基于单片机的钢材破损实时监控系统设计

◎ 徐子锋，任书杰，王帅国，赵 征，韩晓烨，王康兴

（连云港东粮码头有限公司，江苏 连云港 222000）

耐磨钢板因其耐磨性、成本低、易于加工等优势，被广泛用于散粮发运设备的壳体与关键性部位。在实际生产中，由于大量物料的冲击与内部其他部件的摩擦，耐磨钢板部分会出现过度磨损，且在实际生产运行中，这种磨损很难预测。因此，设备维护人员只能在物料发生撒漏堆积后，才能发现钢板出现了穿孔性损伤。这一问题不仅会造成经济成本、人力成本的增加，也不利于安全生产。

1 散粮机械易破损部件介绍

1.1 壳体部分

壳体是散粮机械设备的重要组成部分，以刮板机为例。刮板机是一种常用的粮食输送设备，其结构如图1 所示。刮板机以多块耐磨钢板采用焊接或翻边法兰连接组成，内部采用翻版链条在内部循环运动带动物料。驱动方式通常采用变频器驱动交流异步电动机带动减速箱，并配备有断链、堵塞等保护装置。

图1 刮板机结构示意图

在刮板机中，直接与物料接触的部分为链条和壳体。其中，链条由耐磨钢材锻造成型，在壳体内部有链条的两侧刮板带动粮食运动，如图2 所示。壳体是将物料保持在机械内部的关键，刮板链条带动物料在壳体钢板上摩擦，壳体材料目前主流采用10 mm 耐磨钢板，在大量的物料摩擦下，钢板的材料极易产生磨损。在实际生产过程中，随着刮板链条的运转，其长度会慢慢增长，从而与底部壳体产生摩擦。运转过程中的震动、物料的不均匀、链条运转时间过长没有及时张紧，当这几个因素同时作用时，会导致链条摩擦到侧面壳体。

图2 链条结构示意图

1.2 翻版部分

翻版部分的应用场景主要在电子翻版的活动部件，这一设备的功能是利用电动机带动翻版，让粮食在不同流程的情况下去往不同地点，其结构如图3 所示。

图3 翻版结构示意图

翻版作为活动部件，在运行中会直接接触物料，物料经由重力冲击其与壳体的接触部分。当翻版被物料摩擦产生形变后，其与壳体的配合便不再紧密，当配合缝隙过大时，便会出现物料撒漏，严重的会出现不同物料的混质，引发质量问题。

1.3 滑动门部分

滑动门是散粮系统常用机械，大多设计在仓底与仓顶，其结构为电机带动一块装有齿条的耐磨钢板，在专门的框架中做横向运动，达到控制开合的目的，如图4 所示。仓底的滑动门在工作中承担控制物料出仓的作用，仓顶的滑动门常常位于刮板机下方，起着控制物料进仓的作用。

图4 滑动门结构示意图（气动）

在实际生产中，仓底的滑动门主要受到物料的压力，仅在开关门阶段受到摩擦，但摩擦程度不足以对钢材造成损坏。仓顶的滑动门在工作中大部分情况是关闭状态，在刮板机运行时成为刮板机底部壳体的一部分，受到物料、挂壁链条摩擦。

2 破损原因分析

2.1 物料的摩擦

在实际生产中，大量的物料摩擦壳体、滑动门、翻版，导致特定部位钢板越来越薄直至穿孔。当钢板出现穿孔，物料会因为压力从机械内部挤压出来。当物料被挤压出破损穿孔处，穿孔处会发生形变，破损扩大，导致更多物料泄漏出来。此外，随着耐磨钢板的损坏，以其作为外壳的机械设备失去原有的机械支撑，产生物理形变，从而扩大损坏范围。

2.2 同设备其他部件的摩擦

由于物料挤压、热胀冷缩、其他部件形变等因素，设备在运行时配合不紧密，导致刮板机的壳体与链条之间出现摩擦，造成钢板的损坏往往相较于物料摩擦造成的损坏更为严重，更易出现穿孔、形变等。

2.3 自然锈蚀

露天设备因为风吹日晒，会出现外部保护油漆脱落的情况，使得钢材直接裸露在空气、雨水中，导致钢材出现锈蚀，继而出现形变、穿孔等问题。自然锈蚀产生的损坏具有以下特点。①时间方面。相比物料摩擦、与其他部位的摩擦，自然锈蚀造成结构性损坏的速度要慢得多。②位置方面。自然锈蚀产生的损坏集中在设备外层，损坏由内而外，与物料摩擦、与其他部位的摩擦刚好相反。因此，自然锈蚀产生的损坏在初期更容易被现场工作人员发现。

2.4 原因总结

在实际生产中，钢材破损往往不是一种原因单独导致的。以翻版为例，翻版钢材的损坏主要是物料摩擦与同设备其他部件摩擦共同作用导致的；以刮板机为例，由于刮板机体积较大，多放置在室外。因此，刮板机钢材的损坏多由3 种原因共同导致。

3 系统分析

3.1 系统原理分析

结合上文关于损坏原因与损坏位置的分析，本文明确了其中存在的问题，得出了损坏位置与损坏形式存在共性，即损坏位置集中在以耐磨钢板为原料所组成的外壳或是翻版，其表现形式为一整块的长方形钢板；损坏形式表现为长方形钢材的穿孔、形变，实际上是结构方面的不完整。

针对以上问题，本文提出以下改进思路，对整块耐磨钢板完整度进行监控，主要包括以下方面。

（1）利用电阻监控钢材的平均厚度。厚度作为钢材的重要指标，检测方法有很多，考虑到成本与实际效果可采用电阻测量法。钢材作为金属材料是一种良好的导体，一块钢材在切割完成后，其内在的基本属性就会保持恒定，包括电阻值。

其中，R为电阻，ρ为导体电阻率，L为导体长度，A为导体截面积。钢板作为导体时，在加工完成后，其导体电阻率和导体长度便固定下来。此时，若钢材出现磨损，就会导致导体截面积减小，表现在电阻值方面，即电阻值的增加。

（2）利用导体网络监控钢材的实际状态。将钢材分割为5 mm×5 mm（参照大豆这一物料的直径，不同物料可采用不同的分区标准），在分区边缘布置细金属丝（本设计中采用铜丝），各金属丝之间相互绝缘组成金属网络，如图5 所示。当钢材出现穿孔、大程度形变时，附着在钢材表面的金属丝会发生断裂。因为钢材被网络覆盖，横排金属丝可以标记破损处的横轴，竖排金属丝可以标记破损处的纵轴，从而得出破损处的坐标。

图5 金属网络示意图

因此，考虑到粮食系统粉尘防爆问题，利用导体网络监控钢材的实际状态作为本设计的理论基础。

3.2 系统结构介绍

系统可分为钢材表面金属网络、单片机系统、中控室3 个部分。

（1）金属网络通过金属丝的覆盖将破损信息转换为电信号，作为破损信息的接收端，将破损信号传递给单片机系统[1]。

（2）单片机系统作为系统的接收端，同时也是发送端。其中，接收端接收来自金属网络的信号，并计算出破损点的位置。继而将破损位置信息发送至后端中控室，作为发送端。

（3）中控室接收到破损位置信息，发出报警信号，若破损位置对应的机械有生产作业流程则弹出是否需要暂停的窗口。若存在多处、大面积破损，则自动暂停生产工作流程。同时，通知现场维修人员确认故障情况并进行维修。系统结构示意图如图6 所示。

图6 系统结构示意图

3.3 金属丝网络结构图

金属丝网络的具体结构可分为以下5 层：①底绝缘层。这一层直接接触钢板，将其他层与钢板隔离开来，最重要的是起到钢板绝缘的作用。②横金属丝层。将0.3 mm 直径的铜丝，以每根间隔5 mm 的方式横向排列在底绝缘层上，并加以固定，此层的作用在于当钢材有损坏时，提供损坏点的横轴坐标。③中绝缘层。在横金属丝层上方布置中绝缘层，中绝缘层可隔离横金属丝层与下一层，纵金属丝层可起到相互隔离、绝缘的作用。④纵金属丝层。将0.3 mm 直径的铜丝，以每根间隔5 mm 的方式纵向排列在中绝缘层上，此层的作用在于当钢材有损坏时，提供损坏点的纵轴坐标，并与横金属丝层配合得到具体的破损点坐标[2-3]。⑤外保护层。此层为最外层，起到绝缘与保护的作用，需要其有一定的耐腐蚀能力，以有效保护金属网络与底部耐磨钢板免受自然腐蚀的影响。具体材质可由机械的布置和机械用途决定，结构图如图7 所示。

图7 金属网络结构图

3.4 单片机结构设计

本次设计中以单片机为核心，将金属丝网络与单片机相连接，利用单片机完成对破损点位置的确认。具体设计采用51 单片机，配合外部电路实现数据的收集与计算，最终发送数据。

3.4.1 单片机核心

如图8 所示，本设计采用AT89C52 单片机，包括40 个引脚。其中，有32 个通用I/O 引脚，将其中16个连接横金属丝、16 个连接纵金属丝，接着检测其电平状态来确定具体通断情况[4]。

图8 单片机核心原理图

3.4.2 下载电路原理

此部分电路为辅助电路，用于使用USB 线连接电脑时，将程序下载至单片机中，具体原理图如图9 所示。

图9 USB 下载电路图

3.4.3 电源模块

此部分的作用是将5 V 电压转为3.3 V 电压直接为系统供电，具体原理图如图10 所示。

图10 5 V 转为3.3 V 电源模块图

3.4.4 无线发送模块

通过NRF24LO1 无线收发模块，可以将计算得到的破损点位置信息以坐标的形式发送出去。此模块可直接购买成品，通过接口连接系统，如图11 所示。

图11 NRF24LO1 模块接口图

3.5 算法分析

将通用引脚按位置排布分为2 组：X 组和Y 组，其中，X 组引脚为P1.0～P1.7、P3.0～P3.7 引脚；Y组引脚为P2.0～P2.7、P4.0～P4.7。分别与金属丝层的纵金属丝、横金属丝相连接，连接方式如图12 所示。

图12 金属丝网络接线图

由图12 可知，金属丝层两端一边与单片机对应引脚相连，另一端连接VCC，5 V 电压。一般来说，单片机5 V 电压为高电平信号，当金属丝正常时，电压5 V 为高电平；当金属丝因为磨损出现损坏时，金属丝断裂，电压0 V 为低电平。在程序中，以P1.0 引脚为例，金属丝完整时，P1.0=1；金属丝出现损坏断路时，P1.0=0。

程序先依次判断X 组各引脚电平情况，若X 组各引脚电平情况正常，再依次判断Y 组各引脚电平情况；若Y 组各引脚电平情况正常，5 000 ms 后，进入下一次判断循环。

当循环扫描判断的过程中出现低电平，以P1.0 为例，IF（P1.0=0）条件成立，则在此基础上继续判断Y 组电平；若Y 组电平全部为高电平，则进入下一次的循环判断[5]。若Y 组电平判断中出现低电平，以P2.7 为例，IF（P2.7=0），则直接输出（1，7）坐标，坐标对应钢材破损点具体位置，程序流程图如图13 所示。坐标信息会以无线形式发送，中控室接收到信息开始报警，并提示工作人员进行检查。

图13 程序流程图

4 结语

本文从生产实际出发，找出了实际生产中钢材容易出现的问题，并设计了一套以单片机为核心的钢材实时检测系统，从系统结构到电路设计，再到算法分析，论证了系统的原理与具体实施办法，有效解决了粮食机械外壳、翻版等以耐磨钢板为原材料的机械部件在使用过程中的损坏问题，有利于港口、粮库等提升服务质量，减少人力成本，增加企业竞争力。