（机械电子工程专业论文）矿井提升容器运行状态监测的应用研究.pdf

论文题目 矿井提升容器运行状态监测的应用研究 专业 机械电子工程 硕士生 王强 签名 垒兰墨 指导教师 何万库 签名 堑受盘 摘要 深度指示器实时地反映着矿井提升容器的运行状况 对矿井安全生产起着至关重要 的作用 新的提升机通常配备数字式深度指示器 在性能上明显优于机械式深度指示器 由于更换此类提升机配套设备费用昂贵 且影响生产 因此 针对在用老式提升机的深 度指示器的数字化改造就变得非常必要 近年来 微型计算机逐渐普及 单片机功能日益强大 同时 其价格也在降低 利 用这些通用芯片和设备对在用老式深度指示器进行数字化改造 不但可以达到目前新型 提升机深度指示器的性能指标 丽且其费用也相对较小 便于推广 本系统针对我国部分煤矿在用机械式深度指示器进行数字化改造 采用单片机采集 系统作前置机 应用单片机和光电编码器进行位移信息的采集和转换 单片机选用廉价 的a t m e g a s 芯片 选用i c c 编程软件 快速 便捷且可移植 上位机监测软件采用d e l p h i 7 可视化集成开发工具 其强大的控件库和数据库功能大大简化了w i n d o w s 应用程序的 编写工作 从而节省了应用程序的开发周期 降低了开发成本 前置机和上位机的数据 交换通过连接两者的通信线路进行 通过实验室模拟测试证明 本系统运行可靠 测量精度高 监测软件功能齐全 界 面友好 在信号采录过程中没有数据丢失现象 本系统应用在现存老式提升机上 不仅 降低了改造费用 而且在性能上接近于新式数字式深度指示器 关键词 矿井提升机 深度指示器 改造 d e l p h i 监测软件 单片机 通信 数据采集 研究类型 应用研究 s u b j e e r a p p l i c a t i o nr e s e a r c ho nt h em o n i t o ra n dm e a s u r eo fm i n e h o i s t e rc o n t a i n e r sr u n n i n gs t a t u s s p e c i a l t y m e c h a t r o n i e se n g i n e e r i n g n a m e w a n gq i a n g i n s t r u c t o r h ew h nk n a b s t r a c t s i g n a 佃哦j 纽臣么掣 脚g 的细哟型垒塑鱼 丝 t h ed e p t hi n d i c a t o rr e a l t i m e l y 硎 砸gt h eo p c r 鲥o no f m i h o i s t e rc o n t a i n e ri sv i t a l t ot h ep l n i u c t i 翻把够o fm m c t h ep i 托f o 衄1 a n c eo fn e wt y p cm i 鹏h o i s t e ri su s u a l l y e q u i p p e dw i t hd i g i t a ld e p mi n d i c a t o r w h i c hi sb e t t e rt h a nt h a to ft h em e c h a n i c a ld e p t h i n d i c a t o r b e c a u s et h ee x p e n s i v ec o s ta n di m p a c t i n go nt h ep r o d u c t i o no fe x c h a n g i n gt h i s k i n do fc o m p l e m e n to fm i n eh o i s t e z i ti si n c r e a s i n g l yn e c e s s a r yt ot r a n s f o r mt h eo j dt y p e d e p t hi n d i c a t o ro f t h eu s i n gh o i s t e ri n t oad i g i t i z a t i o no n e i n x 砌y e a r s w i t ht h em i c r o c o m p u t e rg r a d u a l l yg a i n i n gg r o u n d t h ef u n c t i o no f m c u b e c o m e sm o r ep o w e r f u l m e a n w h i l e i t sp r i c ei sr e d u c i n g t h ed i g i t i z a t i o nt r a n s f o r m a t i o no f t h eo l dt y p ed e p t hi n d i c a t o ru s i n gt h eu n i v e r s a lc h i pa n de q u i p m e m 伽n o to n l yt a k et h e p e r f o r m a n c eo fa l r t e 眦n c wd i g i t a ld e p t hi n d i c a t o ri n t ot h eu s i n go l dm i n eh o i s t e rb u ta l s o l o w e rt h ec o s to f t r a n s f o r m a t i o na n db ec o n v e n i e n c et op r o m o t e a i m i n g 砒t h ed i g i t i z a t i o nt r a n s f o r m a t i o no ft h eu s i n gm e c h a n i c a ld e p t hi n d i c a t o ri n s o m em i n e so fo u rc o u n t r y t h ec o l l e c t i n gs y s t e mo fm c uw a ss e l e c t e da st h em o n i t o r i n g t e r m i n a li nt h i ss y s t e m m c ua n dp h o t o e l e c t r i ce n c o d ew e r eu s e dt oc o l l e c ta n dt r a n s f e rt h e i n f o r m a t i o no fd i s p l a c e m e n t t h ea t m e g a 8c h i pw a ss e l e c t e dd u et oi t sl o wc o s t t h ei c c p r o g r a m m i n gw a sd u et oi t sf a s t c o n v e n i e n ta n de a s i l yt r a n s p l a n t a b l ep e r f o r m s t h e c o m p u t e rc e n t e rc o n t r o ls o r w a r eu s e sd e l p h i 7v i s u a li n t e g r m e dd e v e l o p i n gh l s t r u m e n t s w i t h t h eh e l po fi t sp o w e r f u lc o m p o n e n tp a n sa n dd a t a b a s ef u n c t i o n t h ew o r kf o rw r i t i n gt h e a p p l i c a t i o np r o g r a mi ss h o r t e n e d a n dt h ec o s to fd e v e l o p m e n ti sr e d u c e da sw e l l t h ed a t a e x c h a n g eb e u w e e nt h em o n i t o r i n gt e r m i n a la n dt h ec o m p u t e rw a sr e a l i z e dt h r o u g ht h e c o m m u n i c a t i o nl i n e sl i n k e de a c ho t h e r s i ti sp r o v e dt h a t t h es y s t e mw o r k ss t e a d i l yw i t hh i g ha c c u r a c y t h ef u n c t i o no f m o n i t o r i n g s o f t w a r ei sc o m p l e t e d t h es o f t w a r ei su s e r f r i e n d l y a n dt h e r ei sn oc i r c u m s t a n c eo f l o s i n g d a t ad u r i n gt h ep r o c e s so fc o l l e c t i n ga n dr e c o r d i n gi n f o r m a t i o nb yt h es i m u l a t et e s ti n l a b o r a t o r y i fu s e do nt h eo l dt y p em i n eh o i s t e r t h es y s t e mm a yr e d u c et h ec o s to f t r a n s f o r m a t i o n a n di ti s a l s o s i m i l a rt ot h en e wd i g i t a ld e p t hi n d i c a t o ri nt h ep e r f o r m a n c e k e y w o r d s m i n eh o i s t e r d e p t hi n d i c a t o r t r a n s f o r m d e l p h i m o n i t o r i n gs o f t w a r es i n g l ec h i pc o m p u t e r c o m m u n i c a t i o n d a t ag a t h e r i n g s t u d ys t y l e a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 西要错技太挲 学位论文独创性说明 本人郑重声明 所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果 尽我所知 除了文中加以标注和致谢的地方外 论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名 盈写互日期 z 矽7 1 田争勿 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定 即 研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学 学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版 本人允许论文被查阅和借阅 学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文 同时本人保证 毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学 保密论文待解密后适用本声明 学位论文作者签名 丑弦 指导教师签名 彳 f 歹硌 研年4 月历日 1 绪论 1 1 课题背景 l 绪论 矿产资源在国民经济中起着非常重要的作用 近年来 煤 铁 铜等的价格都在一 路飚升 形成大力开采的形势 与此同时 矿井事故也频频发生 从而产生巨大的经济 损失和人员伤亡事故 安全采矿日益成为重中之重 亟待从各个方面进行改进和加强 矿井提升机是矿山生产的关键设备 被喻为矿山的 咽喉 它担负着矿石 矸石 的提升 设备和材料的下放以及人员的升降等主要任务 在整个矿山生产中占有重要的 地位 这就要求矿井提升机的运行应安全 可靠 高效 而且停车位置要准确 这些指 标具体到提升机系统中 就是要求提升容器的运行要安全正常 并能通过提升容器的运 行情况进行提示和控制 如 在紧急故障时 可安全制动 使提升容器平稳停止 运行 时 故障率低 可长时间安全工作 在安全的前提下 尽可能缩短提升循环时间 包括 运行 停止时间 从而达到高效运行的目的 出现故障时 能迅速判断故障原因并进 行修复和维护 在提升机具体运行过程中 提升容器的运行由提升机司机根据深度指示 器的指示信息进行操控 因此 深度指示器的性能直接影响到提升系统的生产运行情况 1 2 国内外的发展现状 矿井提升机是机 电 液一体化的大型机械 是矿井生产的咽喉 其运行安全性直 接影响着矿井的生产能力和人员 设备的安全 因此 国内外对提升的安全问题都极为 重视 目前已开展的主要工作包括三个方面 一是制定有关提升运行安全法规 如英 德 美 法 南非 前苏联和我国都对此制订了相应的法规 二是采用定期维修和定期 检测 三是研制状态监测和后备保护装置 该方面国外的代表性成果有a b b 公司 g h i i 公司和s i m a g 公司的提升机监控系统 他们已实现了提升系统中大部分参数的监测和控 制 加拿大的h c p b u r n 提升机管理系统 由主操作界面进行提升操作 系统提供罐笼或 箕斗的位置信息 提升速度 电枢电流和电压 励磁电流和闸的压力等信息哪 我国广 东韶关凡口矿新副井提升机上安装的数字多功能深度指示器m d d i m u l t i f u n c t i o nd i g i t a l d 印mi n d i c a t o r 是一集控制 监视 保护和罐笼深度指示等多功能于一体的装置 我国提升设备中 交流拖动设备大多使用t k d 电器控制系统 控制部分是由继电器 接触器 测速发电机等组成的有触点控制系统 其系统控制精度低 而且硬件接线繁杂 故障率高 深度指示器有机械牌坊式 圆盘式和数字式三种 我国多使用机械牌坊式及圆盘式 深度指示器 而数字式深度指示器只在新型的提升机上使用 西安科学大学硕士学位论文 1 机械牌坊式深度指示器的优 缺点 机械牌坊式深度指示器的优点是 指示清楚 工作可靠 直观性强 维护简便 缺点是 体积比较大 指示精度不高 由于是采用机械传动方式 因而不便于实现 提升机的远距离控制 机械牌坊式深度指示器适用于多水平提升或凿井用 目前在提升机中应用较多 2 圆盘式深度指示器的优 缺点 圆盘式深度指示器的优点 结构紧凑 外形尺寸小 具有粗指示又有精指示 能够 鞍精确的指示提升容器的停止位置 指示误差不超过1 0 0 m m 采用了自整角机同步电 传联系 便于实现提升机的远距离控制 圆盘式深度指示器的缺点 电气系统比较复杂 需要较高的维修水平 司机在停车 时观看指针位置不如观看牌坊式深度指示器的指标位置习惯 前者为圆盘式指示 只能 表示向上运行的那一钩容器的位置 而不能同时表示向下运行的另一钩容器的位置 后 者为立体式指示 能同时表示上下两钩容器的位置嘲 牌坊式深度指示器和圆盘式深度指示器 虽然各有长短 但其共同点为机械结构复 杂 不便安装 维护 功能单一 可扩展性差 只有简单的限位保护功能 没有更多的 判断和数字动态比较功能 系统安全保护环节不全面 对提升容器运行情况只有瞬态显 现 无曲线显示和记录功能 且总体精度差 因此 故障显示不直观 分析查找故障难 度大 当出现故障时 问题查找困难 1 3 课题的主要内容 在矿井生产系统环节当中 主井提升系统容易出现瓶颈效应 一旦出现提升故障将 影响全矿井的正常生产和工作人员的安全 因此 提升容器的安全正常运行就是矿井生 产中的一个至关重要的环节 针对目前矿井仍大量使用t k d 控制系统提升机 其深度指 示器大都采用机械牌坊式深度指示器和圆盘式深度指示器的状况 本课题对其进行数字 化改造 使用单片机采集提升机卷筒转动信息 换算提升容器当前位置 速度等相关信 息 从而 避免机械式深度指示器的诸多弊端 增加对提升容器的更多参数的监测 及 早发现运行中的某些隐患 使矿井生产更安全 更持久 随着单片机的飞速发展 目前 功能强大的a v r 系列单片机集成了a d 转换 定 时计数器 u s j 虹盯通讯等功能 对于完成矿井提升机的运行监测提供了充足的硬件支 持 加上高集成的传感器和液晶显示模块 可以明显减少当前测控和显示系统的复杂性 而采集的数据在精确程度上也有大幅度的提高 针对上述的现状 问题和当前的硬件资源情况 设计一套使用计算机监测矿井提升 容器运行情况的系统 其包含提升机运行信息采集器和计算机监测应用软件 完成的功 能包含深度指示器的所有功能和运行情况的显现 记录及复现等 其功能对比表如表1 1 2 1 绪论 所示 表1 1 深度指示器主要功能及用途和本课题开发的提升机速度监测系统的功能比较表 1 4 课题的主要意义 从世界矿井提升机的发展趋势看 各国对于提升机的可靠性都非常重视 在设计和 制造中对于可能出现故障的各个重要环节上遵循冗余和多样化技术原则 除了十分重视 矿井提升机的制造质量外 还设有各种检测 控制 自诊断以及记录和保护装置 如负 载 速度 温度 加速度 产量 运行时间等等记录 计算机和数控已经成为电控的 普遍设备 通过专用的计算机软件 对提升系统进行实时监控 随着网络化的进一步发 展 提升机的运行情况 通过数据传送 在服务器上进行记录 依据这些数据 可以对 提升机的运行情况进行比较 分析 给出相应的措施 防患于未然 在出现故障时 可 以通过这些数据进行分析 从而快速排除故障 从中吸取经验教训 在下一次同样的故 障出现之前 予以排除 矿井提升机的监测 国内外的 些厂家大都基于p l c 进行开发 生产出自动化 智能化 网络化的矿井提升机控制系统 依据我国矿业的现状 提升设备相对比较落后 如果全盘否定 进行现代化改造 不仅影响生产的持续进行 更重要的是相应的费用比 较昂贵 因此 考虑到经济价值 采用基于单片机技术的数据采集 分析 显示和传送 西安科学大学硕士学住论文 就比较理想 这样 不但在性能上接近于先进提升设备的性能 而且保证了矿井的持续 安全生产和费用的有效控制 对矿井提升容器运行情况检测设备的数字化改造 利用微型单片计算机监测矿井提 升容器的运行状态 使之具有一定的数字化功能 可以解决机电控制系统难以解决的问 题 微型计算机的日益普及化 使得矿井提升机的运行监测的计算机监控可行性明显提 高 通过单片机 前置机 与微型计算机 上位机 之间的通讯 可以完成数据的采集 及控制 实时记录提升机的运行参数 以便在遇到故障时进行诊断 和模拟控制系统相 比 基于单片机而开发的矿井提升机的监测系统具有以下优势 1 监测精度高 参数稳定性好 基于单片机的监测系统设有微处理器 整个监测 功能与算法都由软件完成 参数一经确定就不会发生改变 所以监测精度高 工作稳定 性好 而模拟系统 控制参数离散性大 所以控制精度低 工作稳定性差 2 硬件结构简单 敌障点少 可靠性高 基于单片机的监测系统的硬件电路均采 用大规模和超大规模集成电路构成 元器件少 结构简单 故障点少 可靠性高 模拟 系统以分立元件为主 元器件多 线路复杂 故障点多 可靠性差 3 故障自诊断能力强 可大大降低使用维护成本 基于单片机的监测系统中 硬 件工作状态可以通过软件来反映 软件运行情况也可以通过硬件来监视 这样 软 硬 件故障可以通过指示直接反映出来 维护方便 而模拟系统线路复杂 一旦发生故障 很难查找 维护极为不便 4 成本低 性价比高 易于推广 随着电子技术的发展 集成器件的成本越来越 低 与此同时 基于单片机的监测系统的成本也将越来越低 基于单片机的监测系统的 价格不但低而且性能好 于是性价比就高 容易被用户接受 便易于推广了 5 加强了通讯功能 可以很方便地与矿井调度室和其它微机联网进行通讯 便 于现代化管理 基于单片机的监铡系统 由于单片机的内部接口丰富 可以和微型计算 机联接而形成网络 模拟系统在这 点上无法与之匹敌 6 提升机司机通过计算机显示器进行监测 在监测程序上可以做到 界面友好 信息点清晰 从而减少操作中的失误 对安全生产起到一定的保护作用 例如 以往提 升容器的运行靠司机经验控制加速 减速和停车 经常出现 过早减速 导致爬行距 离过长而影响提升机运行效率 过迟减速 导致罐笼冲过停车点 伽 采用监控软 件进行监测 给提升机司机操作提供可靠的动作提示和保护 就可在一定程度上避免不 必要的失误 4 2 系统组成简介 2 系统组成简介 本课题研究单片机在矿井提升容器运行状态监测中的应用 开发出矿井提升容器运 行情况的信息数字化采集及处理 给提升机司机以准确 明显的显示和提示 保留原有 系统 改造后 同时共存两套相互独立的检测系统 为矿井提升机的安全运行提供后备 保护监测系统 本课题总体上可分数据采集系统和数据分析系统 数据采集系统也就是通常说的前 置机系统 分为a t m e g a 8 单片机 外围传感设备 包含硬件部分和软件部分 主要用来 采集提升机的运行信息 并作一些相应的计算 显示和控制 数据分析系统为通常所说 的上位机软件 主要用来进行数据的记录 绘制曲线和分析 上位机采用普通的微型计 算机 前置机和上位机之河采用串行联接 总体布局如图2 1 所示 安全回路 口通 图2 1 构架示惹图 硬件系统目标 1 采集并显示提升容器当前位置 速度和加速度 2 在匀速提升过程中 超过限定速度的1 5 进行安全制动 3 在减速点 触发减速信号 配合信号接触器动作进行自动减速 4 在减速过程中 速度超出限定速度1 0 则进行安全制动 5 过卷时 向过卷系统发送信号 过卷系统的具体操作 打开过卷开关的触头 断开安全回路 提升机实行安全制动 6 采集拖动电机电流情况 二期开发研究 软件系统目标 1 明确显示提升机位置及运行方向 2 实时显示提升容器速度 加速度 并绘制曲线 3 可指定速度标准曲线 用于实际曲线图的对比 分析 5 西安科学大学项士学住论文 4 对每班数据进行储存 用于日后查询 复现和分析 5 当提升速度异常时 显示前置机当前保护措施行为 6 3 数据采集系统设计 3 数据采集系统设计 数据采集系统为硬件部分 利用单片机的计数器对旋转式增量编码器产生的信息进 行处理 数据采集系统的主要功能是实时采集提升机的运行信息 并予以显示 采集量包括 提升机运行速度和加速度 提升容器当前位置和提升机的拖动电动机定子运行电流情 况 位移信号采集原理 提升容器的运动在卷筒上反映为卷筒主轴转动的角度 增量式 光电旋转编码器安装在提升机卷筒的主轴上 卷简每转动一定的角度 在增量式旋转编 码器上有相应的脉冲信号输出 根据这些脉冲信号和固定的初始信息就能确定提升容器 当前运行情况 3 1 数据采集系统的外部接口 本数据采集系统相关的外部接口有提升机的安全回路和减速回路 3 1 1 提升机安全回路 提升机安全回路同安全保护装置相配合 在发生意外的情况下能自动将提升电动机 的电源切断 并使提升机实行安全制动 因此 安全回路是保证矿井提升安全的提升机 控制部分的重要环节 i j c i厂 r u f 驭蚝麒f 取k 饥取惋 a r a r f hr v z 图3 1 提升机安全回路 a 瞅全控制接触器的吸力线圈 j x k i j 1 0 0 0 0 次 5 1 2 字节的e 2 p r o m 擦写次数为1 0 0 0 0 0 次 i k 字节的内部s r a m a t m e g a 8 集成的外部性能相当丰富 包括8 通道a d 转换 6 路1 0 位a d 2 路8 位a d 1 个可编程的串行u s a r t 接口 支持同步 异步以及多机通信自动地址识别 液晶显示选用r t l 6 0 2 型字符型液晶显示模块 是一种专门用于显示字母 数字 符号等点阵式l c d 目前常用1 6 1 1 6 2 行等的模块 另外 选用合适的光电测速传 感器 电流互感器 此项设备在当前的矿井提升机中已经有使用 3 3 开发单片机程序工具的选择及特性 本系统开发选用的软 硬件工具以常用为主 编写编译软件选用i c c a v r 调试软 件选用a v rs t u d i o 烧写程序选用p o n y p r 0 9 2 0 0 0 开发实验板选用a v r 5 1 多功能开发 板 1 编写编译软件 i c c a v r 是一种使用a n s i 标准c 语言来开发微控制器 m c u 程序的一个工具 它有以下几个主要特点 i c c a v r 是一个综合了编译器和工程管理器的集成工作环境o d e 是一个纯 3 2 位的程序 可在w i n d o w s 9 x n t 下运行 8 3 数据采集系统设计 源文件全部被组织到工程之中 文件的编辑和工程的构筑也在i d e 的环境中完 成 编译错误在状态窗口中显示 用鼠标单击编译错误时 光标会自动跳转到编辑窗口 中引起错误的那一行 这个工程管理器还能直接产生i n t e lh e x 格式的烧写文件和符 合a v rs t u d i o 的调试文件 c o f f 格式 i c c a v r 是一个3 2 位的程序 支持长文件名 i c c a v r 提供了全部的库源代码及一些简单的应用实例供初学者参考 特别是 提供库源代码 对于用户理解库函数的参数及返回值等是非常有益的 并且用户能根据 库源代码对i c c a v r 提供的库函数进行剪裁和扩充 2 调试软件 软件仿真器对于调试软件很有用 所以有时候被称作调试器 d e b u g g e r 大部分调 试器都包含一些开始 停止和跟踪 s t e p 方法 多数也都允许用户将寄存器和变量值 设置为最大 甚至直接修改它们的值 它们对于找出程序为什么不按照希望的方式执行 很有帮助 a v rs t u d i o 是一个a u n e la v r 系列的软件仿真器 使用的文件的扩展名 为 c o l 用a v rs t u d i o 软件模拟单片机的运行 在电脑上观察单片机执行情况是否符合 我们的要求 3 烧写软件 使用p o n y p m 9 2 0 0 0 软件下载h e x 文件 4 实验开发板 选用艄像 5 l 多功能开发板 如图3 3 图3 3a v r 5 1 多功能开发板 9 西安科学大学硕士学位论文 3 4 嵌入软件系统设计 烧写到单片机中的软件 其程序属于一个小系统 采用通常的前 后台系统 f o r e g r o u n d b a c k g r o u n d 或称作超循环系统 s u p e r l o o p s 1 l j 应用程序是一个无限的循环 循环中调用相应的函数完成相应的操作 这部分可以 看成后台行为 b a c k g r o u n d 中断服务程序 i s r 处理异步事件 这部分可以看成前 台行为 f o r e g r o u n d 后台也可以叫做任务级 前台也可以叫做中断级 时间相关性很 强的关键操作 c r i t i c a lo p e r a t i o n 一定是靠中断服务来保证的 因为中断服务提供的信 息一直要等到后台程序运行到该处理这个信息时 才能得到处理 这种系统在处理信息 的及时性上 比实际上可以做到的要差 处理信息的及时性 称作任务级响应时问 最 坏情况下的任务级响应时间取决于整个循环的执行时间 因为循环的执行时间不是常 数 程序经过某一特定部分的准确时间也不是确定的 如果程序修改了 循环的时序也 会受到影响 3 5 数据采集 下位机采集的信息有提升容器的位置 速度和加速度 信号源来自安装在提升机卷 筒轴上的增量式光电旋转编码器 3 5 1 增量式光电旋转编码器工作原理 增量式光电旋转编码器是一种集机 光 电一体的数字式传感器 其典型应用就是 位移测量 角速度测量 由于其高精度 高分辨率和高可靠性 体积小 使用方便 被 广泛应用于工业测量 自动控制等领域 增量式旋转编码器每转一周产生一系列脉冲 脉冲的多少表示角位移的大小 增量式编码器掉电后必须重新调零再使用 在角度位移 测量和角速度测量场合 增量式光电旋转编码器在成本和简易程度上有很大优势 增量式光电编码器的主要元件包括 光源 光栅盘 光电探测器和转换电路等 基 本原理如图3 4 光源 通常是l e d 发出的光经过光栅盘 光栅盘沿圆周方向分割成 n 等份 并用透明和不透明 透光和不透光条纹印刷到上面 光栅盘被安装在旋转轴上 随同一起转动 位于光栅盘后面的光电探测器根据能否接受到光源发出的光线 而产生 相应的高低电平 再经过后面的转换电路处理 转换成标准的矩形波 1 和o 通过统 计1 和o 之间的转换次数即可知道旋转过的角度 光栅盘是编码器中最重要的元件 针对不同的测量目的光栅盘有两种类型 不可辨 向的和可辨向的 不可辨向的光栅盘只有一条环带 无论是顺时针方向旋转 还是逆时 针方向旋转时 编码器的输出脉冲都同样是在l 和0 之间交替变换 而无法判断旋转方 向 这类编码器只能测量转角 不能判断旋转方向 并且只能用于相对增量的测量 l o 3 数据采集系统设计 a 厂 厂 厂a厂 厂 广 b 厂 厂 厂 b厂 厂 厂 图3 4 增量式旋转编码器原理图 可辨向光栅盘结构和辨向原理如图3 4 a 有a 相 b 相两条环带 a 相和b 相 在码盘上互相错半个区域 在相位上相差l 4 周期 在波形上相差9 0 即相互垂直 利用b 相的上升沿触发检测a 相的状态 由此判断旋转方向 当码盘以某个方向匀速 旋转时 如c w a 相超前b 相首先导通 如图3 4 c 当码盘反方向 c c w 匀速旋 转时 a 相滞后于b 相 如图3 4 b 其波形的数字变化如表3 1 所示 采用简单的逻 辑电路判断编码器输出的a 相和b 相输出脉冲时序便可确定码盘的旋转方向 并且对a 相或者b 相的输出脉冲进行计数统计 得出旋转的角位移或者角速度 如果码盘做变速 运动 可把它看作多个运动周期的组合 其辨向方法和速度计算方法相同 显然 角度 的分辨率由环带栅隙条纹的个数决定纠 表3 1 增量式旋转编码器a b 相波形变化表 顺时针运动逆时针运动 西安科学大学硕士学位论文 对于任意一个光栅盘 由于栅隙的均匀分布 其脉冲周期对应一定的光栅盘角度位 移0 则其量化误差为o 2 如图3 4 0 c 通过观察编码器的输出脉冲 发现在编码 器的输出脉冲周期t 内 a b 两相信号共发生了四次变化 由于a b 两相的相位差 一定 因此四次变化在相位上平均分布 不受周期t 的影响 计数周期变成脉冲周期t 的i 4 即t 4 则相应的量化误差减小为 馋 最终 使编码器的角位移测量精度提高 4 倍 在以光电编码器构成的测速系统中 常见的测速方法主要有三种 m 法 t 法和 m r 法 m 法是通过测量一段固定的时间间隔内的编码器脉冲个数来确定转速 比较适合于 高速场合 t 法是通过测量两个相邻编码器脉冲之间的时间问隔来确定转速 该方法适合速度 较低的场合 m 厂r 法是前两种方法的结合 通过测量一定个数的编码器脉冲和产生这些脉冲所需 的时间 即时钟脉冲个数 来确定转速 该方法在整个速度范围内都有较好的准确性 但在低速系统中 该方法需要较长的时间保证结果的准确性 无法满足转速检测系统的 快速动态响应指标 3 5 2 硬件电路 系统采用a v r 系列的a l m e g e 8 单片机构成 采用l c d 液晶屏实现人机交互功能 采用增量式旋转编码器对速度信号进行采集 采用互感器对电流进行监测 采用u a r t 接口和p c 机进行信息交换 硬件系统结构框图如图3 5 所示 图3 5 硬件结构框图 3 数据采集系统设计 1 信号采集线路 7 4 i s 0 8 图3 6 信号采集逻辑图 2 l c d 显示线路 l c d 选用r t l 6 0 2 型字符型液晶显示模块 其实物图如图3 7 和图3 8 所示 图3 7l c d l 6 0 2 实物图正面 图3 8l c d l 6 0 2 实物图背面 西安科学大学硕士学位论文 为了节约a t n l e g a 8 引脚资源 l c d l 6 0 2 和a t 雠g a 8 线路连接采用4 根数据线连接 方式 其接线原理图如图3 9 所示 刁隋 j f l c d l 6 0 2 图3 9l c d l 6 0 2 和a 恤e g a s 线路连接图 3 电源单元部分 电源通过将交流电经过变压 整流转换成5 v 直流电接入 电路原理图如图3 1 0 所 m 7 舯5 图3 1 0 电源部分线路图 4 串行通讯线路 由于单片机输入 输出电平是 凡电平 而p c 机配置的是标准的r s 2 3 2 标准串 行接口 两者的电器规范不一样 因此要完成单片机与p c 机的数据通讯 必须对单片 机输出的r r l 电平进行电平转换 这里使用m a x 2 3 2 电平转换芯片来完成电平转换 转换电路如图3 1 l 所示 1 4 3 数据采集系统设计 1 f d b 9 图3 1 1m a x 2 3 2 接线图 3 5 3 信号辨识 本系统采用m 法测量 a u n e g a 8 有三个定时 计数器t o t 1 和1 2 利用单片机的 仰 t 1 作为计数器分别对时钟脉冲和编码器脉冲进行计数 利用亿进行定时 计数器 t o 和t l 不清零 连续计数 以消除计数器清零所占时间 提高测量精度 计数器t o 和t l 记录的信号来源于光敏三极管a 和b 经过一个d 触发器和三个 与门处理后连接到t o 和t 1 的外部管脚 其电路图如图3 1 2 所示 t o t l 图3 1 2 信号处理电路图 在图中 d 触发器的管脚q 和蚕输出的是编码盘的旋转方向 t o 和t 1 的信号为增 量式旋转编码器正转或反转引发的脉冲信号 1 5 西安科学大学硕士学位论文 a 厂 厂 厂 b 几几几 砭广 一 t 几几r a 厂 厂 厂 b 7 仃仃仃 砭厂 一 t 1 r 几n a b 图3 1 3 信号脉冲变化图 在电路图中 d 触发器用于将增量式旋转编码器的方向区分开来 其工作原理可从 其真值表分析得来 表3 2 触发器的真值表 翌旦 达 竖q五 l 00o0l 2 l00l0 3 x00 q 万 4xxl 00l 5xx0ll0 6xxlll1 由表中可知 在c l r 和s e t 引脚接地的情况下 只有c p 的上升沿改变q 端的电 平输出 再根据光电式增量旋转编码器的a b 信号输出情况 采用如图3 1 2 的电路 方式 便可得到图3 1 3 的脉冲信号信息 3 6 数据处理 提升容器运行速度情况的信息源于计数器t l 和t 0 的数据变化量 即脉冲的变化量 依据这些数据可以计算出提升容器的位置 速度和加速度 3 6 1 数据计算原理 脉冲是系统进行提升容器位置 速度和加速度计算以及减速 停车判断的最基础的 数据 提升容器位移计算公式 工 k p 3 1 1 6 3 数据采集系统设计 式中 为提升容器的位移变化量 p 是提升容器位置变化过程中采集到的脉冲数 x 为脉冲适配系数 6 1 也就是脉冲和位移变量的转换系数 提升容器速率计算公式 l t 3 2 其中 为速率 r 为时间 通过单片机的计时器确定 加速度公式 4 v l v o t 3 3 其中 口为加速度 v o 为前一时问段速度 v 1 为当前速度 脉冲适配系数校正是为了对不同卷简直径及其磨损变化时 对脉冲反应的位移量进 行修正 使每个脉冲所代表的位移始终为固定位移量 如l c m 在实际现场 卷筒的 衬垫更换时 其直径会大些 随使用而磨损 其直径就会变小 先前的脉冲适配系数就 不能准确将脉冲和位移的关系反应出来 因此 要定期进行调节脉冲适配系数 调整是 由人工操作 其周期长短 在实际运行现场 根据具体情况来定 影响脉冲适配系数的 主要因素有衬垫材料 提升机运行状况等诸多因素 在运行中 若不及时调整 脉冲误 差加大 就可能引起过卷 超速等误动作 同时本检测系统将失灵 首次适配系数的计算方法如下 k o 用 d c o 3 4 其中 局是首次适配系数 厅是圆周率 d 是卷筒直径 g 是常数 表示增量式 旋转编码器每转的脉冲数 以后 每次重新调整适配系数的方法是 先记下原适配系数足 值和提升容器位置 厶 然后启动提升机使提升容器走过一段距离三 实际准确测量距离 停机后记下新 的提升容器位置厶 则调整后的适配系数墨为 r 2 r o l i 厶一厶1 3 5 3 6 2 数据计算方法 根据硬件电路的设计 分别用单片机的计数器t o 和计数器t l 记录提升容器不同提 升方向的脉冲数 根据计数器即和t l 的数值可以换算出提升容器当前的位置 式3 6 再以配为 定时器 通过单位时间提升容器位置的变化计算当前的速度 式3 7 进一步单位时间 速度的变化计算提升容器当前的加速度 式3 8 l k 假一最 3 6 工 提升容器离地面的距离 置 脉冲适配系数 丑 昱 计数器t l t o 的寄存器 数值 一 v 上1 一厶 t 3 7 1 7 西安科学大学硕士学位论文 1 当前速度 厶 当前位置数据 厶 前一次位置数据 t 时间间隔 a v l 一1 0 1 r 3 8 a 当前加速度 卟v o 当前速度 前一次速度 根据以上公式 计算出来的速度和加速度相对滞后 提高灵敏度的措施为 减小时 间间隔r 的大小 3 6 3 数据算法在单片机上的实现 在a t m e g a s 芯片中 有三个定时 计数器 t o 和t 1 有外部引脚 亿没有 根据这 种资源情况 在数据算法的实现上 采用t o 和t l 的引脚进行旋转编码器的正 反向脉 冲的计数 采用他进行计时 1 r 2 每秒钟产生一次中断 分别对t o 和t l 计数器当前脉 冲数进行采录 使用采录到的时间间隔和对应位移量的脉冲数 就能计算出当前的确切 位置 速度和加速度 具体的实现方法中 由于t d 的计数寄存器为8 位 t 1 的计数寄存器为1 6 位 因 此在实施上 需要加以处理 程序中的实现方法是 先预定义两个l o n g 型变量 p l a c e 0 和p l a c e i 分别用作记录正 反向脉冲数 在每次t o 和t l 中断时 对变量p l a c e l 进 行加 减法操作 当哟中断时 p l a c e l 2 5 6 当t l 中断时 p l a c e l 6 5 5 3 6 通过 这样的运算就可以正确的采集到正反向的运转脉冲数 变量p l a c e 0 用作位置较准 在1 2 产生中断时 分别使用无符号整形变量 c t t e m p 0 c t t e m p l 进行当前脉冲数 的采录 位移量 速度和加速度的计算 刀始变量 c t 0 o c t v 0 0 c t l p l a c e l p l a c e 0 c t t e m p o c t t e m p l 计算位置脉冲数 c t v l c t l c t 0 n 计算速度脉冲数 c t a l c t v l c t v 0 n 计算加速度脉冲数 上两式中n 代表t 2 产生中断的频率 更新变量 c t 0 c t l 1 8 3 数据采集系统设计 c r y 0 c t v l e t a 0 c t a l 从这里采录 计算出来的位移脉冲数 通过脉冲和距离之问的对应脉冲适配系数k 进行转换 3 6 4 运行监控 本系统 在提升容器运行到上下两井1 3 停车位置一定距离时 能自动发出减速信号 用以确保在其它监控系统没有投入运行时 提升机也可以维持基本的运行安全 硬件系统具有超速保护和过卷安全制动保护功能 与其它监控系统共同组成多重保 护 通常 提升容器运行速度跟起止时间有关 在特定的时间段 速度也在一定的范围 内 如果超出速度限度 那么自动启动制动保护功能 而用单片机进行监控对 时间变 量难以控制 于是 根据提升容器在矿井中的特定位置 其速度也在一定范围内 以位 置决定速度进行监控 系统设置为在上 下井口端减速点 如6 5 米处 后 距离井1 3 停车特定的三个点 如离井口停车点3 0 米 2 0 米 1 0 米处 着实际速度大于基准速度的1 0 则产生 安全制动 2 一k 2 2 a s 3 9 虼 最高速度 单位m s 巧 对应监视点的基准速度 单位m s a 减速度 单位m s 2 s 减速点位置 离停车点距离 一 k 2 2 心 3 1 0 在具体运行监控中 单片机循环检测 在当前位置达到检测点时 触发检测过程 在检测过程中根据具体参数进行运算并比较判断 3 6 5 数据的液晶显示 通常r t l 6 0 2 型字符型液晶显示模块在显示时 采用8 位总线 由于本系统资源紧 张 选用4 位总线 因此 在设置中根据数据表将功能设置命令d l 设为低电平 其初 始化运行流程图如图3 1 4 所示 图3 1 4 中 命令 2 8 为4 位总线 双行显示 显示字符为5 x 7 的点阵 连续送2 0 次的目的是让l c d 充分初始化 实验证明2 0 为最佳循环次数 命令 0 c 的功能为开显示 无光标 光标不闪烁 1 9 西安科擘大学硕士擘位论文 y 送命令 o c 延时5 n m s 送命令 0 1 送命令 0 6 图3 1 4r t l 6 0 2 型字符型液晶显示模块初始化流程图 命令 0 1 的功能为l c d 清屏 命令 0 6 的功能为光标和显示模式设置 光标移动方向为右移 屏幕上所有文字是 移动的 由于每条命令都是8 位的 因此采用4 位总线连接就有命令发送格式方法的问题 由硬件电路中可知 4 位总线应连接d 4 d 7 d 0 d 3 置空 在命令数据发送中 每次 发送4 位 先高位 后低位 3 6 6 数据的串口通讯 a t m e g a 8 集成u s a r t u n i v e r s a ls y n c h r o n o u sa n da s y n c h r o n o u s r e c e i v e r t r a n s m i t t e r 通用同步和异步接收 发送装置 u a l t t 的结构原理 u a r t 接口芯片能同时进行发送和接收 叫做双工方式 它具有发送器和接收器功 能 并且还有控制部件 以完成控制功能 c p u