矿用钢绳芯胶带无损探伤装置的设计

高文博

（同煤国电同忻煤矿有限公司，山西大同，037001）

0 引言

矿用钢丝绳输送带作为井下运输的重要设备，对于煤矿生产具有重要作用。但是，由于煤矿井下环境恶劣，输送带负载大，导致输送带极易断裂，影响正常生产，严重时引发人身伤亡事故[1-2]。为了对输送带钢芯进行在线检测，科技工作者采用一系列方法手段对输送带钢芯状态进行检测，包括：视觉检测法、磁感应法、X射线检测法等[3-4]。其中，X射线检测法可以更加直观地反应输送带内钢芯分布状况，本文以stm32 单片机作为核心，根据X 射线检测原理设计输送带钢芯探伤装置，利用图像处理算法对比正常和故障输送带内部钢芯分布差异，实现故障快速定位与及时报警。

1 无损探伤装置组成结构

输送带钢芯探伤装置系统结构(图1)，主要包括稳压电源、X射线光源、X光探测器、RS-485通讯模块、远程显示界面。X射线光源供电电压220 VAC，光线射出角度60°。X射线通过皮带后，被皮带下方的X钢探测器接收，经过光电转换模块转换为电压信号，再经过A/D转换模块转换成数字信号，通过RS-485通讯模块发送给远程PC，利用图像识别算法对现场数据进行分析。

图1 输送带钢芯探伤装置系统结构

2 无损探伤装置硬件部分

2.1 主控芯片选型

在本系统中，现场检测数据转换成数字信号进行传输，并且在钢丝绳输送带运行过程中，检测信息需要不断更新，串口需要不断传输现场检测的数字量，因此，主控芯片选型为stm32f429 系列单片机，该单片机是Cortex-M4系列单片机，供电电压1.7 V～3.6 V，主频最高可以达到180 MHz，具有DSP指令集，内部存储器可以完成256+4KB 的SRAM，可以满足大量检测数据存储、传输的功能需求，外部通讯接口数量为4，传输速率为11.25 Mbit/s，通过对运行中输送带钢芯状态动态监测，达到实时监测的目的。

2.2 A/D转换电路

光电转换模块将透过钢丝绳输送带的X射线转换成电压信号，但是，电压信号并不适合传输和存储，因此，需要增加A/D 转换模块，将模拟量转换为数字量，利用单片机进行编码，完成信号的远程传输，提高后续数据分析的效率[5]。

为了提升A/D 转换精度，本系统使用德州仪器生产的ADS8422 芯片作为A/D 转换器，该芯片内部使用16位逐次逼近寄存器，A/D 转换速度为4Msps，内部参考电压值为4.096 V，可以在单电源供电的情况下可靠工作，同时保证AD转换精度，被广泛应用在工业自动化、医疗成像等领域。ADS8422 芯片共有48 个引脚，在使用之前将芯片的BYTE引脚拉低，选择为16 bit工作模式，当AD转换完成后，BUSY引脚置低，此时可以进行数字量的读取。

2.3 串口通讯电路

输送带钢芯探伤装置的通讯协议选择为RS-485，通过两根数据线（A、B）完成信号传输，采用差分信号进行数据传输，具有较强的干扰性，特别是在煤矿生产中，能够保证现场检测数据完整地发送给地面监测平台，最远传输距离1 200 m，在使用中继的情况下，传输距离最远可达9.6 km，可满足现场数据远程传输需求。

2.4 电源电路

为了将交流220 V 电源转换成12 V 直流电源，本系统采用E型变压器实现电能转换，产品型号为E41×20/5 W，输出最大电流为0.42 A，可以满足X光探测器的工作需求，外接引线为阻燃材料，保证产品在煤矿井下的安全性能。

Stm32 单片机的电源芯片选择为TO- 263 LM2596S-3.3，输入电压12 V，输出电压3.3 V，输出电流最大值为3 A，工作温度范围-40℃～125℃，最大输入电压40 V，具有工作可靠、抗干扰能力强的特点，在电路设计中，需要增加4 个电路组件，组成稳压电路，电路开断频率最高为50 kHz。

3 无损探伤装置软件部分

系统硬件平台设计完成后，需要向stm32 中烧写程序，完成硬件平台的测试和系统功能的实现。系统软件采用Keil-5 软件平台进行开发，程序仿真下载通过J-Link 仿真器完成，下载方式选择为SWD 下载，只需使用4 根线（VCC、SWDIO、SWCLK、GND）即可完成程序下载与调试。

3.1 主程序设计

矿用输送带钢芯探伤装置主程序如下图2 所示，单片机上电后，首先要清除中断、关闭看门狗定时器，对系统进行初始化，之后，启动光电转换模块和AD转换器(ADC)，开始采集通过钢丝绳输送带的X 射线，并将其转换为数字信号，在单片机内部存储区进行编码和存储，完成一个周期的扫描后，将采集标志位置高，作为采集完成的标志，同时给RS-485 模块上电，将现场采集数据远程发送给地面监控平台，采用图像识别算法对比现场检测数据和正常钢丝绳输送带数据，当判断出现故障时，对故障进行定位并发出报警信号，否者结束程序，进入下一个检测周期。

图2 钢芯探伤装置主程序

3.2 通讯程序设计

现场数据完成采集之后，需要对采集数据进行编码，在字节开始的位置增加起始标志位“1A”，结束标志位为“5D”，中间数据为现场检测数据。在通讯程序中打开定时器中断，当通讯时间超过30 s时，视为通讯故障，重新给RS-485模块上电，重新进行连接，为了防止程序跑飞，将重启次数设置为5次。

4 无损探伤装置图像部分

为了提高远程PC对现场检测数据的分析能力，提高故障定位准确性，在系统中引入均值滤波算法和灰度拉伸算法，旨在抑制现场采集数据的噪声，

4.1 均值滤波算法

均值滤波算法是对整个邻域像素点进行平均的一种计算方法，用周围邻域内的像素点的均值替代原有的像素点数值，使整幅图片扁的平滑，相比于其他滤波方法具有算法简单、计算速度快的的特点，适用于图像识别、故障定位等实时性强的应用场合。

选择一个有若干个点组成的模板，中间像素点为(x,y)，假设周围像素点的额个数为M 个，则像素点(x,y)的灰度值计算公式为：

通过均值滤波，图像的边缘被破坏，因此，当模板选择越大时，图像越模糊，本系统中，模板大小选择为9×9。

4.2 灰度拉伸算法

灰度拉伸是图像增强的一种算法，在空间域内对像素进行映射，通过像素变换，使原图像具有更加直观的视觉效果，在故障诊断中，增加图像灰度对比，可以加速故障特征量的提取。灰度拉伸算法原理如下：

灰度拉伸的映射函数一般为分段函数，针对图像中灰度值较低的区域，在此区域使用斜率＞1的一次函数作为映射函数，将像素值拉伸到由低到高较大的范围内；针对图像中灰度值较高的区域，在此区域使用斜率＜1的一次函数作为映射函数，将像素值拉伸到由高到低的较大的范围内[6]。

5 使用效果

为了对以上研发装置的实际使用效果进行评估，于2019 年9 月15 日至10 月15 日，在同煤国电同忻煤矿集团进行现场安装与测试，现场检测部分图片如下图3所示。由图可知，在检测截面内，有三根钢丝绳出现断裂，其余钢丝绳均完整无故障。

图3 检测图片

6 结束语

本文以stm32 为核心，设计矿用输送带钢芯探伤装置的硬件结构、软件程序和图像识别算法。通过现场使用，得到较为准确的检测数据，能够对钢丝绳胶带的运行情况进行准确的实时监测，满足检测现场需求。在现场安装过程中，方便灵活，不会影响胶带机的正常运行，采用的探伤技术安全可靠，具有较强的市场推广价值。