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宿州學(xué)院機(jī)械與電子信息工程學(xué)院，安徽宿州，234000

皮帶輸送機(jī)簡(jiǎn)稱皮帶機(jī)，應(yīng)用靈活方便、輸送效率高，為大宗散裝物料的輸送提供了有效手段，在煤礦、電廠、選煤廠等工業(yè)部門中應(yīng)用廣泛。皮帶機(jī)特別是煤礦用皮帶機(jī)一旦出現(xiàn)故障，如皮帶超溫、跑偏、撕裂、堆煤等，極有可能引起安全生產(chǎn)事故，造成人員傷亡，給企業(yè)造成重大損失，產(chǎn)生極其惡劣的社會(huì)影響。如何提前預(yù)警皮帶機(jī)組的故障，盡量把故障消除在萌芽狀態(tài)就顯得極其重要。

針對(duì)皮帶機(jī)運(yùn)行中存在的問題和市場(chǎng)需求，設(shè)計(jì)出一套皮帶機(jī)綜合保護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有檢測(cè)皮帶機(jī)的能力，當(dāng)皮帶機(jī)輸送系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，能夠自動(dòng)開啟語音報(bào)警、停機(jī)功能。系統(tǒng)以AT89S52單片機(jī)為核心控制器，配合新型的ISD4000系列語音芯片與LCD顯示屏以及各種傳感器，如打滑、撕帶、煙霧、跑偏、溫度等多種傳感器，可以完成皮帶機(jī)的綜合保護(hù)，提高煤礦企業(yè)的安全性。皮帶機(jī)綜合保護(hù)系統(tǒng)功能較為完善，可以實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)系統(tǒng)的自動(dòng)化控制，在保障生產(chǎn)安全的前提下為企業(yè)節(jié)約維修成本［1－3］。

1 系統(tǒng)的性能特點(diǎn)

皮帶機(jī)長(zhǎng)時(shí)間大負(fù)荷工作，可能會(huì)出現(xiàn)各種各樣的故障。其中常見故障有以下幾種：皮帶超速、皮帶上堆煤、皮帶溫度過高、皮帶跑偏、皮帶冒煙、皮帶斷裂等。

為對(duì)每一種故障作出可靠的保護(hù)動(dòng)作，需要作出以下設(shè)計(jì)：對(duì)于煙霧、超溫、撕裂等傳感器需要立即實(shí)現(xiàn)停機(jī)保護(hù)動(dòng)作。對(duì)于超速、堆煤、跑偏等故障，如果短時(shí)間內(nèi)可以自動(dòng)消除就不需要進(jìn)行停機(jī)和報(bào)警，所以此類傳感器的信號(hào)需要延時(shí)后再進(jìn)行停機(jī)保護(hù)。當(dāng)皮帶機(jī)出現(xiàn)超溫故障和煙霧故障時(shí)，系統(tǒng)除了實(shí)現(xiàn)停機(jī)、報(bào)警功能，還應(yīng)具有灑水降溫功能。

根據(jù)需要作出以下具體設(shè)計(jì)。

（1）打滑保護(hù)：打滑保護(hù)又稱為速度保護(hù)，當(dāng)皮帶運(yùn)行時(shí)，從動(dòng)滾筒完全不轉(zhuǎn)連續(xù)超過4秒鐘時(shí)，啟動(dòng)速度保護(hù)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停車。

（2）堆煤保護(hù)：當(dāng)煤倉(cāng)中的煤堆積過多，煤位傳感器動(dòng)作，延時(shí)3～5秒后實(shí)現(xiàn)保護(hù)停車。

（3）跑偏保護(hù)：當(dāng)出現(xiàn)跑偏時(shí)，跑偏傳感器動(dòng)作，延時(shí)10～15秒鐘，實(shí)現(xiàn)跑偏故障保護(hù)。如果在實(shí)現(xiàn)保護(hù)之前故障自動(dòng)消除，系統(tǒng)不實(shí)現(xiàn)停機(jī)保護(hù)。

（4）煙霧保護(hù)：產(chǎn)生煙霧時(shí)，煙霧傳感器將信號(hào)傳給系統(tǒng)，保護(hù)系統(tǒng)立即實(shí)現(xiàn)停機(jī)保護(hù)，同時(shí)啟動(dòng)灑水裝置灑水。

（5）超溫保護(hù)：當(dāng)溫度超過溫度傳感器的設(shè)定值（如70°C）時(shí)，裝置立即實(shí)現(xiàn)溫度保護(hù)，同時(shí)啟動(dòng)灑水裝置，灑水降溫。

（6）撕帶保護(hù)：當(dāng)出現(xiàn)傳送帶撕裂時(shí)，撕帶傳感器動(dòng)作，立即實(shí)現(xiàn)停機(jī)保護(hù)。

（7）沿線急停功能：沿線急停功能是專門為皮帶機(jī)巡視人員設(shè)計(jì)的一種停機(jī)功能。當(dāng)巡視人員按下沿線急停按鈕時(shí)，立即實(shí)現(xiàn)停機(jī)保護(hù)。

系統(tǒng)還具有起車、停車控制，并且在出現(xiàn)故障時(shí)，可以自動(dòng)發(fā)出語音報(bào)警、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停車，并具有鎖定故障信號(hào)的功能，通過LCD顯示屏顯示故障類型，便于工作人員查找故障。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要包括五大部分：傳感器接口、語音報(bào)警、顯示模塊、控制部分、報(bào)話打點(diǎn)，如圖1所示。傳感器部分利用傳感器采集皮帶機(jī)的各種狀態(tài)信號(hào)，并且把信號(hào)轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可以接受的電信號(hào)形式。每個(gè)傳感器具有故障模擬功能，即在沒有故障時(shí)可以測(cè)試系統(tǒng)能否正常工作。語音報(bào)警部分可以在起車或出現(xiàn)故障時(shí)發(fā)出語音報(bào)警，顯示模塊可以顯示故障類型，并且鎖定故障，便于維修人員及時(shí)排除故障。控制部分主要是進(jìn)行手動(dòng)起車、停車的控制，故障時(shí)自動(dòng)停車的控制功能。集控接口部分使得該系統(tǒng)可以單臺(tái)工作控制一條皮帶，也可以多臺(tái)聯(lián)機(jī)工作控制多臺(tái)皮帶機(jī)。打點(diǎn)報(bào)話信號(hào)主要在距離較長(zhǎng)時(shí)進(jìn)行語音通話。

圖1 皮帶機(jī)綜合保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用AT89S52單片機(jī)作為控制器，該單片機(jī)內(nèi)置8KB的Flash存儲(chǔ)器、32位并行的I／O接口、定時(shí)器、串口、片內(nèi)RAM等。利用內(nèi)部的flash存儲(chǔ)程序可以省去外部存儲(chǔ)器的擴(kuò)展，提高了系統(tǒng)的可靠性，方便系統(tǒng)開發(fā)［2］。語音芯片采用美國(guó)ISD公司推出的新型ISD4000系列語音芯片，該芯片采用多電平直接模擬存儲(chǔ)技術(shù)，將每個(gè)采樣值直接存儲(chǔ)在片內(nèi)的閃存中，能夠非常真實(shí)、自然地再現(xiàn)語音、音樂、音調(diào)和效果音；具有操作簡(jiǎn)單，接口方便，錄音時(shí)間長(zhǎng)，可以任意分段錄音，不怕斷電以及低功耗等諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于自動(dòng)化通信系統(tǒng)、移動(dòng)電話和智能儀器等產(chǎn)品中。ISD4000系列語音芯片所有操作采用微控制器控制，控制命令采用SPI串行接口標(biāo)準(zhǔn)，利用4條線進(jìn)行通信，可以方便地采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)語音芯片的控制［3］。

各個(gè)傳感器信號(hào)需要先經(jīng)過光電耦合后再把信號(hào)送到單片機(jī)，這可以提高單片機(jī)的安全性，同時(shí)防止傳感器引入高電壓燒壞單片機(jī)。各個(gè)傳感器還具有模擬故障的功能，可以在檢修時(shí)測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)作性能。

顯示部分采用MzLH04－12864液晶模塊，負(fù)責(zé)出現(xiàn)故障時(shí)顯示故障類型。液晶模塊具有串行SPI接口方式（僅寫入），自帶12×12點(diǎn)和16×16點(diǎn)漢字庫（包含一級(jí)和二級(jí)漢字庫），自帶6×10、8×16點(diǎn)ASCII碼西文字庫（96個(gè)字符），自帶基本繪圖GUI功能（繪點(diǎn)、直線、矩形、矩形框、實(shí)心圓形、圓形框），自帶整型數(shù)據(jù)顯示功能，直接輸入整型數(shù)據(jù)顯示，而無需作變換；帶有背光控制指令，只需一條指令便可控制背光亮度等級(jí)［4］。

系統(tǒng)的控制輸出分為兩部分：主電機(jī)控制輸出和灑水裝置的控制輸出。該部分用單片機(jī)控制繼電器，利用繼電器輸出的信號(hào)控制，送入電機(jī)的控制器中控制主電機(jī)電源與灑水裝置的電源。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)軟件的開發(fā)采用常用的開發(fā)工具keil，利用C51語言。系統(tǒng)總的軟件流程如圖2所示。對(duì)于超溫故障與煙霧故障需要在起車之前檢測(cè)，如果系統(tǒng)上電之后檢測(cè)到了煙霧或者超溫就不能起車，直接發(fā)出故障報(bào)警。正常起車后各種故障都要檢測(cè)。在運(yùn)行過程中，如果出現(xiàn)了故障，按照程序設(shè)定的要求，及時(shí)或延時(shí)實(shí)現(xiàn)停機(jī)保護(hù)功能［5］。

圖2 總體軟件流程圖

語音芯片的放音控制流程如圖3所示。該語音芯片在播放語音之前需要先發(fā)送上電指令，上電后需要進(jìn)行延時(shí)等待內(nèi)部的初始化完成（稱為上電延時(shí)），然后發(fā)送放音的起始地址和放音指令。由于在放音結(jié)束之前不能接受新的放音指令，所以延時(shí)等待放音結(jié)束掉電或者再給芯片發(fā)送放音指令重新放音。

圖3 語音芯片控制流程圖

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種皮帶機(jī)的綜合保護(hù)系統(tǒng)，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)單片機(jī)控制部分采用本安型設(shè)計(jì)方法，電源部分采用防暴型設(shè)計(jì)，可以應(yīng)用于礦井、漏天煤礦、選煤、電廠等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。該系統(tǒng)在軟硬件設(shè)計(jì)好之后，進(jìn)行了系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試，然后又進(jìn)行了老化實(shí)驗(yàn)。老化試驗(yàn)后的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試取得了良好的運(yùn)行效果，從實(shí)驗(yàn)效果來看，該系統(tǒng)可以有效保障皮帶機(jī)的安全運(yùn)行。

［1］曹廣海，周啟昆，劉杰.皮帶輸送機(jī)故障監(jiān)控器的設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化儀表，2012（7）：36－38

［2］趙利軍.皮帶輸送機(jī)啟動(dòng)特性分析［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2011（3）：44－46

［3］游小城.煤皮帶輸送機(jī)跑偏的分析及改進(jìn)［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2011（4）：109－110

［4］袁廣振，郝允領(lǐng)，韓保，等.基于PLC對(duì)采區(qū)皮帶機(jī)集控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用［J］.煤礦現(xiàn)代化，2013（1）：66－68

［5］李碾峰，楊光.煤礦運(yùn)輸皮帶機(jī)的改造探究［J］.科技與企業(yè)，2014（1）：268