CN103950701B - 一种皮带机控制回路拉线闪断检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种皮带机控制回路拉线闪断故障检测系统，包括电压转换模块、AD采集模块、单片机、Zigbee无线发射模块，通过Zigbee无线发射模块发送电压信号数据，及Zigbee无线接收模块、第一单片机、上位工业触摸屏，通过上位工业触摸屏准确的显示皮带机控制回路拉线电压信号的数据、数据存储、数据分析、故障报警、故障诊断和故障记录，所述的电压转换模块与控制回路拉线开关中接出线端的检测节点连接。通过实时采集皮带机控制回路中电压信号，利用工业无线Zigbee模块进行网络自组建，采用高效的星型拓扑结构进行数据无线传输，并在上位工业触摸屏上进行组态软件开发，能够准确定位皮带机控制回路中产生动作的拉线开关，尤其是解决了皮带机控制回路拉线闪断时故障无法检测的技术缺陷。

Description

一种皮带机控制回路拉线闪断检测系统

技术领域

本发明涉及皮带机故障检测领域，具体是涉及一种皮带机控制回路拉线闪断检测系统，尤其涉及如何实现港口中煤炭运输皮带机控制回路拉线闪断故障的检测和定位。

背景技术

目前，秦皇岛港是世界最大的能源输出港，每年吞吐能力超过2亿吨。煤炭码头皮带长度长达83642.7米。皮带机作为港口的运输设备，具有举足轻重的作用。皮带机沿线长度可达数公里，选择开关、拉线、急停、撕裂、堵斗、电机保护都采用串联连接，一旦线路或安全保护装置出现闪断，会频繁导致皮带机停机，由于沿线长度动辄以公里计数，故障查找起来十分困难，一直是技术人员最棘手的问题。然而，一旦皮带机无保护装置运行会给设备和人身造成巨大的安全隐患，一旦发生安全事故后果不堪设想，轻则造成耦合器喷油、皮带撕扯等机损事故，产生数十万甚至上百万的直接经济损失，重则发生人身伤亡事故，酿成悲剧。

皮带机安全保护装置中数量最多，分布最广的莫过于拉线开关，拉线开关作为设备维修、紧急情况、保护人身安全的安全保护装置，其作用非常重要，但是由于其点多、线长、涉及面广，故障判断起来也是最为困难。目前，拉线保护线路闪断检测方法主要是PLC可寻址拉线开关法。但它明显存在缺陷，供电线路电压发生闪断时，电压跌落到接触器吸合电压之下，接触器断开，此时电压尚未下降到PLC输入点动作电压之下，检测平台不产生报警信号。因此，无法判断闪断故障发生的位置和时间。

闪断故障是指由于线路、接线松动、拉线开关元器件接触不良等原因，在皮带机运行时，由于振动导致线路瞬时断开而引起的故障停机，但是当皮带停机后，线路又保持接通状态，由于皮带沿线动辄数千米的线路，给故障诊断造成极大困难。

发明内容

鉴于上述现状，本发明提供了一种皮带机控制回路拉线闪断故障检测系统。通过实时采集皮带机控制回路中电压信号的方法，能够准确定位皮带机控制回路中产生动作的拉线开关，方便工作人员及时维护，保证高效的运输效率。

本发明的技术解决方案是：一种皮带机控制回路拉线闪断故障检测系统，包括电压转换模块、AD采集模块、第一单片机、Zigbee无线发射模块、Zigbee无线接收模块、第二单片机、供电模块以及上位工业触摸屏，其中电压转换模块的输出端与AD采集模块的输入端连接，AD采集模块的输出端与第一单片机连接，第一单片机的输出端分别与Zigbee无线发射模块以及供电模块连接，第二单片机的输出端分别与Zigbee无线接收模块和供电模块的输入端连接，上位工业触摸屏的RS232串口与第二单片机的USART2串口相连，第一单片机与第二单片机均为STM32F103ZET6单片机。

电压转换模块包括拉线开关接线端子以及公共地，拉线开关接线端子与公共地之间并接两组串联的可调电阻R21以及电阻R22，在两组串联的可调电阻R21以及电阻R22之间连接电容C23，通过两组串联的可调电阻R21以及电阻R22的节点输出电压；电压转换模块与控制回路拉线开关中接出线端的检测节点连接，电压转换模块将控制回路中拉线开关中接出线端的检测节点的交直流110/220V的电压信号转换为-5V到+5V的模拟信号，AD采集模块将电压转换模块给出的-5V到+5V的模拟信号进行模数变换，并将数字电压信号传送到第一单片机。

AD采集模块采用并行模式与第一单片机连接，第一单片机通过RD引脚、CS引脚、RST引脚、BUSY引脚、CVA引脚、CVB引脚、VIO引脚、GND引脚给AD采集模块发送指令，控制AD采集模块进行采样、保持、转换工程，最后将转换得到的16位数值传送到数据总线。AD采集模块16位数据总线D0~D15与第一单片机的PF0~PF15引脚相连，第一单片机的PF0~PF15引脚接收AD采集模块数据总线发送来的数据，并且可以根据实际情况，对检测阈值进行设定。

Zigbee无线发射模块与第一单片机相连，第一单片机通过串行通信方式将电压信号数据发送到Zigbee无线发射模块，Zigbee无线发射模块以无线射频方式将电压信号数据发送，Zigbee无线发射模块的接收引脚RX与第一单片机的USART2串口的发送引脚Tx连接，Zigbee无线发射模块的发送引脚Tx与第一单片机的USART2串口的接收引脚RX连接，两模块电源引脚和地引脚连接。Zigbee无线发射模块以无线射频方式将电压信号数据发送至Zigbee无线接收模块，Zigbee无线接收模块通过串行通信方式将电压信号数据发送到第二单片机。

上位工业触摸屏的RS232串口与第二单片机的USART2串口相连，第二单片机通过串行通信方式将数据发送到上位工业触摸屏的RS232串口。上位工业触摸屏的RS232串口接收引脚RX与第二单片机的USART1串口的发送引脚Tx连接，上位工业触摸屏的RS232串口发送引脚Tx与第二单片机的USART1串口接收引脚RX连接，两个模块中的电源引脚和地引脚分别连接，上位工业触摸屏显示皮带机控制回路拉线电压信号的数据、数据存储、数据分析、故障报警、故障诊断和故障记录，所述故障报警包括一级报警和二级报警，所述一级报警可以确定具体断线拉线的位置，所述二级报警可以确定闪断的故障源所在线路。

本发明的技术特点及效果是：实现了皮带机控制回路拉线断线位置显示和闪断故障诊断，尤其是解决了皮带机控制回路电压发生闪断时，电压跌落到接触器吸合电压之下，接触器断开，传统方法无法判断已发生的闪断现象的问题。本发明通过电压转换模块将皮带机控制回路拉线电压转换为-5V到+5V的模拟信号，等比例完全再现待测电压信号；利用高速AD采集模块实时采集转换后的电压信号，并通过单片机和工业级Zigbee无线发射模块发送出去，节约了电缆成本；采用上位工业触摸屏进行组态王软件开发，设计出一个集数据显示、存储、分析、报警和诊断等多功能为一体的监控系统，提高了皮带机控制回路拉线工作过程的可视化程度，方便了工作人员及时维护，保证高效的运输效率。

附图说明

图1是本发明的控制回路拉线开关分布图；

图2是本发明的控制回路系统结构图；

图3是本发明的检测系统原理图；

图4是图3的电压转换模块设计图；

图5是图3的AD采集模块设计图；

图6是图3的Zigbee无线发送模块设计图；

图7是图3的Zigbee无线接收模块设计图；

图8是图3的上位工业触摸屏接收设计图；

图9是图8的监控界面。

具体实施方式

下面结合附图和解决具体问题的方法，通过搭建的硬件系统以及监控软件作进一步说明。

如图1给出了控制回路拉线开关分布图。包括皮带机1，及分布于皮带机1两侧串联连接的拉线开关2～6，通过拉线开关6接继电器7，其中拉线开关2与控制回路电源正极8连接。

如图2所示的控制系统结构。包括皮带机1、拉线开关2～6、继电器7、控制回路电源正极8、公共地9，及连接于拉线开关2～6中接出线端的检测节点10～14。当所有检测节点的电压信号输出均为0或低于工作电压时，说明1号拉线开关产生了动作。实际过程中，拉线的动作包括人为和非人为，均能够准确检测到。当只有第一个检测节点能够检测到控制回路的正常电压信号时候，说明2号拉线开关产生了动作。依次类推可以准确的判断任何一个位置的拉线开关断线和闪断状态。

如图3给出了检测系统原理图。包括分别与检测节点10～14连接的电压转换模块15、AD采集模块16、第一单片机17、Zigbee无线发射模块18，及依次连接的Zigbee无线接收模块18-1、第二单片机17-1和上位工业触摸屏19。在本实施例中，通过电压转换模块15将图2中的拉线开关2～6待测电压转换为-5V到+5V的模拟信号，通过AD采集模块16将转换后的电压信号进行模数转换，并将数字电压信号数据传送到第一单片机17，由第一单片机17将电压信号数据传送到Zigbee无线发射模块18并发送出去，通过Zigbee无线接收模块18-1接收数据并传送到第二单片机17-1，由第二单片机17-1通过RS232串口将数据传送到上位工业触摸屏19，基于上位工业触摸屏19进行组态王软件开发，完成皮带机控制回路拉线电压信号的数据显示、数据存储、数据分析、故障报警、故障诊断和故障记录。。

上述中的AD采集模块16型号为(AD7606)。

上述中的第一单片机17、第二单片机17-1型号为STM32F103ZET6。

如图4给出了电压转换模块设计图。包括拉线开关接线端子20、公共地9，位于拉线开关接线端子20、公共地9之间并接两组串联的可调电阻R21、电阻R22，在两组串联的可调电阻R21、电阻R22之间连接电容C23，通过两组串联的可调电阻R21、电阻R22的节点输出电压24。通过电压转换模块（未示意）将拉线开关交／直流电压110/220V)转换为-5V到+5V的模拟电压信号。

如图5给出了AD采集模块设计图。包括电压转换模块15，通过电压转换模块15输出端与AD采集模块16输入端连接，通过AD采集模块16输出端与第一单片机17连接，该第一单片机17输出端与供电模块25连接。AD采集模块16采用并行模式与STM32F103ZET6第一单片机17连接，第一单片机17通过RD引脚、CS引脚、RST引脚、BUSY引脚、CVA引脚、CVB引脚、VIO引脚、GND引脚给AD采集模块16发送指令，控制AD采集模块16进行采样、保持、转换工程，最后将转换得到的16位数值传送到数据总线。AD采集模块16位数据总线D0~D15与第一单片机17的PF0~PF15引脚相连，第一单片机17的PF0~PF15引脚接收AD采集模块16数据总线发送来的数据。并且可以根据实际情况，对检测阈值进行设定。

如图6所示的Zigbee无线发射模块设计图。包括第一单片机17(STM32F103ZET6)，通过第一单片机17(STM32F103ZET6)输出端分别与Zigbee无线发射模块18、供电模块25连接。Zigbee无线发射模块18与第一单片机17（STM32F103ZET6）相连，第一单片机17（9STM32F103ZET6)通过串行通信方式将数据发送到Zigbee无线发射模块18，Zigbee无线发射模块18以无线射频方式将数据发送。Zigbee无线发射模块18的接收引脚RX与第一单片机17（STM32F103ZET6）的USART2串口的发送引脚Tx连接，Zigbee无线发射模块18的发送引脚Tx与第一单片机17（STM32F103ZET6）的USART2串口的接收引脚RX连接，将两模块电源引脚和地引脚连接。

如图7所示的Zigbee无线接收模块设计图。包括第二单片机17-1(STM32F103ZET6)、Zigbee无线接收模块18-1、供电模块25。该第二单片机17-1(STM32F103ZET6)的输出端分别与Zigbee无线接收模块18-1和供电模块25的输入端连接。Zigbee无线接收模块18-1通过串行通信方式将数据发送到第二单片机17-1（STM32F103ZET6）。Zigbee无线接收模块18-1的接收引脚RX与第二单片机17-1（STM32F103ZET6）的USART2串口的发送引脚Tx连接，Zigbee无线模块18-1的发送引脚Tx与第二单片机17-1（STM32F103ZET6）的USART2串口的接收引脚RX连接，将两模块电源引脚和地引脚连接。

如图8所示的上位工业触摸屏接收设计图。包括第二单片机17-1(STM32F103ZET6)、上位工业触摸屏19。所述的上位工业触摸屏19的RS232串口与第二单片机17-1（STM32F103ZET6）的USART2串口相连，第二单片机17-1（STM32F103ZET6）通过串行通信方式将数据发送到上位工业触摸屏19的RS232串口。上位工业触摸屏19的RS232串口接收引脚RX与第二单片机17-1（STM32F103ZET6）的USART1串口的发送引脚Tx连接，上位工业触摸屏19的RS232串口发送引脚Tx与第二单片机17-1（STM32F103ZET6）的USART1串口接收引脚RX连接，将上述两个模块中的电源引脚和地引脚分别连接。本实施例采用搭载了Windows XP系统的上位工业触摸屏作为监控中心，进行组态王软件开发，实现皮带机控制回路拉线电压信号的数据显示、数据存储、数据分析、故障报警、故障诊断和故障记录。

如图9所示的上位工业触摸屏监控界面图。基于组态王软件进行监控软件开发，完成数据显示、数据存储、数据分析、故障报警、故障诊断和故障记录。其中，一级报警指的是拉线开关动作后造成的皮带机停机，一级报警配合报警界面可以准确的查看具体断线拉线的位置；二级报警配合报警界面可以查看产生闪断的故障源所在线路段，系统中指定位置上的拉线按照实际拉线布局进行编号，分别对应1，2，3，4，5。组态王通过调用控件和相应的程序分析模块，对接收到的数据进行整合评价，主要包括阈值设置检测，实时曲线绘制，历史曲线绘制。监控系统软件能够实现5个检测节点同步电压实时显示、曲线对比和故障诊断(云诊断子控件作用)。当皮带机控制回路拉线某处电压发生闪断时，系统能够通过5个检测节点电压综合对比分析，给出闪断发生的具体位置，如1号拉线和2号拉线之间，在得到了具体定位后，维修工作人员可迅速到达指定位置进行检修，排除故障隐患。

Claims (1)

1.一种皮带机控制回路拉线闪断故障检测系统，其特征在于，包括电压转换模块（15）、AD采集模块（16）、第一单片机（17）、Zigbee无线发射模块（18）、Zigbee无线接收模块（18-1）、第二单片机（17-1）、供电模块（25）以及上位工业触摸屏（19），其中电压转换模块（15）的输出端与AD采集模块（16）的输入端连接，AD采集模块（16）的输出端与第一单片机（17）连接，第一单片机（17）的输出端分别与Zigbee无线发射模块（18）以及供电模块（25）连接，第二单片机（17-1）的输出端分别与Zigbee无线接收模块（18-1）和供电模块（25）的输入端连接，上位工业触摸屏（19）的RS232串口与第二单片机（17-1）的USART2串口相连，第一单片机（17）与第二单片机（17-1）均为STM32F103ZET6单片机；

电压转换模块（15）包括拉线开关接线端子（20）以及公共地（9），拉线开关接线端子（20）与公共地（9）之间并接两组串联的可调电阻R21以及电阻R22，在两组串联的可调电阻R21以及电阻R22之间连接电容C23，通过两组串联的可调电阻R21以及电阻R22的节点输出电压，电压转换模块（15）与控制回路拉线开关中接出线端的检测节点（10-14）连接，电压转换模块（15）将控制回路中拉线开关中接出线端的检测节点（10-14）的交直流110/220V的电压信号转换为-5V到+5V的模拟信号，AD采集模块（16）将电压转换模块（15）给出的-5V到+5V的模拟信号进行模数变换，并将数字电压信号传送到第一单片机（17）；

AD采集模块（16）采用并行模式与第一单片机（17）连接，第一单片机（17）通过RD引脚、CS引脚、RST引脚、BUSY引脚、CVA引脚、CVB引脚、VIO引脚、GND引脚给AD采集模块（16）发送指令，控制AD采集模块（16）进行采样、保持、转换工程，最后将转换得到的16位数值传送到数据总线，AD采集模块16位数据总线D0~D15与第一单片机（17）的PF0~PF15引脚相连，第一单片机（17）的PF0~PF15引脚接收AD采集模块（16）数据总线发送来的数据,并且根据实际情况，对检测阈值进行设定；

Zigbee无线发射模块（18）与第一单片机（17）相连，第一单片机（17）通过串行通信方式将电压信号数据发送到Zigbee无线发射模块（18），Zigbee无线发射模块（18）以无线射频方式将电压信号数据发送，Zigbee无线发射模块（18）的接收引脚RX与第一单片机（17）的USART2串口的发送引脚Tx连接，Zigbee无线发射模块（18）的发送引脚Tx与第一单片机（17）的USART2串口的接收引脚RX连接，两模块电源引脚和地引脚连接，Zigbee无线发射模块（18）以无线射频方式将电压信号数据发送至Zigbee无线接收模块（18-1），Zigbee无线接收模块（18-1）通过串行通信方式将电压信号数据发送到第二单片机（17-1）；

上位工业触摸屏（19）的RS232串口与第二单片机（17-1）的USART2串口相连，第二单片机（17-1）通过串行通信方式将数据发送到上位工业触摸屏（19）的RS232串口，上位工业触摸屏（19）的RS232串口接收引脚RX与第二单片机（17-1）的USART1串口的发送引脚Tx连接，上位工业触摸屏（19）的RS232串口发送引脚Tx与第二单片机（17-1）的USART1串口接收引脚RX连接，两个模块中的电源引脚和地引脚分别连接；

上位工业触摸屏（19）显示皮带机控制回路拉线电压信号的数据、数据存储、数据分析、故障报警、故障诊断和故障记录，所述故障报警包括一级报警和二级报警，所述一级报警确定具体断线拉线的位置，所述二级报警确定闪断的故障源所在线路。