开关类安全保护装置多点无线监测系统

2018-08-06 05:54蒋永清张帅王博
现代电子技术 2018年15期
关键词:无线传输机械设备安全管理

蒋永清 张帅 王博

摘 要: 针对机械设备开关类安全保护装置繁多、易出故障的现状,提出一种判定开关类安全保护装置是否处于故障状态的依据。根据此依据设计了一种开关类安全保护装置多点无线监测系统,实现了对开关故障参数的多点监测、无线传输、实时显示、故障报警。对该系统的信号采集、传送、处理以及各功能模块之间的交互进行较详细地设计与阐述。研究结果表明,开关类安全保护装置多点无线监测系统的引入可以自动检测各个机械设备上开关类安全保护装置的运行状况,可有效地帮助企业安全生产管理人员和机械操作人员发现问题。

关键词: 机械设备; 开关类安全保护装置; 故障; 多点检测; 无线传输; 安全管理

中图分类号: TN92?34 文献标识码: A 文章编号: 1004?373X(2018)15?0157?04

Multi?point wireless monitoring system for switch?type safety protection device

JIANG Yongqing, ZHANG Shuai, WANG Bo

(College of Measurement?Control Technology and Communication Engineering, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080, China)

Abstract: Since the switch?type safety protection device of mechanical equipment has various types and is easy to fault, a basis to determine whether the switch?type safety protection device is in the fault condition is proposed, and a multi?point wireless monitoring system of switch?type safety protection device is designed. The multi?point monitoring, wireless transmission, real?time display and fault alarm of the switch?type fault parameters were realized. The acquisition, transmission, processing of the system signal and interaction between the functional modules are designed and elaborated in detail. The research result indicates that the introduction of the multi?point wireless monitoring system for switch?type safety protection device can automatically detect the operating conditions of switch?type safety protection device in each mechanical equipment, and help enterprises safety managers and mechanical operators to identify the problems effectively.

Keywords: mechanical equipment; switch?type safety protection device; fault; multi?point detection; wireless transmission; safety management

0 引 言

机械设备是企业实施生产活动的核心工具和重要资源,必须采用性能可靠的安全保护装置来满足生产安全的需要[1?4]。其中,开关类安全保护装置附设在机械设备运动部件的运动轨迹沿线,起控制、调节以及限位保护等作用,以实现控制设备自动化。开关类安全保护装置在实际生产中存在下列问题:

1) 开关动作频繁造成此类安全保护装置故障率较高,使其无法发挥应有的安全保护作用,严重时还会导致设备脱轨或生产瘫痪等后果;

2) 设置安全开关的位置具有较大危险性,如起重机的限位开关设置在厂房的高架结构上,安全管理人员对其日常巡检时,存在较大的隐患;

3) 当开关故障使设备不能运行时,故障位置不明,如皮带输送机的纠偏开关众多,查找开关故障就非常麻烦,采用电压法或直接观察方法时,需要挨个寻找,既费时又费力,降低生产效率[5?6]。

综上所述,开关类安全保护装置(下文简称“安全开关”)自身的可靠性尤为重要,有必要对这些机械设备的保护点的故障信息进行统一监测,及时发现并且快速找到故障点,避免由于此类安全装置的故障给设备乃至整个系统带来损失。本文提出的解决方案是设计一种开关类安全保护装置多点无线监测系统,该系统独立于机械设备本身的控制系统,用于实时监测多个机械设备上的各个安全开关的故障信号,将监测结果通过无线通信的方式发送到该系统的监控端。安全管理人员通过监控端可充分了解安全开关的运行状态,能够迅速查找并发现故障开关,及时对失效的安全开关进行维修或更换,以此帮助安全管理人员对安全开关进行统一监管。

1 系统总体结构设计

系统由信号检测板和移动监测终端两个部分组成,系统的总体设计如图1所示。信号检测板完成对机械设备上各安全开关的开关量、故障信号的采集,检测到故障信息时在作業现场警示,并将数据进行编码处理后发送给移动监测终端。移动监测终端的主要功能是通过无线通信模块接收车间内各设备附设的安全开关运行数据,通过系统程序对数据进行接收、比较、处理以及显示,并且发出故障警示信号。

2 系统硬件设计

2.1 信号检测板

信号检测板是系统的终端节点,主要由开关故障信号采集模块、单片机处理模块、无线通信模块、声光警报模块、电源模块等组成。本设计以一台拥有4枚安全开关的机械设备为例构造最小试验系统,信号检测试验板如图2所示。

2.1.1 开关故障信号采集

安全开关型号种类很多,但工作原理基本上均是通过机械设备运动部件碰撞开关摆杆使其内部触点断开或吸合来控制电路的通断[7?8]。开关内部由一路常闭触点(NC)和一路常开触点(NO)组成,通过动触点转换电路通断。安全开关在长期使用中的主要故障模式有接触电阻增大使触点无法导通、弹簧片老化、电触点污染以及突发性的电气元件受损(如机械设备的运动部件撞毁安全开关)[9?11]。以上模式的结果都使开关内部的电接触产生障碍。

根据安全开关的故障特点,兼顾系统的可靠性,本设计采用多重冗余设计,工作原理图如图3所示。逻辑部分采用异或门74HC86对安全开关的常闭触点(NC)与常开触点(NO)的输出信号进行比较,两路信号判断相同(均为高电平或者均为低电平)表明安全开关处于故障状态,则74HC86输出高电平;相反,当两路信号判断不同,则表明安全开关处于正常的连通状态,74HC86输出低电平。

两个与非门74HC00的作用是防止在异常情况下74HC266将错误信号输出到后续的执行电路,只有安全开关的常开触点与常闭触点均无法导通,输出低电平,且异或门74HC86也输出低电平时,此时与门74HC08传出的信号才为开关故障信号。这样就避免了由于信号处理电路等电路故障造成单片机误判而产生的误警报。

故障信号经单片机处理并编码后,通过无线发射模块电路发射。移动监测终端的无线接收模块接收故障信号,单片机处理并解码,控制后置报警,显示电路警示安全管理人员采取措施。

2.1.2 无线通信方式

考虑到系统中每个被监测的机械设备均需一块信号检测板,因此系统的结构简单及成本低廉显得尤为重要,本设计的无线通信模块是以nRF24L01+芯片为核心,进行信息的收发。nRF24L01+芯片具有多种运行模式(点对点传输,一点对多点传输),尤其适用于具有超低功耗要求的系统。

nRF24L01+通过SPI通信总线驱动的,使用STM32单片机的SPI1硬件模块接口对nRF24L01+进行驱动,通过配置单片机的SPI1接口,对nRF24L01+模块进行数据读写,设置nRF24L01+模块的收发模式,实现对开关信号的无线传输。

信号检测板和移动监测终端之间的信号交互方式选择Enhanced Shock Burst TM模式,每块信号检测板应具备唯一地址,因此需要预先配置机械设备以及开关自身的16位ID地址。因此可以根据实际需求,通过跳频技术、配置数据通道以及设置初始频率来扩充信号检测板的组网数目。信号检测板的无线模块节点设计原理图如图4所示。

2.1.3 信号检测板处理器模块

信号检测板选用STM32F105作为处理器,通过对其编程,完成的主要功能如下:

1) 通过I/O口实时检测逻辑电路输出的开关量信号,并进行信号跳变监测;

2) 驱动无线发送模快nRF24L01+,实时向移动监测终端发送开关故障信号。

2.2 移动监测终端硬件设计

移动监测终端硬件模块包括无线接收模块、单片机处理模块、LCD显示模块、声光报警模块以及电源管理模块。移动监测终端的最小试验系统原理图如图5所示。

移动监测终端采用的处理器同样是STM32F105,通过对其进行编程完成以下功能:

1) 驱动无线模块nRF24L01+,实时接收各信号检测板的故障信号;

2) 实时数据处理功能,对接收到的开关量数据进行判断,是否存在异常数据;

3) 数据显示功能,通过ILI9341液晶屏相应位置显示故障安全开关的区域、节点编号数据;

4) 若接收到的开关信号数据异常,通过控制STM32管脚高低电平、蜂鸣器及LED发出报警声。

3 系统软件设计

系统软件设计分为信号检测板软件设计和移动监测终端的软件设计。

3.1 信号检测板软件流程

信号检测板软件部分主要完成开关故障信号采集和通过无线发送模块向移动监测终端发送开关故障信号。首先进行系统初始化,无线模块的初始化主要是保证信号检测板的发送地址与移动监测终端的某个接收通道的地址以及数据长度相同。然后系统对开关信号进行采集、逻辑判断、故障警报,完成故障信号的发送,清除缓存的过程数据后,经过程序循环再次进行信号采集。其总体工作流程如图6所示。

3.2 移動监测终端软件流程

移动监测终端的无线通信模块始终处于信号接收状态,完成LCD显示屏和无线通信模块的初始化之后,进行数据的接收、解析、显示和发出警报。移动监测终端总体软件设计流程如图7所示。

4 结 论

本系统完成了以STM32单片机为核心的开关信号检测板和移动监测终端的设计。将基于nRF24L01+的无线传感器网络技术应用于开关类安全保护装置协同管理系统中,采用多重冗余的逻辑设计来判断安全开关是否处于故障状态,使用该系统可及时发现并查找到故障开关的故障,提高工业生产效率、降低安全事故发生的可能性。依靠本系统可以满足安全管理人员对开关类安全保护装置统一监管的需求。

参考文献

[1] 张登宏.煤矿安全检测系统的物联网技术研究[J].煤炭技术,2011,30(12):95?97.

ZHANG Denghong. Technology research of Internet of Things in coal mine safety inspection system [J]. Coal technology, 2011, 30(12): 95?97.

[2] 匡蕾,许宁,洪一超.基于危险工艺装置设置安全联锁系统的研究[J].中国安全科学学报,2009,19(7):91?96.

KUANG Lei, XU Ning, HONG Yichao. Research on setting up safety interlocking system based on dangerous process equipment [J]. Chinese safety science journal, 2009, 19(7): 91?96.

[3] 朱若茜,张礼勇.无线传感器网络监测环境中的煤矿安全度评价[J].哈尔滨理工大学学报,2013,18(3):32?35.

ZHU Ruoqian, ZHANG Liyong. Evaluation of coal mine safety in wireless sensor network monitoring environment [J]. Journal of Harbin University of Science and Technology, 2013, 18(3): 32?35.

[4] 荣和芳.煤矿带式输送机安全保护装置安装及检验方式[J].煤矿开采,2013,18(1):33?35.

RONG Hefang. Installation and test method of safety protection device for coal mine belt conveyor [J]. Coal mining technology, 2013, 18(1): 33?35.

[5] 王亭亭.矿用带式输送机安全监测系统研究[D].徐州:中国矿业大学,2016.

WANG Tingting. Research on safety monitoring system of mine belt conveyor [D]. Xuzhou: China University of Mining and Technology, 2016.

[6] 袁慎芳,邱雷,童瑶,等.基于FPAA的自修复智能无线传感器节点[J].仪器仪表学报,2012,33(7):1588?1593.

YUAN Shenfang, QIU Lei, TONG Yao, et al. Self repairing intelligent wireless sensor node based on FPAA [J]. Chinese journal of scientific instrument, 2012, 33(7): 1588?1593.

[7] 李智敏.无线传感器网络节点模块级故障诊断方法研究及应用[D].北京:北京理工大学,2014.

LI Zhimin. Research and application of module level fault diagnosis method for wireless sensor networks [D]. Beijing: Beijing Institute of Technology, 2014.

[8] 刘鲁生,郑晓杰,张宇,等.具有对位显示功能的智能皮带保护器设计[J].现代电子技术,2013,36(8):66?67.

LIU Lusheng, ZHENG Xiaojie, ZHANG Yu, et al. Design of intelligent belt protector with contraposition display function [J]. Modern electronics technique, 2013, 36(8): 66?67.

[9] 储刘庆.振动环境对开关连接器电接触可靠性影响的研究[D].北京:北京邮电大学,2011.

CHU Liuqing. Research on the influence of vibration environment on electrical contact reliability of switch connection [D]. Beijing: Beijing University of Posts and Telecommunications, 2011.

[10] 王恩亮,華驰,陈洁.基于STM32F103ZET6的自定义通信协议电梯监控系统设计[J].中国安全生产科学技术,2016,12(12):160?165.

WANG Enliang, HUA Chi, CHEN Jie. Design of user?defined communication protocol elevator monitoring system based on STM32F103ZET6 [J]. Journal of safety science and technology, 2016, 12(12): 160?165.

[11] 黄璐,薛敬明,陈兵.基于2G/3G模块的远程数据采集系统[J].混凝土,2014(10):157?159.

HUANG Lu, XUE Jingming, CHEN Bing. Remote data acquisition system based on 2G/3G module [J]. Concrete, 2014(10): 157?159.

猜你喜欢
无线传输机械设备安全管理
机电机械设备安装中的安全隐患及其处理对策
广州钰铂机械设备制造有限公司
广州钰铂机械设备制造有限公司
基于无线传输的LED灯远程控制系统设计
无线传输LED十字屏集群控制系统
公路路面现场检测数据无线传输系统的设计
基于LABVIEW的温室管理系统的研究与设计
论加强建筑施工安全管理的措施
浅谈现代汽车检测技术与安全管理
做好机械设备维护与保养的措施