膠帶輸送機(jī)的傳動(dòng)方式屬于撓性傳動(dòng)中的帶傳動(dòng)，容易發(fā)生打滑現(xiàn)象。打滑是膠帶輸送機(jī)工作中不可避免的問(wèn)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(shí)更會(huì)發(fā)生火災(zāi)等重大事故。因此，膠帶輸送機(jī)的打滑檢測(cè)尤為關(guān)鍵。對(duì)于速度的保護(hù)不僅在于設(shè)計(jì)出直接的保護(hù)裝置，還可以從測(cè)速入手，通過(guò)提高測(cè)速的準(zhǔn)確性來(lái)更有效地監(jiān)測(cè)打滑故障。

測(cè)速最常用的方法是用轉(zhuǎn)速表測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速。此方法不直接測(cè)量皮帶速度，易出現(xiàn)測(cè)量誤差。王榮杰提出用傳感器來(lái)測(cè)量主滾筒和傳動(dòng)滾筒的速度并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析：若速度無(wú)差值，則證明帶式輸送機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)；若有差值且差值明顯，則輸送帶發(fā)生打滑并進(jìn)行延時(shí)保護(hù)。這種方法相對(duì)應(yīng)用廣泛，但需要分別測(cè)量主滾筒和驅(qū)動(dòng)滾筒的速度，相對(duì)較復(fù)雜。

測(cè)量傳送帶速度的方法更為直接且精確性較高，膠帶輸送機(jī)一般都會(huì)采用設(shè)有固定運(yùn)行速度的運(yùn)行方式，但輸送機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中都會(huì)運(yùn)載重量較大的物品，實(shí)際的運(yùn)行速度往往會(huì)小于設(shè)定速度，這樣就會(huì)加大打滑誤報(bào)的概率。

本文設(shè)計(jì)了無(wú)設(shè)定運(yùn)行速度的膠帶輸送機(jī)，以檢測(cè)器實(shí)際測(cè)出的運(yùn)行速度為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行打滑檢測(cè)。針對(duì)無(wú)設(shè)定運(yùn)行速度無(wú)法得知何時(shí)速度為穩(wěn)定運(yùn)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(jī)起動(dòng)過(guò)程檢測(cè)算法，判定起動(dòng)過(guò)程結(jié)束時(shí)的速度為需要儲(chǔ)存的平穩(wěn)運(yùn)行速度，之后以該平穩(wěn)運(yùn)行速度作為檢測(cè)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(cè)打滑的目的。

1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主要由單片機(jī)PIC18F25K80、報(bào)警電路、電流輸出電路、脈沖輸出電路和膠帶輸送機(jī)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(shí)現(xiàn)，是整個(gè)系統(tǒng)的主控核心。電流輸出電路和脈沖輸出電路組成測(cè)速模塊：脈沖輸出電路適用于膠帶輸送機(jī)近距離運(yùn)輸，電流輸出電路適用于膠帶輸送機(jī)遠(yuǎn)距離運(yùn)輸。報(bào)警電路用于速度過(guò)低時(shí)的報(bào)警和停機(jī)。膠帶輸送機(jī)狀態(tài)顯示電路用于運(yùn)行過(guò)程的狀態(tài)顯示。

2 主要硬件設(shè)計(jì)

2.1 PIC18F25K80單片機(jī)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(qiáng)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(gè)ECAN模塊。

圖2 PIC18F25K80

時(shí)鐘電路采用內(nèi)部方式時(shí)鐘電路，為單片機(jī)提供時(shí)鐘信號(hào)，如圖3所示。

圖3 時(shí)鐘電路

器件檢測(cè)到VCC電壓上升時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)上電復(fù)位脈沖，通過(guò)一個(gè)電阻將MCLR引腳與電源相連，可節(jié)省一般用于產(chǎn)生一個(gè)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(guò)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(guò)DC/DC電源模塊（M2596S）得到一個(gè)5V的電壓供單片機(jī)使用；第二部分通過(guò)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(jī)工作時(shí)，會(huì)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(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，與RB0和RB1引腳相連，當(dāng)膠帶輸送機(jī)起動(dòng)時(shí)，RB1輸出信號(hào)，LED1指示燈亮黃燈；起動(dòng)結(jié)束正常運(yùn)行時(shí)，RB0輸出信號(hào)，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(bào)警電路

報(bào)警電路由PNP晶體管（1815）、LED指示燈、繼電器和單片機(jī)引腳（RC6、RC7）組成。在起動(dòng)過(guò)程結(jié)束后，儲(chǔ)存平穩(wěn)運(yùn)行速度，當(dāng)實(shí)時(shí)測(cè)量速度低于平穩(wěn)運(yùn)行速度的85%時(shí)，引腳RC6輸出一定的頻率信號(hào)，左側(cè)LED指示燈亮，通過(guò)繼電器觸發(fā)報(bào)警信號(hào)；當(dāng)實(shí)時(shí)速度低于平穩(wěn)運(yùn)行速度的70%時(shí)，引腳RC7輸出一定的頻率信號(hào)，右側(cè)LED指示燈亮報(bào)警，且觸發(fā)繼電器斷開(kāi)電源，如圖6所示。

圖6 報(bào)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(diǎn)是原理構(gòu)造簡(jiǎn)單，機(jī)械平均壽命可在幾萬(wàn)h以上，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適用于膠帶輸送機(jī)長(zhǎng)距離運(yùn)輸。編碼器與電機(jī)相連，通過(guò)編碼器可把電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為膠帶輸送機(jī)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(guò)異或門(mén)可達(dá)到1200脈沖/周，此設(shè)計(jì)不僅提高了測(cè)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(cè)測(cè)速的需求。

測(cè)量得到的脈沖信號(hào)有兩個(gè)去處：①進(jìn)入到單片機(jī)內(nèi)部，用于打滑的檢測(cè)；②通過(guò)光耦輸出脈沖信號(hào)，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(gè)部分隔離，互不干擾。該部分適用于膠帶輸送機(jī)進(jìn)行近距離的運(yùn)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(guò)串行外圍設(shè)備接口接3個(gè)光電耦合，可以把單片機(jī)端口的信號(hào)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(wèn)題。DAC8551是一個(gè)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(gè)通用的3線串行接口，在30MHz的時(shí)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(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電流環(huán)內(nèi)發(fā)送4～20mA模擬信號(hào)，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(zhǎng)距離傳輸?shù)乃俣葯z測(cè)，所以采用不容易受干擾的電流信號(hào)。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(lái)的誤差非常小。電流源內(nèi)阻趨于無(wú)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(jì)

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(guò)程，輸入變量模糊集個(gè)數(shù)、各模糊集對(duì)應(yīng)的隸屬度函數(shù)、模糊推理規(guī)則庫(kù)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(kù)的建立基于已有的領(lǐng)域知識(shí)和專家經(jīng)驗(yàn)，通常以IF-THEN的形式描述。

3.1 模糊語(yǔ)言變量選取

無(wú)設(shè)定運(yùn)行速度膠帶輸送機(jī)鑒于負(fù)載的重量差異而導(dǎo)致運(yùn)行速度存在差異。由于不知道運(yùn)行速度為多少，所以起動(dòng)過(guò)程就成了一個(gè)比較模糊的概念，難以用精確的解析模型進(jìn)行分析，用速度差量判斷是否起動(dòng)結(jié)束的方法進(jìn)行檢驗(yàn)會(huì)有誤差，因?yàn)槟z帶輸送機(jī)起動(dòng)過(guò)程的加速度曲線為拋物線，剛起動(dòng)時(shí)的速度差值與起動(dòng)結(jié)束時(shí)的速度差值接近，會(huì)有誤報(bào)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(duì)起動(dòng)過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。

輸出量為起動(dòng)過(guò)程U，并將起動(dòng)過(guò)程分為起動(dòng)中、起動(dòng)結(jié)束和無(wú)這種情況。根據(jù)測(cè)量的物理量來(lái)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(jī)中。

3.2 模糊化

在起動(dòng)過(guò)程系統(tǒng)中，設(shè)速度差量的模糊語(yǔ)言變量為EV，加速度差量的模糊語(yǔ)言為EA，起動(dòng)過(guò)程的模糊語(yǔ)言為U。經(jīng)模糊化處理后，模糊語(yǔ)言集為{ZO, PS, PB}，速度差量語(yǔ)言描述為{偏差小, 偏差中, 偏差大}。其偏差范圍見(jiàn)表1。

表1 速度差量范圍

加速度差量EA其模糊語(yǔ)言集表示為{NB, NM, ZO, PM, PB}，語(yǔ)言表示為{負(fù)大, 負(fù)小, 零, 正小, 正大}。其差量范圍見(jiàn)表2。對(duì)于起動(dòng)過(guò)程U，其模糊語(yǔ)言集為{NZ, NS, NW}，對(duì)應(yīng)的語(yǔ)言描述為{起動(dòng)中, 起動(dòng)結(jié)束, 沒(méi)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(yàn)歸納法來(lái)確定。在起動(dòng)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(jiàn)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(dòng)過(guò)程之間的非線性關(guān)系，以用于膠帶輸送起動(dòng)過(guò)程的判斷。

表3 模糊控制規(guī)則

3.4 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)的速度范圍為0.1～10m/s，測(cè)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(guò)異或門(mén)可達(dá)到1200脈沖/周。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)全部使用C語(yǔ)言程序，調(diào)試環(huán)境為MPLAB IDE。速度的采集用兩個(gè)中斷進(jìn)行并行處理：第一個(gè)中斷TMR0每0.2s產(chǎn)生一次中斷，每隔0.2s測(cè)量一次速度；第二個(gè)中斷TMR1連接編碼器，從固定的時(shí)間中斷讀取一個(gè)計(jì)數(shù)器的值，就可以采集到速度。

下面的過(guò)程：①開(kāi)始主程序，對(duì)得到的速度進(jìn)行速度差和加速度差計(jì)算，若計(jì)算后的速度為零，則檢測(cè)為停機(jī)；若不為零，則按照宏定義對(duì)應(yīng)模糊控制表的規(guī)則判斷運(yùn)行過(guò)程；②判斷為起動(dòng)結(jié)束后，進(jìn)入運(yùn)行過(guò)程，并對(duì)當(dāng)前運(yùn)行速度進(jìn)行儲(chǔ)存；③進(jìn)入打滑檢測(cè)部分，當(dāng)測(cè)量速度值達(dá)到85%運(yùn)行速度時(shí)進(jìn)行失速報(bào)警，當(dāng)檢測(cè)速度達(dá)到75%運(yùn)行速度時(shí)進(jìn)行停機(jī)保護(hù)。圖9所示為主程序流程圖。

圖9 主程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述原理圖搭建的膠帶輸送機(jī)實(shí)物調(diào)試硬件如圖10所示，用電機(jī)模擬膠帶輸送機(jī)，通過(guò)降低膠帶輸送機(jī)的速度模仿打滑的原理。通過(guò)設(shè)定電流值控制速度，對(duì)比速度差檢測(cè)法和模糊推理檢測(cè)法，測(cè)量50次達(dá)到9mA電流對(duì)應(yīng)速度所需的時(shí)間，各取測(cè)量結(jié)果的平均值，并統(tǒng)計(jì)兩個(gè)方法的誤報(bào)情況。

實(shí)測(cè)結(jié)果表明：使用模糊推理系統(tǒng)的膠帶輸送機(jī)起動(dòng)過(guò)程檢測(cè)算法，相比使用速度差檢測(cè)法判斷起動(dòng)過(guò)程，檢測(cè)精度提高，沒(méi)有再出現(xiàn)誤判情況，并且能夠更快速檢測(cè)出起動(dòng)結(jié)束，檢測(cè)出的運(yùn)行速度也更準(zhǔn)確。這使得膠帶輸送機(jī)可以更準(zhǔn)確檢測(cè)出打滑故障，從而提高生產(chǎn)效率，延長(zhǎng)膠帶輸送機(jī)使用壽命。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表4。

表4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

圖10 膠帶輸送實(shí)物調(diào)試硬件

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了膠帶輸送機(jī)節(jié)能模糊打滑檢測(cè)系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了檢測(cè)打滑系統(tǒng)的硬件電路、算法設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn)；并搭建了基于模糊推理的膠帶輸送機(jī)起動(dòng)過(guò)程檢測(cè)系統(tǒng)，使得負(fù)載的大小不再對(duì)打滑判斷產(chǎn)生影響，在整個(gè)系統(tǒng)制作成本較低的情況下，提高了膠帶輸送機(jī)檢測(cè)打滑故障的準(zhǔn)確性，使生產(chǎn)效率得以提高。因而該檢測(cè)系統(tǒng)具有較高的使用價(jià)值。