點(diǎn)，兼顧系統(tǒng)的可靠性，本設(shè)計(jì)采用多重冗余設(shè)計(jì)，工作原理圖如圖3所示。邏輯部分采用異或門74HC86對安全開關(guān)的常閉觸點(diǎn)（NC）與常開觸點(diǎn)（NO）的輸出信號進(jìn)行比較，兩路信號判斷相同（均為高電平或者均為低電平）表明安全開關(guān)處于故障狀態(tài)，則74HC86輸出高電平；相反，當(dāng)兩路信號判斷不同，則表明安全開關(guān)處于正常的連通狀態(tài)，74HC86輸出低電平。

兩個(gè)與非門74HC00的作用是防止在異常情況下74HC266將錯(cuò)誤信號輸出到后續(xù)的執(zhí)行電路，只有安全開關(guān)的常開觸點(diǎn)與常閉觸點(diǎn)均無法導(dǎo)通，輸出低電平，且異或門74HC86也輸出低電平時(shí)，此時(shí)與門74HC08傳出的信號才為開關(guān)故障信號。這樣就避免了由于信號處理電路等電路故障造成單片機(jī)誤判而產(chǎn)生的誤警報(bào)。

故障信號經(jīng)單片機(jī)處理并編碼后，通過無線發(fā)射模塊電路發(fā)射。移動監(jiān)測終端的無線接收模塊接收故障信號，單片機(jī)處理并解碼，控制后置報(bào)警，顯示電路警示安全管理人員采取措施。

2.1.2 無線通信方式

考慮到系統(tǒng)中每個(gè)被監(jiān)測的機(jī)械設(shè)備均需一塊信號檢測板，因此系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單及成本低廉顯得尤為重要，本設(shè)計(jì)的無線通信模塊是以nRF24L01+芯片為核心，進(jìn)行信息的收發(fā)。nRF24L01+芯片具有多種運(yùn)行模式（點(diǎn)對點(diǎn)傳輸，一點(diǎn)對多點(diǎn)傳輸），尤其適用于具有超低功耗要求的系統(tǒng)。

nRF24L01+通過SPI通信總線驅(qū)動的，使用STM32單片機(jī)的SPI1硬件模塊接口對nRF24L01+進(jìn)行驅(qū)動，通過配置單片機(jī)的SPI1接口，對nRF24L01+模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫，設(shè)置nRF24L01+模塊的收發(fā)模式，實(shí)現(xiàn)對開關(guān)信號的無線傳輸。

信號檢測板和移動監(jiān)測終端之間的信號交互方式選擇Enhanced Shock Burst TM模式，每塊信號檢測板應(yīng)具備唯一地址，因此需要預(yù)先配置機(jī)械設(shè)備以及開關(guān)自身的16位ID地址。因此可以根據(jù)實(shí)際需求，通過跳頻技術(shù)、配置數(shù)據(jù)通道以及設(shè)置初始頻率來擴(kuò)充信號檢測板的組網(wǎng)數(shù)目。信號檢測板的無線模塊節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原理圖如圖4所示。

2.1.3 信號檢測板處理器模塊

信號檢測板選用STM32F105作為處理器，通過對其編程，完成的主要功能如下：

1） 通過I/O口實(shí)時(shí)檢測邏輯電路輸出的開關(guān)量信號，并進(jìn)行信號跳變監(jiān)測；

2） 驅(qū)動無線發(fā)送?？靚RF24L01+，實(shí)時(shí)向移動監(jiān)測終端發(fā)送開關(guān)故障信號。

2.2 移動監(jiān)測終端硬件設(shè)計(jì)

移動監(jiān)測終端硬件模塊包括無線接收模塊、單片機(jī)處理模塊、LCD顯示模塊、聲光報(bào)警模塊以及電源管理模塊。移動監(jiān)測終端的最小試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖如圖5所示。

移動監(jiān)測終端采用的處理器同樣是STM32F105，通過對其進(jìn)行編程完成以下功能：

1） 驅(qū)動無線模塊nRF24L01+，實(shí)時(shí)接收各信號檢測板的故障信號；

2） 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理功能，對接收到的開關(guān)量數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，是否存在異常數(shù)據(jù)；

3） 數(shù)據(jù)顯示功能，通過ILI9341液晶屏相應(yīng)位置顯示故障安全開關(guān)的區(qū)域、節(jié)點(diǎn)編號數(shù)據(jù)；

4） 若接收到的開關(guān)信號數(shù)據(jù)異常，通過控制STM32管腳高低電平、蜂鳴器及LED發(fā)出報(bào)警聲。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為信號檢測板軟件設(shè)計(jì)和移動監(jiān)測終端的軟件設(shè)計(jì)。

3.1 信號檢測板軟件流程

信號檢測板軟件部分主要完成開關(guān)故障信號采集和通過無線發(fā)送模塊向移動監(jiān)測終端發(fā)送開關(guān)故障信號。首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，無線模塊的初始化主要是保證信號檢測板的發(fā)送地址與移動監(jiān)測終端的某個(gè)接收通道的地址以及數(shù)據(jù)長度相同。然后系統(tǒng)對開關(guān)信號進(jìn)行采集、邏輯判斷、故障警報(bào)，完成故障信號的發(fā)送，清除緩存的過程數(shù)據(jù)后，經(jīng)過程序循環(huán)再次進(jìn)行信號采集。其總體工作流程如圖6所示。

3.2 移動監(jiān)測終端軟件流程

移動監(jiān)測終端的無線通信模塊始終處于信號接收狀態(tài)，完成LCD顯示屏和無線通信模塊的初始化之后，進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收、解析、顯示和發(fā)出警報(bào)。移動監(jiān)測終端總體軟件設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

4 結(jié) 論

本系統(tǒng)完成了以STM32單片機(jī)為核心的開關(guān)信號檢測板和移動監(jiān)測終端的設(shè)計(jì)。將基于nRF24L01+的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于開關(guān)類安全保護(hù)裝置協(xié)同管理系統(tǒng)中，采用多重冗余的邏輯設(shè)計(jì)來判斷安全開關(guān)是否處于故障狀態(tài)，使用該系統(tǒng)可及時(shí)發(fā)現(xiàn)并查找到故障開關(guān)的故障，提高工業(yè)生產(chǎn)效率、降低安全事故發(fā)生的可能性。依靠本系統(tǒng)可以滿足安全管理人員對開關(guān)類安全保護(hù)裝置統(tǒng)一監(jiān)管的需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 張登宏.煤礦安全檢測系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究[J].煤炭技術(shù)，2011，30（12）：95?97.

ZHANG Denghong. Technology research of Internet of Things in coal mine safety inspection system [J]. Coal technology， 2011， 30（12）： 95?97.

[2] 匡蕾，許寧，洪一超.基于危險(xiǎn)工藝裝置設(shè)置安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，19（7）：91?96.

KUANG Lei， XU Ning， HONG Yichao. Research on setting up safety interlocking system based on dangerous process equipment [J]. Chinese safety science journal， 2009， 19（7）： 91?96.

[3] 朱若茜，張禮勇.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測環(huán)境中的煤礦安全度評價(jià)[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，18（3）：32?35.

ZHU Ruoqian， ZHANG Liyong. Evaluation of coal mine safety in wireless sensor network monitoring environment [J]. Journal of Harbin University of Science and Technology， 2013， 18（3）： 32?35.

[4] 榮和芳.煤礦帶式輸送機(jī)安全保護(hù)裝置安裝及檢驗(yàn)方式[J].煤礦開采，2013，18（1）：33?35.

RONG Hefang. Installation and test method of safety protection device for coal mine belt conveyor [J]. Coal mining technology， 2013， 18（1）： 33?35.

[5] 王亭亭.礦用帶式輸送機(jī)安全監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2016.

WANG Tingting. Research on safety monitoring system of mine belt conveyor [D]. Xuzhou： China University of Mining and Technology， 2016.

[6] 袁慎芳，邱雷，童瑤，等.基于FPAA的自修復(fù)智能無線傳感器節(jié)點(diǎn)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2012，33（7）：1588?1593.

YUAN Shenfang， QIU Lei， TONG Yao， et al. Self repairing intelligent wireless sensor node based on FPAA [J]. Chinese journal of scientific instrument， 2012， 33（7）： 1588?1593.

[7] 李智敏.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模塊級故障診斷方法研究及應(yīng)用[D].北京：北京理工大學(xué)，2014.

LI Zhimin. Research and application of module level fault diagnosis method for wireless sensor networks [D]. Beijing： Beijing Institute of Technology， 2014.

[8] 劉魯生，鄭曉杰，張宇，等.具有對位顯示功能的智能皮帶保護(hù)器設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（8）：66?67.

LIU Lusheng， ZHENG Xiaojie， ZHANG Yu， et al. Design of intelligent belt protector with contraposition display function [J]. Modern electronics technique， 2013， 36（8）： 66?67.

[9] 儲劉慶.振動環(huán)境對開關(guān)連接器電接觸可靠性影響的研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2011.

CHU Liuqing. Research on the influence of vibration environment on electrical contact reliability of switch connection [D]. Beijing： Beijing University of Posts and Telecommunications， 2011.

[10] 王恩亮，華馳，陳潔.基于STM32F103ZET6的自定義通信協(xié)議電梯監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2016，12（12）：160?165.

WANG Enliang， HUA Chi， CHEN Jie. Design of user?defined communication protocol elevator monitoring system based on STM32F103ZET6 [J]. Journal of safety science and technology， 2016， 12（12）： 160?165.

[11] 黃璐，薛敬明，陳兵.基于2G/3G模塊的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].混凝土，2014（10）：157?159.

HUANG Lu， XUE Jingming， CHEN Bing. Remote data acquisition system based on 2G/3G module [J]. Concrete， 2014（10）： 157?159.