膠帶輸送機的傳動方式屬于撓性傳動中的帶傳動，容易發生打滑現象。打滑是膠帶輸送機工作中不可避免的問題，打滑故障不僅加快傳送帶的磨損，而且影響生產效率，嚴重時更會發生火災等重大事故。因此，膠帶輸送機的打滑檢測尤為關鍵。對于速度的保護不僅在于設計出直接的保護裝置，還可以從測速入手，通過提高測速的準確性來更有效地監測打滑故障。

測速最常用的方法是用轉速表測量電機的轉速。此方法不直接測量皮帶速度，易出現測量誤差。王榮杰提出用傳感器來測量主滾筒和傳動滾筒的速度并對測量結果進行分析：若速度無差值，則證明帶式輸送機正常運轉；若有差值且差值明顯，則輸送帶發生打滑并進行延時保護。這種方法相對應用廣泛，但需要分別測量主滾筒和驅動滾筒的速度，相對較復雜。

測量傳送帶速度的方法更為直接且精確性較高，膠帶輸送機一般都會采用設有固定運行速度的運行方式，但輸送機在實際應用中都會運載重量較大的物品，實際的運行速度往往會小于設定速度，這樣就會加大打滑誤報的概率。

本文設計了無設定運行速度的膠帶輸送機，以檢測器實際測出的運行速度為標準進行打滑檢測。針對無設定運行速度無法得知何時速度為穩定運行的速度這一情況，提出了基于模糊推理系統的膠帶輸送機起動過程檢測算法，判定起動過程結束時的速度為需要儲存的平穩運行速度，之后以該平穩運行速度作為檢測打滑的標準。該系統達到了高效率、準確、高魯棒性檢測打滑的目的。

1 系統組成

該系統主要由單片機PIC18F25K80、報警電路、電流輸出電路、脈沖輸出電路和膠帶輸送機狀態顯示電路組成，其框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

PIC18F25K80用于算法的實現，是整個系統的主控核心。電流輸出電路和脈沖輸出電路組成測速模塊：脈沖輸出電路適用于膠帶輸送機近距離運輸，電流輸出電路適用于膠帶輸送機遠距離運輸。報警電路用于速度過低時的報警和停機。膠帶輸送機狀態顯示電路用于運行過程的狀態顯示。

2 主要硬件設計

2.1 PIC18F25K80單片機系統

主控核心部分采用MICROCHIP公司的PIC18F25K80，如圖2所示。這是一款性能優異的8位微控制器，集成有增強型CAN控制器模塊，并且具有極低的能耗，工作頻率為16MHz，3648 Bytes的RAM，1024 Bytes的EEPROM，32KB的Flash，一個ECAN模塊。

圖2 PIC18F25K80

時鐘電路采用內部方式時鐘電路，為單片機提供時鐘信號，如圖3所示。

圖3 時鐘電路

器件檢測到VCC電壓上升時就會產生一個上電復位脈沖，通過一個電阻將MCLR引腳與電源相連，可節省一般用于產生一個上電復位所需的外接RC元件。

2.2 電源電路

本系統的供電電源是220V，通過AC/DC電源模塊轉化成直流源，該直流源為兩部分提供電源：第一部分通過DC/DC電源模塊（M2596S）得到一個5V的電壓供單片機使用；第二部分通過隔離DC/DC電源模塊（B1224S-1W），將電壓降到24V，供模擬電路（電流輸出電路）使用。

數字電源與模擬電源的地線隔離，互不干擾。單片機工作時，會在數字電源內產生高頻率紋波干擾，隔離可以有效防止這種干擾傳遞到模擬電源部分，如圖4所示。

2.3 狀態顯示電路

狀態顯示電路用于顯示膠帶輸送機的運行狀態，與RB0和RB1引腳相連，當膠帶輸送機起動時，RB1輸出信號，LED1指示燈亮黃燈；起動結束正常運行時，RB0輸出信號，LED2指示燈亮綠燈，如圖5所示。

圖4 電源電路

圖5 狀態顯示電路

2.4 報警電路

報警電路由PNP晶體管（1815）、LED指示燈、繼電器和單片機引腳（RC6、RC7）組成。在起動過程結束后，儲存平穩運行速度，當實時測量速度低于平穩運行速度的85%時，引腳RC6輸出一定的頻率信號，左側LED指示燈亮，通過繼電器觸發報警信號；當實時速度低于平穩運行速度的70%時，引腳RC7輸出一定的頻率信號，右側LED指示燈亮報警，且觸發繼電器斷開電源，如圖6所示。

圖6 報警電路

2.5 脈沖輸出電路

脈沖輸出電路選用的是600線增量編碼器（JCHA- 500-G12-24C）。該編碼器是一種增量式旋轉編碼器，它的優點是原理構造簡單，機械平均壽命可在幾萬h以上，抗干擾能力強，可靠性高，適用于膠帶輸送機長距離運輸。編碼器與電機相連，通過編碼器可把電機轉動的轉速轉化為膠帶輸送機的線速度。

因編碼器中的擋板結構，使得編碼器具有兩種電路，即波形相位相差90°的兩路脈沖A相、B相電路。本文利用A、B脈沖相位差，通過異或門可達到1200脈沖/周，此設計不僅提高了測量的精度，相比直接使用1200線的編碼器又節約了成本，且完全滿足打滑檢測測速的需求。

測量得到的脈沖信號有兩個去處：①進入到單片機內部，用于打滑的檢測；②通過光耦輸出脈沖信號，可獲得脈沖數，從而得到速度，后將得到的數據用作軟件部分。用光耦把兩個部分隔離，互不干擾。該部分適用于膠帶輸送機進行近距離的運輸，如圖7所示。

圖7 脈沖輸出電路

2.6 電流輸出電路

電流輸出模塊通過串行外圍設備接口接3個光電耦合，可以把單片機端口的信號從光耦左邊單向傳遞到右邊，起到隔離的作用，解決了兩邊電源不相等的問題。DAC8551是一個低功耗、電壓輸出的16位數模轉換器（DAC），它具有良好的線性。

使用一個通用的3線串行接口，在30MHz的時鐘頻率下工作，并且與標準SPITM兼容。該芯片為精密電流輸出變送器（XTR116）提供了穩定的電壓，XTR116可在整個工業標準電流環內發送4～20mA模擬信號，并提供精確的電流定標和輸出電流限制功能。

由于該模塊用于長距離傳輸的速度檢測，所以采用不容易受干擾的電流信號。在工業現場的噪聲電壓的幅值可能達到很大，但是噪聲的功率很小，所以噪聲電流通常很小，因此給電流傳輸帶來的誤差非常小。電流源內阻趨于無窮大，導線電阻串聯在回路中不影響精度，因此在普通雙絞線上可以傳輸數百m。電流輸出電路如圖8所示。

圖8 電流輸出電路

3 軟件部分設計

模糊推理是采用模糊邏輯并由給定的輸入到輸出的映射過程，輸入變量模糊集個數、各模糊集對應的隸屬度函數、模糊推理規則庫和去模糊化方法等是模糊推理的關鍵部分。推理規則庫的建立基于已有的領域知識和專家經驗，通常以IF-THEN的形式描述。

3.1 模糊語言變量選取

無設定運行速度膠帶輸送機鑒于負載的重量差異而導致運行速度存在差異。由于不知道運行速度為多少，所以起動過程就成了一個比較模糊的概念，難以用精確的解析模型進行分析，用速度差量判斷是否起動結束的方法進行檢驗會有誤差，因為膠帶輸送機起動過程的加速度曲線為拋物線，剛起動時的速度差值與起動結束時的速度差值接近，會有誤報的情況發生，所以考慮引入加速度差同作為輸入變量，采用模糊推理算法對起動過程進行準確判斷。

輸出量為起動過程U，并將起動過程分為起動中、起動結束和無這種情況。根據測量的物理量來制定模糊集合，建立輸入與輸出之間的模糊推理規則，然后根據規則算出模糊控制表，存于單片機中。

3.2 模糊化

在起動過程系統中，設速度差量的模糊語言變量為EV，加速度差量的模糊語言為EA，起動過程的模糊語言為U。經模糊化處理后，模糊語言集為{ZO, PS, PB}，速度差量語言描述為{偏差小, 偏差中, 偏差大}。其偏差范圍見表1。

表1 速度差量范圍

加速度差量EA其模糊語言集表示為{NB, NM, ZO, PM, PB}，語言表示為{負大, 負小, 零, 正小, 正大}。其差量范圍見表2。對于起動過程U，其模糊語言集為{NZ, NS, NW}，對應的語言描述為{起動中, 起動結束, 沒有這種情況}。

表2 加速度差量范圍

3.3 模糊控制規則的確立

模糊控制規則采用經驗歸納法來確定。在起動模糊控制中選取相應的控制量的程度，模糊控制規則見表3。這樣一組模糊推理規則，能夠實現速度差量及加速度差量和起動過程之間的非線性關系，以用于膠帶輸送起動過程的判斷。

表3 模糊控制規則

3.4 系統程序設計

帶式輸送機的速度范圍為0.1～10m/s，測量帶速的滾筒直徑為112mm。采用600線增量編碼器，利用A、B脈沖相位差，通過異或門可達到1200脈沖/周。

系統的軟件設計全部使用C語言程序，調試環境為MPLAB IDE。速度的采集用兩個中斷進行并行處理：第一個中斷TMR0每0.2s產生一次中斷，每隔0.2s測量一次速度；第二個中斷TMR1連接編碼器，從固定的時間中斷讀取一個計數器的值，就可以采集到速度。

下面的過程：①開始主程序，對得到的速度進行速度差和加速度差計算，若計算后的速度為零，則檢測為停機；若不為零，則按照宏定義對應模糊控制表的規則判斷運行過程；②判斷為起動結束后，進入運行過程，并對當前運行速度進行儲存；③進入打滑檢測部分，當測量速度值達到85%運行速度時進行失速報警，當檢測速度達到75%運行速度時進行停機保護。圖9所示為主程序流程圖。

圖9 主程序流程圖

4 實驗驗證

根據上述原理圖搭建的膠帶輸送機實物調試硬件如圖10所示，用電機模擬膠帶輸送機，通過降低膠帶輸送機的速度模仿打滑的原理。通過設定電流值控制速度，對比速度差檢測法和模糊推理檢測法，測量50次達到9mA電流對應速度所需的時間，各取測量結果的平均值，并統計兩個方法的誤報情況。

實測結果表明：使用模糊推理系統的膠帶輸送機起動過程檢測算法，相比使用速度差檢測法判斷起動過程，檢測精度提高，沒有再出現誤判情況，并且能夠更快速檢測出起動結束，檢測出的運行速度也更準確。這使得膠帶輸送機可以更準確檢測出打滑故障，從而提高生產效率，延長膠帶輸送機使用壽命。實驗數據統計表見表4。

表4 實驗數據統計表

圖10 膠帶輸送實物調試硬件

5 結論

本文設計了膠帶輸送機節能模糊打滑檢測系統，詳細介紹了檢測打滑系統的硬件電路、算法設計和軟件實現；并搭建了基于模糊推理的膠帶輸送機起動過程檢測系統，使得負載的大小不再對打滑判斷產生影響，在整個系統制作成本較低的情況下，提高了膠帶輸送機檢測打滑故障的準確性，使生產效率得以提高。因而該檢測系統具有較高的使用價值。