曾 飛，歐宏日，黃書偉，宋杰杰

(1.武漢科技大學(xué)，冶金裝備及其控制教育部重點(diǎn)實驗室，湖北武漢 430081；2.武漢科技大學(xué)機(jī)械自動化學(xué)院，湖北武漢 430081)

0 引言

帶式輸送機(jī)是港口散料運(yùn)輸關(guān)鍵設(shè)備，具有大運(yùn)量、高帶速和運(yùn)距長等優(yōu)勢[1]。然而，其恒速運(yùn)行模式也造成輸送機(jī)在空載或輕載時大量能耗浪費(fèi)。近年來，帶速控制技術(shù)雖極具節(jié)能潛力，但由于尚未充分考慮黏彈性輸送帶復(fù)雜動態(tài)特性，實際調(diào)控策略易造成誤判而產(chǎn)生輸送帶撕裂、跑偏和疊帶等事故，從而影響港口生產(chǎn)安全[2-3]。因此，實時監(jiān)測帶式輸送機(jī)動態(tài)特性參數(shù)，探索輸送帶動張力隨帶速非線性變化規(guī)律，對加快帶式輸送機(jī)調(diào)速節(jié)能控制技術(shù)應(yīng)用具有重要意義。

目前，帶式輸送機(jī)動態(tài)特性參數(shù)監(jiān)測主要有人工判別法、智能監(jiān)測法。其中人工判別法通過人工記錄參數(shù)，通過經(jīng)驗判斷監(jiān)測分析，勞動強(qiáng)度大、實時性不高，且易造成漏檢[4]。智能監(jiān)測法以自動化程度高、實時性好、準(zhǔn)確性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)逐漸成為有效手段[5-6]。劉曉雪[7]等通過移植Linux操作系統(tǒng)，采用C、C++語言開發(fā)了帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)交互界面，可顯示張力、帶速等檢測值。楊瑤[8]等運(yùn)用Visual Studio 2010與STM32F407設(shè)計了一種輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，并基于C# WinForm開發(fā)了上位機(jī)軟件實現(xiàn)輸送機(jī)張力、帶速等當(dāng)前值顯示。上述系統(tǒng)具備一定實用性，但上位機(jī)軟件編程較復(fù)雜，對張力、帶速數(shù)據(jù)分析處理研究較少，顯示不直觀，沒有實時曲線顯示、報表保存等功能。為直觀地監(jiān)測輸送機(jī)動態(tài)參數(shù)與運(yùn)行狀態(tài)，鄧玉嬌[9]等基于組態(tài)軟件設(shè)計了采煤機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，通過CAN總線實現(xiàn)采煤機(jī)帶速、張力等在線監(jiān)測顯示。李宏偉[10]等基于RS485和CAN總線設(shè)計了輸送機(jī)張力、帶速等監(jiān)控系統(tǒng)。李希彬[11]等基于PLC與MCGS對帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。上述監(jiān)測系統(tǒng)采用總線通信，布線較復(fù)雜，通信距離短，不利于維護(hù)。為實時、直觀、有效地對帶式輸送機(jī)動態(tài)特性參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，本文開發(fā)了基于LabVIEW的帶式輸送機(jī)動態(tài)特性參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過電阻應(yīng)變式壓力傳感器、光電編碼器采集輸送機(jī)動態(tài)特性參數(shù)(張力、帶速)，經(jīng)5G模塊遠(yuǎn)程高速傳輸至上位機(jī)，并由圖形化編程軟件LabVIEW實現(xiàn)張力、帶速數(shù)據(jù)可視化及實時預(yù)警，可為輸送機(jī)調(diào)速控制模型建立提供數(shù)據(jù)支撐，為分析輸送帶動張力隨帶速非線性變化規(guī)律提供可視化界面，方便管理人員有效監(jiān)管輸送帶運(yùn)行狀態(tài)，有助于加快散料運(yùn)輸智能化建設(shè)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于LabVIEW的帶式輸送機(jī)動態(tài)特性參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該系統(tǒng)將輸送帶動態(tài)特性參數(shù)(張力、帶速)實時采集并傳輸至上位機(jī)，再經(jīng)LabVIEW軟件進(jìn)行匯總、顯示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括數(shù)據(jù)采集終端和上位機(jī)管理軟件2部分。數(shù)據(jù)采集終端包含張力、帶速采集模塊、主控模塊和網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊，實現(xiàn)張力、帶速的采集并遠(yuǎn)程傳輸至上位機(jī)。上位機(jī)管理軟件界面包括用戶登錄界面、數(shù)據(jù)顯示、報警模塊及數(shù)據(jù)保存，可方便管理人員對帶式輸送機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控及干預(yù)。

2 硬件設(shè)計

2.1 張力采集

張力采集模塊包括電阻應(yīng)變式壓力傳感器、運(yùn)算放大器、A/D轉(zhuǎn)換器。壓力傳感器安裝裝置由滾輪、壓力傳感器和支撐板等組成，安放于上輸送帶下方，滾輪與輸送帶測試點(diǎn)直接接觸，滾輪通過螺栓副、三角架與壓力傳感器相連，壓力傳感器通過螺栓副與支撐板相連。壓力傳感器安裝裝置及滾輪處受力分析如圖2所示。

由受力分析知，水平方向滿足：

F2cosα-F1cosα=0

(1)

垂直方向滿足：

T(t)-F1sinα-F2sinα-Fg=0

(2)

又因為F1=F2，故F(t)=F1=F2，則

(3)

式中：F(t)為輸送帶瞬時張力；T(t)為LFP-17傳感器所測瞬時壓力；Fg為滾輪、三角架、螺栓副與LFP-17壓力傳感器重力之和，需靜態(tài)標(biāo)定；α為輸送帶與水平方向間夾角，范圍為5°～15°。

通過傳感器所測壓力，由式(3)算得輸送帶瞬時張力值。

2.2 帶速采集

帶速采集模塊包括光電編碼器、滾輪和聯(lián)軸器，基于光電轉(zhuǎn)換原理實現(xiàn)帶速測量。通過聯(lián)軸器將光電編碼器與滾輪相連，滾輪緊靠輸送帶下表面安裝，光電編碼器選用歐姆龍編碼器E6A2-CS3S 1000P/R，STM32單片機(jī)讀取光電編碼器隨輸送帶運(yùn)行而轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的方波信號，并將數(shù)據(jù)通過RS232轉(zhuǎn)SIM8202G-M2 5G模塊傳輸送至上位機(jī)，實現(xiàn)帶速實時測量，假設(shè)光電編碼器在一定時間T內(nèi)產(chǎn)生的脈沖個數(shù)為N(t)，光電編碼器轉(zhuǎn)軸直徑為D，則輸送帶在t時刻的帶速v(t)為

(4)

2.3 主控模塊

系統(tǒng)主控模塊采用32 bit的STM32F103ZET6單片機(jī)，該芯片CPU主頻可達(dá)72 MHz，包含112個I/O口，6個定時器，512 KB字節(jié)的FLASH閃存程序存儲器，64 KB字節(jié)的SRAM，1個JTAG接口，5個USART異步串口(2個RS232串行接口)以及3路SPI硬件總線等[13]。PC并口轉(zhuǎn)JTAG接口用于調(diào)試主控芯片內(nèi)部程序，因該芯片工作電壓為2.0～3.6 V，則電源模塊采用+3.3 V LDO芯片SPX1117-3.3型將+5 V電源穩(wěn)壓濾波轉(zhuǎn)換為STM32F103ZET6所需的+3.3 V電源，為改善LDO芯片輸出電壓穩(wěn)定性，在輸出端接1個10 μF鉭電容[14]。該主控芯片具備較強(qiáng)抗干擾能力，可適用于工業(yè)產(chǎn)線的現(xiàn)場控制。

2.4 網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊

網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊采用5G模塊SIM8202G-M2，該模塊尺寸小、低功耗及擴(kuò)展能力強(qiáng)，包含標(biāo)準(zhǔn)UART、USB 3.1和GPIO接口，支持多頻段5G WCDMA/LTE-FDD等模塊，支持5G NSA/SA最高2.4 Gbps數(shù)據(jù)傳輸。SIM8202G-M2嵌于配套EVB板上，型號為SIM8200-M2-EVB2_V1.01。因SIM8202G-M2接口支持AT指令，STM32單片機(jī)通過SIM8202G-M2 5G模塊內(nèi)置的TCP/IP協(xié)議棧制定網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，上位機(jī)可對現(xiàn)場SIM8202G-M2模塊發(fā)送AT指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸配置及控制該模塊復(fù)位及開關(guān)機(jī)等，實現(xiàn)高速雙向數(shù)據(jù)傳輸。該模塊供電電壓為3.135～4.4 V，典型值為3.8 V，為防止弱信號環(huán)境下模塊供電電壓不小于3.135 V，需采用大于3 A的LDO/DC-DC電源，并在端口處接420 μF以上電容進(jìn)行穩(wěn)壓濾波。STM32與該模塊通過RS232串口通訊，因RS232電平與STM32輸出的TTL電平邏輯相反，故數(shù)據(jù)交互過程需采用MAX232E芯片實現(xiàn)TTL電平與RS232電平之間的轉(zhuǎn)換[15]。為減少能耗，可通過AT指令“AT+CSCLK=1”將該模塊設(shè)置為休眠模式。

3 軟件設(shè)計

帶式輸送機(jī)動態(tài)特性參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)軟件基于LabVIEW開發(fā)，包含張力采集模塊、帶速采集模塊、數(shù)據(jù)保存模塊，實現(xiàn)參數(shù)顯示與監(jiān)測、報警及數(shù)據(jù)保存查詢等功能。動態(tài)特性參數(shù)(張力、帶速)可保存在STM32單片機(jī)中，上位機(jī)利用VISA函數(shù)實現(xiàn)與底層硬件設(shè)備相連。

3.1 張力采集模塊

張力采集模塊所測輸送帶張力經(jīng)LabVIEW數(shù)值運(yùn)算程序而得。通過“字符串至字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)換”函數(shù)，對送來的字符串以數(shù)組的形式輸出，實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取。該模塊程序采用while循環(huán)隨時監(jiān)測接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，大于0時，數(shù)據(jù)才能讀入，所有數(shù)據(jù)讀取完成后，VISA關(guān)閉函數(shù)關(guān)閉串口通信。張力采集模塊包含報警及報警值記錄功能，將張力值與設(shè)定閾值(1 000 N)比對，若超出該值，則會報警。張力采集程序如圖3所示。

3.2 帶速采集模塊

帶速采集通過STM32讀取光電編碼器脈沖個數(shù)，進(jìn)而獲得輸送帶瞬時帶速。LabVIEW內(nèi)自帶的時鐘模塊，可記錄已用時間，進(jìn)而可計算平均帶速。波形圖表控件及儀表用于帶速的實時顯示，通過“比較函數(shù)”將瞬時帶速與設(shè)定閾值(3 m/s)比對，滿足運(yùn)算符號要求時，布爾指示燈控件和條件結(jié)構(gòu)被激活，報警燈變?yōu)榧t色，同時彈出提醒對話框，實現(xiàn)報警功能，LabVIEW內(nèi)創(chuàng)建表格模塊可實現(xiàn)報警值的記錄。帶速采集程序如圖4所示。

3.3 數(shù)據(jù)保存模塊

數(shù)據(jù)保存模塊通過調(diào)用已用時間、條件結(jié)構(gòu)等實現(xiàn)延時操作，減少數(shù)據(jù)保存數(shù)量。因用戶無法從系統(tǒng)所保存的數(shù)據(jù)本身區(qū)分采集時間，為方便用戶查詢歷史數(shù)據(jù)，程序采用數(shù)據(jù)檢測時間命名文本文件，且采用簡單的.txt文件格式[16]。通過“連接字符串”將張力與帶速寫入文本文件時，必須采用“制表符常量”庫函數(shù)連接，否則數(shù)據(jù)無法有效讀取。數(shù)據(jù)保存程序如圖5所示。

4 系統(tǒng)調(diào)試與分析

監(jiān)測系統(tǒng)前面板集在線監(jiān)測與數(shù)據(jù)保存界面于一體，利用“選項卡”功能可進(jìn)行兩者界面的切換。2個波形圖表控件可實時、準(zhǔn)確地實現(xiàn)帶式輸送機(jī)動態(tài)特性參數(shù)張力、帶速的在線波形顯示，2個數(shù)值輸入控件實現(xiàn)輸送機(jī)張力、帶速閾值設(shè)置，2個布爾指示燈控件用于監(jiān)測輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。

實驗選取槽型二托輥帶式輸送機(jī)實驗平臺作為調(diào)試對象，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。張力測試布置點(diǎn)距離機(jī)頭1.65 m處，帶速采集模塊置于下輸送帶上表面距離機(jī)頭0.8 m處，系統(tǒng)調(diào)試如圖6所示。

表1 帶式輸送機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

0～20 s、120～140 s分別為輸送機(jī)啟、制動過程，由曲線可知，張力與帶速變化趨勢相仿，20～120 s勻速運(yùn)行階段，張力值大致趨于穩(wěn)定；啟、制動段因張力值變化顯著，會對輸送機(jī)造成一定沖擊，但輸送機(jī)總體運(yùn)行狀況正常。調(diào)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)能實時、準(zhǔn)確接收張力、帶速數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，系統(tǒng)監(jiān)測功能良好，能較好地達(dá)到預(yù)期效果。

5 結(jié)束語

基于LabVIEW的帶式輸送機(jī)動態(tài)特性參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)通過電阻應(yīng)變式壓力傳感器、光電編碼器實現(xiàn)輸送帶張力、帶速實時、準(zhǔn)確的采集，系統(tǒng)采用STM32F103ZET6單片機(jī)作為主控芯片，并通過RS232串口轉(zhuǎn)SIM8202G-M2 5G模塊將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸至上位機(jī)，結(jié)合LabVIEW軟件實現(xiàn)帶式輸送機(jī)張力、帶速的自動監(jiān)測，具有界面友好、精度高、移植性強(qiáng)和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)點(diǎn)，該系統(tǒng)配有報警模塊及數(shù)據(jù)保存查詢模塊，可有效提升輸送機(jī)穩(wěn)定性和安全系數(shù)，確保安全生產(chǎn)和物料輸送效率，實驗表明該系統(tǒng)可為構(gòu)建系統(tǒng)全局最優(yōu)的調(diào)速控制模型提供數(shù)據(jù)支撐，為研究輸送帶動張力隨帶速非線性變化規(guī)律提供可視化界面，對加快散料運(yùn)輸智能化建設(shè)進(jìn)程具有一定促進(jìn)作用。