摘 要： 阐述了输送机断链、失速保护装置的工作原理，详细介绍了以AVR ATmega16单片机为核心构成的保护装置的软硬件、控制算法和可靠性设计方案。该智能保护装置实现了对输送机断链、失速故障的智能可靠保护，有力保证了输送机安全、可靠运行。
关键词： AVR； 单片机； 断链； 失速； 保护装置
输送机广泛用于建材、化工、火电、矿山、机械、冶炼和运输等行业，由于输送机连续运行时间长、负荷重，事故、磨损、腐蚀、等问题比较多见，因此输送机故障概率大，其中断链、断带、失速故障占的比例最大。发生断链、断带、失速故障后，往往会摧毁输送机机架，损坏设备，堵塞运输巷道,造成长时间的停产及重大经济损失,甚至导致人员伤亡,后果极其严重，并且故障修复难度大，严重影响生产的正常运行。采用先进的技术，加强输送机管理和维护是降低输送机事故率、提高产量、保障安全生产的有效途径。
本文以Amega16高性能单片机为核心,开发了输送机断链、失速保护装置。该装置能够根据现场采集的输送机主动轮、被动轮信号，按照判别算法，快速识别输送机断链、失速状态，迅速有效地进行自动处理,避免重大损失,并能快速给出故障位置,有利于快速修复故障和恢复生产。
1 工作原理
断链、失速保护装置工作原理如图1所示。装置从输送机获得主动轮、从动轮转速信号，经过单片机运算处理，判断主动轮与从动轮之间是否存在转速差，如果存在转速差，则按照判别规则判断失速断链状态，即轻度失速、中度失速、重度失速（断链）状态，根据失速、断链状态，单片机送出相应的声光报警信号，并经过信号线传送给现场输送机控制系统。如果为重度失速（断链）状态，则现场控制系统发出拖动电机停止信号，同时电磁制动器使主动轮、从动轮同时制动，防止事故进一步扩大；如果为中度失速状态，信号传送到现场控制系统后，经过一段延时，如果没有得到有效处理，则停车，防止输送带打滑损坏；如果为轻度失速状态，则只发出声光报警信号，提示操作人员，不作停车处理；如果输送机运转正常，则不发出信号。另外，断链、失速信号、位置信号、速度信号通过RS485总线传送到上位监控计算机系统，可以在控制室及时监测现场输送机状态和故障位置。
限于篇幅，本文只介绍断链、失速保护装置。
2 硬件设计
断链、失速保护装置由CPU单元、按键输入电路、上位机通讯电路、失速信号输出电路、速度检测电路、系统起动电路、显示电路、晶振电路、复位电路、编程接口电路等部分构成。断链、失速保护装置硬件电路原理框图如图2所示。
为了适应高速数据采集与运算的需要,装置以Atmega16为控制核心。Atmega16为低功耗、高性能的8位AVR单片机，具有强大的RISC精简指令集，多数为单周期指令，数据处理能力高达1 MIPS/MHz，内部具有1 KB RAM单元，16 KB Flash ROM单元及512 KB E2PROM单元，参数可保存在E2PROM中；具有32个高驱动能力可编程I/O端口，可直接驱动较大电流负载，端口还具有可编程内部上拉电阻；支持在线编程（ISP）及在应用编程（IAP），方便现场修改和调试程序。另外，还有可编程串行USART接口，可以方便实现与上位机通讯。
Atmega16单片机接口内部具有可编程上拉电阻，按键输入电路可不用外部上拉电阻，但在设计中，一般接上拉电阻，一是不用考虑内部上拉电阻是否有效，二是上拉电阻可起到限流作用；设计有6个输入按键，可以实现功能选择、参数调整、确定、取消、复位等操作；上位机通讯电路采用75176型专用RS485通讯集成电路，方案简单、可靠，为实现上位计算机与下位单片机通讯传输数据速度的匹配，单片机采用11.059 2 MHz晶振。
为了提高系统抗干扰能力，电路系统中现场输入、输出通道均采用光电耦合器，速度检测开关采用测速专用光电测速开关，采用24 V直流供电；系统起动信号由现场控制系统发出，断链、失速保护装置检测到此信号，即进入速度、断链、失速检测状态。Atmega16单片机的I/O口驱动能力很强，采用端口直接驱动光电耦合器发光二极管负载，I/O端口接上拉电阻，可以提高单片机端口驱动能力。显示部分采用1602 B字符型液晶显示模块，液晶模块采用D4~D7作为数据传输线,分2次传送8位显示参数，以便节省单片机I/O口资源。
3 软件设计
控制系统软件由系统初始化程序、键盘处理程序、起动检测程序、参数设定程序、数据采集程序、显示程序、数据与算法处理程序、失速报警程序、通讯程序、中断服务程序等构成，系统软件流程如图3所示。保护装置对采集的主、从动轮转速信号进行处理，按照模糊判别规则确定系统运行状态，产生断链、失速后，进行中断服务处理，送出相应失速状态信号，同时显示相关信息。
4 算法设计
输送机断链、失速状态采用模糊判别方法，模糊控制器采用二维模糊控制器，选用主动轮与从动轮速度偏差E及偏差变化率EC作为输入变量，断链、失速状态U作为输出变量，可靠地监控输送机的运行情况，准确判别失速状态。
模糊控制器误差E等于主动轮转速减去从动轮转速，因主动轮转速大于等于从动轮转速，所以主动轮与从动轮转速偏差数值大于等于零，E的模糊子集为零（ZO）、正小（PS）、正中（PM）、正大（PB），量化为4个等级,分别表示为0、+1、+2、+3。误差变化率EC的模糊子集为负大（NB）、负小（NS）、零（ZO）、正小（PS）、正大（PB），量化为5个等级，分别表示为-2、-1、0、+1、+2。断链、失速状态量U的模糊子集为零（ZO）、正小（PS）、正中（PM）、正大（PB），量化为4个等级，表示为0、+1、+2、+3，含义为无失速、轻度失速、中度失速、重度失速（断链）。根据人工判别经验及实验，形成的模糊判别规则如表1所示。
5 可靠性设计
从软件和硬件两方面考虑系统的可靠性设计。软件方面主要采用了软件陷阱、信号重复检测、数字滤波等措施,硬件方面主要采用了看门狗、光电隔离、合理布线、硬件冗余等措施，对测速部件采用硬件冗余措施，即主动轮、从动轮分别采用两路同时检测转速信号，当2个信号数据误差较大时，认为其中一路出现问题，提示运行人员检修，有效防止速度检测回路损坏对保护装置性能的影响，保证系统能在恶劣的工业条件下准确、稳定地运行。
本文采用AVR高性能单片机为控制核心，结合现代电子技术、智能控制理论、传感器技术、可靠性设计技术等，设计了断链、失速智能保护装置，该保护技术和装置对保护输送机设备，保障相关行业安全、可靠、高效生产，减少事故发生，有着重要的意义。
参考文献
[1] 张平川，许兴广.基于单片机电热水器模糊控制系统设计[J].微计算机信息，2007，11(2)：145-146.
[2] 孙冰,王汝琳.智能化矿井胶带输送机综合安全保护系统[J]. 华北科技学院学报,2005(1):41-43.
[3] 董久赤,王金奎.刮板输送机断链事故原因分析[J].煤矿机械，2004(4)：117-118.
[4] 诸静.模糊控制原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2001.
[5] 王柏林.单片机系统设计的误区与对策[J]. 电子技术应用，2002,28(2).