基于STM32的煤矿皮带机保护器.pdf

126 ELECTRONICS WORLD・技术交流 本文设计一款煤矿用带式输送机 综合保护装置，适用于矿用皮带机苛刻 的运行环境，本装置以保护和控制为核 心，可以实时采集皮带机多种运行状态 数据，快速发现异常和故障状态，并对 皮带机进行报警及停车保护。和传统皮 带机保护器相比，抛弃了复杂的功能设 计，优化了功能，具有结构简单、使用 方便、低成本、高可靠性的优点。 皮带传送机是煤矿生产中的重要设 备，随着现代电子技术的发展，自动化 设备越来越多的应用在煤矿生产中。皮 带传送机被广泛的应用在煤矿的采集运 输环节，负责煤矿自动传送任务，其安 全运行越来越得到人们的关注，皮带机 保护器的研制，可以监测皮带传送机运 行状态，及时发现皮带机打滑、过温、 堆煤、撕裂等问题，防止安全事故的发 生。皮带机保护器已经成为煤矿安全生 产中的重要设备。 1 系统原理设计 皮带机保护器系统主要通过多种传 感器采集皮带机运行状态数据，皮带机 哈尔滨光宇电气自动化有限公司 陈 琦 基于STM32的煤矿皮带机保护器 界面供操作人员查看，也可以通过通讯接口传递给后 台计算机。 皮带机保护器设计时，电源部分通常为交流36V 或交流127V电压输入，煤矿用设备电源需要本安设 计，一般不采用频率较高的开关电源芯片，以防止出 现安全事故，而是较多使用LDO芯片降压；人机交互 模块使用LCD液晶显示皮带机当前状态，也可以通过 按键设置当前皮带机的定值信息。当出现异常，保护 器系统会自动生成故障报文，可以在液晶上提供给用 户查看。皮带机保护器具有语音告警功能，可以根 据皮带机状态，发出语音提示，第一时间把消息通 知现场人员；皮带机保护器的核心部分使用微控制 器，微控制器可通过各种传感器采集皮带机的状态 信息，比如运行、断带、堆煤、过温、打滑、撕裂 等状态。控制器模块采集到相应状态后，通过逻辑判 断，通过控制出口调整控制皮带机运行方式。并把状 态信息发给人机接口模块。供操作人员查看。如果发 生状态事件，控制模块会通知人机接口模块语音报 警，待故障消失，恢复皮带机正常运行。并通知人 机接口模块显示正常运行信息。 2 硬件设计方案 带式输送机综合保护器硬件主要由五部分组成 电源没模块、人机交互模块、主控模块、开入采集模 图1 皮带机保护器系统框图 图2 皮带机保护器硬件结构图 保护器通过对数据分析，可判断出皮带 机工作是否正常。如发现数据异常则保 护器可控制动作出口，调整皮带机运行 状态，并给出报警，避免发生较大事 故。皮带机运行数据信息可以通过人机 块及控制开出模块。 电源模块为整个系统提供电能，可以使用交流 36V或交流127V电压输入，依次通过变压器、整流 电路、滤波电路、稳压电路，转换为12V直流电压输 出。然后通过LM317和LM1117 LDO芯片将电压转换为 127 ELECTRONICS WORLD・技术交流 3.3V供微控制器，因为LDO芯片上压降损耗 会导致发热，可以使用多级LDO串联方案， 这样多颗芯片分担功耗的方法可以有效降低 温度。 人机交互模块是皮带机保护器和用户之 间的通信桥梁，为了降低成本，显示面板采 用一只128*64点阵的单色LCD，面板上设 计五个按键，功能依次为启动、停止、确 认、复位、故障记录查询。设计11只LED指 示灯，分别在液晶上下两侧，其中下部分指 示灯功能为电源指示灯、有无保护状态指示 灯、皮带运行状态指示灯；液晶上部指示灯 为机器编号指示。显示面板通过扁平电缆连 接主控模块。 主控模块是皮带机保护器的核心，主要 负责各个功能模块数据处理和逻辑判断。 主控模块微控制器选用了STM32F103芯片， 是意法半导体公司生产的ARM Cortex-M3内 核的32位控制器，其功能强大，内部功能 接口丰富，具有较高性价比。芯片时钟频 率可达72Mhz，具有多个定时器、多个 UART串行接口，内置软件看门狗等。主 机无异常，则保持皮带机运行的开出控制状态，如果检测皮带机异常， 并根据异常类型生成报警信息，开启语音报警功能，调整开出状态，使 皮带机停机。接下来程序判断各个功能按键是否被按下，如果有按键下 液晶显示对应状态。如当前无功能键按下则LCD液晶显示皮带机各个传 感器对应的数据信息和当前状态信息。 按键相关程序设计为，停止和开启按键按下时，对应开出继电器接 点相应连接和断开；复位按键按下时，系统复位；查询报文按键按下可 选择报文信息目录，按确认键显示信息；另外按键具有设置保护器的ID 号和清除报文信息的功能设计。 4 结语 基于STM32的皮带机保护器装置，具有结构简单，使用方便，制作 成本低，用到的技术方案成熟的优点。可以广泛应用在各种煤矿皮带机 上，还可根据需要扩展保护功能。本皮带机保护器对煤矿皮带机设备故 障排除和煤矿安全生产起到积极作用。 通讯作者陈琦（1982），男，统招本科，高级工程师，主要从 事继电保护和电力电子产品开发研究工作。 图3 皮带机保护器软件流程图 控模块STM32芯片使用GPIO引脚和开入采集模块、开出 控制模块连接，通过UART2接口扩展为RS485接口可与上 位机连接。当皮带机状态改变，主控模块会控制语音报警 芯片发出语音提示。 开入采集模块与开出控制模块原理比较简单，开入采 集模块实现采集皮带机各部位传感器信号，这些信号经过 转换后传递给主控制器。这些传感器使用本安型矿用传感 器，如速度、跑偏、堆煤、温度、烟雾等传感器，为了增强 可靠性，开入信号需要通过光电转换器进行隔离；同理，开 出控制模块将控制信号通过光电转换电路后，控制继电器 出口动作。 3 软件设计方法 皮带机保护器，需要从可靠性、实时性、易用性等几 个方面进行软件设计。皮带机保护器上电后的几秒钟建立连 接，皮带机正常运行时，指示灯为1s内闪烁一次。皮带机异 常时，保护器的故障指示灯常亮发出告警。 系统软件流程如图3所示。装置上电后，首先硬件初始 化，STM32芯片的定时器、IO引脚、运行灯及串行通讯接口 初始化，设置好串口对应通讯的波特率以及数据格式。接下 来控制器读取各个传感器采集的状态并进行判断，如果皮带