基于单片机的皮带机综合保护系统设计

李文艺，张云龙

宿州学院机械与电子信息工程学院，安徽宿州，234000

皮带输送机简称皮带机，应用灵活方便、输送效率高，为大宗散装物料的输送提供了有效手段，在煤矿、电厂、选煤厂等工业部门中应用广泛。皮带机特别是煤矿用皮带机一旦出现故障，如皮带超温、跑偏、撕裂、堆煤等，极有可能引起安全生产事故，造成人员伤亡，给企业造成重大损失，产生极其恶劣的社会影响。如何提前预警皮带机组的故障，尽量把故障消除在萌芽状态就显得极其重要。

针对皮带机运行中存在的问题和市场需求，设计出一套皮带机综合保护系统。该系统具有检测皮带机的能力，当皮带机输送系统出现故障时，能够自动开启语音报警、停机功能。系统以AT89S52单片机为核心控制器，配合新型的ISD4000系列语音芯片与LCD显示屏以及各种传感器，如打滑、撕带、烟雾、跑偏、温度等多种传感器，可以完成皮带机的综合保护，提高煤矿企业的安全性。皮带机综合保护系统功能较为完善，可以实现皮带机系统的自动化控制，在保障生产安全的前提下为企业节约维修成本［1－3］。

1 系统的性能特点

皮带机长时间大负荷工作，可能会出现各种各样的故障。其中常见故障有以下几种：皮带超速、皮带上堆煤、皮带温度过高、皮带跑偏、皮带冒烟、皮带断裂等。

为对每一种故障作出可靠的保护动作，需要作出以下设计：对于烟雾、超温、撕裂等传感器需要立即实现停机保护动作。对于超速、堆煤、跑偏等故障，如果短时间内可以自动消除就不需要进行停机和报警，所以此类传感器的信号需要延时后再进行停机保护。当皮带机出现超温故障和烟雾故障时，系统除了实现停机、报警功能，还应具有洒水降温功能。

根据需要作出以下具体设计。

（1）打滑保护：打滑保护又称为速度保护，当皮带运行时，从动滚筒完全不转连续超过4秒钟时，启动速度保护动作，实现自动停车。

（2）堆煤保护：当煤仓中的煤堆积过多，煤位传感器动作，延时3～5秒后实现保护停车。

（3）跑偏保护：当出现跑偏时，跑偏传感器动作，延时10～15秒钟，实现跑偏故障保护。如果在实现保护之前故障自动消除，系统不实现停机保护。

（4）烟雾保护：产生烟雾时，烟雾传感器将信号传给系统，保护系统立即实现停机保护，同时启动洒水装置洒水。

（5）超温保护：当温度超过温度传感器的设定值（如70°C）时，装置立即实现温度保护，同时启动洒水装置，洒水降温。

（6）撕带保护：当出现传送带撕裂时，撕带传感器动作，立即实现停机保护。

（7）沿线急停功能：沿线急停功能是专门为皮带机巡视人员设计的一种停机功能。当巡视人员按下沿线急停按钮时，立即实现停机保护。

系统还具有起车、停车控制，并且在出现故障时，可以自动发出语音报警、实现自动停车，并具有锁定故障信号的功能，通过LCD显示屏显示故障类型，便于工作人员查找故障。

2 系统总体设计

该系统主要包括五大部分：传感器接口、语音报警、显示模块、控制部分、报话打点，如图1所示。传感器部分利用传感器采集皮带机的各种状态信号，并且把信号转化为单片机可以接受的电信号形式。每个传感器具有故障模拟功能，即在没有故障时可以测试系统能否正常工作。语音报警部分可以在起车或出现故障时发出语音报警，显示模块可以显示故障类型，并且锁定故障，便于维修人员及时排除故障。控制部分主要是进行手动起车、停车的控制，故障时自动停车的控制功能。集控接口部分使得该系统可以单台工作控制一条皮带，也可以多台联机工作控制多台皮带机。打点报话信号主要在距离较长时进行语音通话。

图1 皮带机综合保护系统结构图

2.1 系统硬件设计

系统采用AT89S52单片机作为控制器，该单片机内置8KB的Flash存储器、32位并行的I／O接口、定时器、串口、片内RAM等。利用内部的flash存储程序可以省去外部存储器的扩展，提高了系统的可靠性，方便系统开发［2］。语音芯片采用美国ISD公司推出的新型ISD4000系列语音芯片，该芯片采用多电平直接模拟存储技术，将每个采样值直接存储在片内的闪存中，能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果音；具有操作简单，接口方便，录音时间长，可以任意分段录音，不怕断电以及低功耗等诸多优点，广泛用于自动化通信系统、移动电话和智能仪器等产品中。ISD4000系列语音芯片所有操作采用微控制器控制，控制命令采用SPI串行接口标准，利用4条线进行通信，可以方便地采用单片机实现语音芯片的控制［3］。

各个传感器信号需要先经过光电耦合后再把信号送到单片机，这可以提高单片机的安全性，同时防止传感器引入高电压烧坏单片机。各个传感器还具有模拟故障的功能，可以在检修时测试系统的动作性能。

显示部分采用MzLH04－12864液晶模块，负责出现故障时显示故障类型。液晶模块具有串行SPI接口方式（仅写入），自带12×12点和16×16点汉字库（包含一级和二级汉字库），自带6×10、8×16点ASCII码西文字库（96个字符），自带基本绘图GUI功能（绘点、直线、矩形、矩形框、实心圆形、圆形框），自带整型数据显示功能，直接输入整型数据显示，而无需作变换；带有背光控制指令，只需一条指令便可控制背光亮度等级［4］。

系统的控制输出分为两部分：主电机控制输出和洒水装置的控制输出。该部分用单片机控制继电器，利用继电器输出的信号控制，送入电机的控制器中控制主电机电源与洒水装置的电源。

2.2 系统软件设计

单片机软件的开发采用常用的开发工具keil，利用C51语言。系统总的软件流程如图2所示。对于超温故障与烟雾故障需要在起车之前检测，如果系统上电之后检测到了烟雾或者超温就不能起车，直接发出故障报警。正常起车后各种故障都要检测。在运行过程中，如果出现了故障，按照程序设定的要求，及时或延时实现停机保护功能［5］。

图2 总体软件流程图

语音芯片的放音控制流程如图3所示。该语音芯片在播放语音之前需要先发送上电指令，上电后需要进行延时等待内部的初始化完成（称为上电延时），然后发送放音的起始地址和放音指令。由于在放音结束之前不能接受新的放音指令，所以延时等待放音结束掉电或者再给芯片发送放音指令重新放音。

图3 语音芯片控制流程图

3 结束语

本文设计了一种皮带机的综合保护系统，在实际设计时单片机控制部分采用本安型设计方法，电源部分采用防暴型设计，可以应用于矿井、漏天煤矿、选煤、电厂等工业生产领域。该系统在软硬件设计好之后，进行了系统联合调试，然后又进行了老化实验。老化试验后的现场测试取得了良好的运行效果，从实验效果来看，该系统可以有效保障皮带机的安全运行。

［1］曹广海，周启昆，刘杰.皮带输送机故障监控器的设计［J］.自动化仪表，2012（7）：36－38

［2］赵利军.皮带输送机启动特性分析［J］.机械研究与应用，2011（3）：44－46

［3］游小城.煤皮带输送机跑偏的分析及改进［J］.机电工程技术，2011（4）：109－110

［4］袁广振，郝允领，韩保，等.基于PLC对采区皮带机集控系统的设计应用［J］.煤矿现代化，2013（1）：66－68

［5］李碾峰，杨光.煤矿运输皮带机的改造探究［J］.科技与企业，2014（1）：268