膠帶輸送機的傳動方式屬于撓性傳動中的帶傳動，容易發(fā)生打滑現(xiàn)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(chǎn)效率，嚴(yán)重時更會發(fā)生火災(zāi)等重大事故。因此，膠帶輸送機的打滑檢測尤為關(guān)鍵。對于速度的保護不僅在于設(shè)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(zhǔn)確性來更有效地監(jiān)測打滑故障。

測速最常用的方法是用轉(zhuǎn)速表測量電機的轉(zhuǎn)速。此方法不直接測量皮帶速度，易出現(xiàn)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(jié)果進行分析：若速度無差值，則證明帶式輸送機正常運轉(zhuǎn)；若有差值且差值明顯，則輸送帶發(fā)生打滑并進行延時保護。這種方法相對應(yīng)用廣泛，但需要分別測量主滾筒和驅(qū)動滾筒的速度，相對較復(fù)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(shè)有固定運行速度的運行方式，但輸送機在實際應(yīng)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(shè)定速度，這樣就會加大打滑誤報的概率。

本文設(shè)計了無設(shè)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(biāo)準(zhǔn)進行打滑檢測。針對無設(shè)定運行速度無法得知何時速度為穩(wěn)定運行的速度這一情況，提出了基于模糊推理系統(tǒng)的膠帶輸送機起動過程檢測算法，判定起動過程結(jié)束時的速度為需要儲存的平穩(wěn)運行速度，之后以該平穩(wěn)運行速度作為檢測打滑的標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)達(dá)到了高效率、準(zhǔn)確、高魯棒性檢測打滑的目的。

1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)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(tài)顯示電路組成，其框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

PIC18F25K80用于算法的實現(xiàn)，是整個系統(tǒng)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(yuǎn)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(tài)顯示電路用于運行過程的狀態(tài)顯示。

2 主要硬件設(shè)計

2.1 PIC18F25K80單片機系統(tǒng)

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(yōu)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(nèi)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(chǎn)生一個上電復(fù)位脈沖，通過一個電阻將MCLR引腳與電源相連，可節(jié)省一般用于產(chǎn)生一個上電復(fù)位所需的外接RC元件。

2.2 電源電路

本系統(tǒng)的供電電源是220V，通過AC/DC電源模塊轉(zhuǎn)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(shù)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(shù)字電源內(nèi)產(chǎn)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(tài)顯示電路

狀態(tài)顯示電路用于顯示膠帶輸送機的運行狀態(tài)，與RB0和RB1引腳相連，當(dāng)膠帶輸送機起動時，RB1輸出信號，LED1指示燈亮黃燈；起動結(jié)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(tài)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(jié)束后，儲存平穩(wěn)運行速度，當(dāng)實時測量速度低于平穩(wěn)運行速度的85%時，引腳RC6輸出一定的頻率信號，左側(cè)LED指示燈亮，通過繼電器觸發(fā)報警信號；當(dāng)實時速度低于平穩(wěn)運行速度的70%時，引腳RC7輸出一定的頻率信號，右側(cè)LED指示燈亮報警，且觸發(fā)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(zhuǎn)編碼器，它的優(yōu)點是原理構(gòu)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(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為膠帶輸送機的線速度。

因編碼器中的擋板結(jié)構(gòu)，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(dá)到1200脈沖/周，此設(shè)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(jié)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(nèi)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(shù)，從而得到速度，后將得到的數(shù)據(jù)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(shè)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(shù)模轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)SPITM兼容。該芯片為精密電流輸出變送器（XTR116）提供了穩(wěn)定的電壓，XTR116可在整個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電流環(huán)內(nèi)發(fā)送4～20mA模擬信號，并提供精確的電流定標(biāo)和輸出電流限制功能。

由于該模塊用于長距離傳輸?shù)乃俣葯z測，所以采用不容易受干擾的電流信號。在工業(yè)現(xiàn)場的噪聲電壓的幅值可能達(dá)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(nèi)阻趨于無窮大，導(dǎo)線電阻串聯(lián)在回路中不影響精度，因此在普通雙絞線上可以傳輸數(shù)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(shè)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(shù)、各模糊集對應(yīng)的隸屬度函數(shù)、模糊推理規(guī)則庫和去模糊化方法等是模糊推理的關(guān)鍵部分。推理規(guī)則庫的建立基于已有的領(lǐng)域知識和專家經(jīng)驗，通常以IF-THEN的形式描述。

3.1 模糊語言變量選取

無設(shè)定運行速度膠帶輸送機鑒于負(fù)載的重量差異而導(dǎo)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(jié)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(jié)束時的速度差值接近，會有誤報的情況發(fā)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(zhǔn)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(jié)束和無這種情況。根據(jù)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(guī)則，然后根據(jù)規(guī)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(tǒng)中，設(shè)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(jīng)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(fù)大, 負(fù)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(yīng)的語言描述為{起動中, 起動結(jié)束, 沒有這種情況}。

表2 加速度差量范圍

3.3 模糊控制規(guī)則的確立

模糊控制規(guī)則采用經(jīng)驗歸納法來確定。在起動模糊控制中選取相應(yīng)的控制量的程度，模糊控制規(guī)則見表3。這樣一組模糊推理規(guī)則，能夠?qū)崿F(xiàn)速度差量及加速度差量和起動過程之間的非線性關(guān)系，以用于膠帶輸送起動過程的判斷。

表3 模糊控制規(guī)則

3.4 系統(tǒng)程序設(shè)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(dá)到1200脈沖/周。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計全部使用C語言程序，調(diào)試環(huán)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(chǎn)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(shù)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(yīng)模糊控制表的規(guī)則判斷運行過程；②判斷為起動結(jié)束后，進入運行過程，并對當(dāng)前運行速度進行儲存；③進入打滑檢測部分，當(dāng)測量速度值達(dá)到85%運行速度時進行失速報警，當(dāng)檢測速度達(dá)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(jù)上述原理圖搭建的膠帶輸送機實物調(diào)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(shè)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(dá)到9mA電流對應(yīng)速度所需的時間，各取測量結(jié)果的平均值，并統(tǒng)計兩個方法的誤報情況。

實測結(jié)果表明：使用模糊推理系統(tǒng)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(xiàn)誤判情況，并且能夠更快速檢測出起動結(jié)束，檢測出的運行速度也更準(zhǔn)確。這使得膠帶輸送機可以更準(zhǔn)確檢測出打滑故障，從而提高生產(chǎn)效率，延長膠帶輸送機使用壽命。實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表見表4。

表4 實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

圖10 膠帶輸送實物調(diào)試硬件

5 結(jié)論

本文設(shè)計了膠帶輸送機節(jié)能模糊打滑檢測系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了檢測打滑系統(tǒng)的硬件電路、算法設(shè)計和軟件實現(xiàn)；并搭建了基于模糊推理的膠帶輸送機起動過程檢測系統(tǒng)，使得負(fù)載的大小不再對打滑判斷產(chǎn)生影響，在整個系統(tǒng)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(zhǔn)確性，使生產(chǎn)效率得以提高。因而該檢測系統(tǒng)具有較高的使用價值。