基于单片机的钢材破损实时监控系统设计.pdf

16现代食品XIANDAISHIPIN粮食机械 Food Processing Machinery作者简介：徐子锋（1997），男，本科，助理工程师，研究方向为电气工程。通信作者：王康兴（1993），男，本科，助理工程师，研究方向为电气工程。E-mail:。doi:10.16736/41-1434/ts.2023.20.005耐磨钢板因其耐磨性、成本低、易于加工等优势，被广泛用于散粮发运设备的壳体与关键性部位。在实际生产中，由于大量物料的冲击与内部其他部件的摩擦，耐磨钢板部分会出现过度磨损，且在实际生产运行中，这种磨损很难预测。因此，设备维护人员只能在物料发生撒漏堆积后，才能发现钢板出现了穿孔性损伤。这一问题不仅会造成经济成本、人力成本的增加，也不利于安全生产。1 散粮机械易破损部件介绍1.1 壳体部分壳体是散粮机械设备的重要组成部分，以刮板机为例。刮板机是一种常用的粮食输送设备，其结构如图 1 所示。刮板机以多块耐磨钢板采用焊接或翻边法兰连接组成，内部采用翻版链条在内部循环运动带动物料。驱动方式通常采用变频器驱动交流异步电动机带动减速箱，并配备有断链、堵塞等保护装置。基于单片机的钢材破损实时监控系统设计Design of Real-time Monitoring System for Steel Damage Based on Single-chip Microcomputer 徐子锋，任书杰，王帅国，赵 征，韩晓烨，王康兴（连云港东粮码头有限公司，江苏 连云港 222000）XU Zifeng,REN Shujie,WANG Shuaiguo,ZHAO Zheng,HAN Xiaoye,WANG Kangxing(Lianyungang Dongliang Seaport Co.,Ltd.,Lianyungang 222000,China)摘 要：本文阐述了一种以单片机为核心，对散粮机械设备中的钢材状态进行监控的系统设计，旨在解决散粮机械因为物料摩擦、金属疲劳、金属大幅度形变导致的金属穿孔、裂纹、变形等问题。关键词：实时监控；粮食机械；单片机Abstract：This article describes a system design that uses a microcontroller as the core to monitor the status of steel in bulk grain machinery equipment,aiming to solve problems such as metal perforation,cracks,and deformation caused by material friction,metal fatigue,and significant metal deformation in bulk grain machinery.Keywords：real-time monitoring;grain machinery;Single-chip Microcomputer 中图分类号：X924.317XIANDAISHIPIN现代食品粮食机械Food Processing Machinery在刮板机中，直接与物料接触的部分为链条和壳体。其中，链条由耐磨钢材锻造成型，在壳体内部有链条的两侧刮板带动粮食运动，如图 2 所示。壳体是将物料保持在机械内部的关键，刮板链条带动物料在壳体钢板上摩擦，壳体材料目前主流采用 10 mm 耐磨钢板，在大量的物料摩擦下，钢板的材料极易产生磨损。在实际生产过程中，随着刮板链条的运转，其长度会慢慢增长，从而与底部壳体产生摩擦。运转过程中的震动、物料的不均匀、链条运转时间过长没有及时张紧，当这几个因素同时作用时，会导致链条摩擦到侧面壳体。1.2 翻版部分翻版部分的应用场景主要在电子翻版的活动部件，这一设备的功能是利用电动机带动翻版，让粮食在不同流程的情况下去往不同地点，其结构如图 3 所示。图 3 翻版结构示意图翻版作为活动部件，在运行中会直接接触物料，物料经由重力冲击其与壳体的接触部分。当翻版被物料摩擦产生形变后，其与壳体的配合便不再紧密，当配合缝隙过大时，便会出现物料撒漏，严重的会出现不同物料的混质，引发质量问题。1.3 滑动门部分滑动门是散粮系统常用机械，大多设计在仓底与仓顶，其结构为电机带动一块装有齿条的耐磨钢板，在专门的框架中做横向运动，达到控制开合的目的，如图 4 所示。仓底的滑动门在工作中承担控制物料出仓的作用，仓顶的滑动门常常位于刮板机下方，起着控制物料进仓的作用。图 1 刮板机结构示意图图 2 链条结构示意图壳体 shell下层回行轮 lower retumting base trough上层回行轮 upper retumting base trough张紧装置 tensioner devicc链条刮板 chain scraper驱动马达 driving motor液力耦合器 hydraulic couler齿轮减速箱 gear box18现代食品XIANDAISHIPIN粮食机械 Food Processing Machinery ALR=在实际生产中，仓底的滑动门主要受到物料的压力，仅在开关门阶段受到摩擦，但摩擦程度不足以对钢材造成损坏。仓顶的滑动门在工作中大部分情况是关闭状态，在刮板机运行时成为刮板机底部壳体的一部分，受到物料、挂壁链条摩擦。2 破损原因分析2.1 物料的摩擦在实际生产中，大量的物料摩擦壳体、滑动门、翻版，导致特定部位钢板越来越薄直至穿孔。当钢板出现穿孔，物料会因为压力从机械内部挤压出来。当物料被挤压出破损穿孔处，穿孔处会发生形变，破损扩大，导致更多物料泄漏出来。此外，随着耐磨钢板的损坏，以其作为外壳的机械设备失去原有的机械支撑，产生物理形变，从而扩大损坏范围。2.2 同设备其他部件的摩擦由于物料挤压、热胀冷缩、其他部件形变等因素，设备在运行时配合不紧密，导致刮板机的壳体与链条之间出现摩擦，造成钢板的损坏往往相较于物料摩擦造成的损坏更为严重，更易出现穿孔、形变等。2.3 自然锈蚀露天设备因为风吹日晒，会出现外部保护油漆脱落的情况，使得钢材直接裸露在空气、雨水中，导致钢材出现锈蚀，继而出现形变、穿孔等问题。自然锈蚀产生的损坏具有以下特点。时间方面。相比物料摩擦、与其他部位的摩擦，自然锈蚀造成结构性损坏的速度要慢得多。位置方面。自然锈蚀产生的损坏集中在设备外层，损坏由内而外，与物料摩擦、与其他部位的摩擦刚好相反。因此，自然锈蚀产生的损坏在初期更容易被现场工作人员发现。2.4 原因总结在实际生产中，钢材破损往往不是一种原因单独导致的。以翻版为例，翻版钢材的损坏主要是物料摩擦与同设备其他部件摩擦共同作用导致的；以刮板机为例，由于刮板机体积较大，多放置在室外。因此，刮板机钢材的损坏多由 3 种原因共同导致。3 系统分析3.1 系统原理分析结合上文关于损坏原因与损坏位置的分析，本文明确了其中存在的问题，得出了损坏位置与损坏形式存在共性，即损坏位置集中在以耐磨钢板为原料所组成的外壳或是翻版，其表现形式为一整块的长方形钢板；损坏形式表现为长方形钢材的穿孔、形变，实际上是结构方面的不完整。针对以上问题，本文提出以下改进思路，对整块耐磨钢板完整度进行监控，主要包括以下方面。（1）利用电阻监控钢材的平均厚度。厚度作为钢材的重要指标，检测方法有很多，考虑到成本与实际效果可采用电阻测量法。钢材作为金属材料是一种良好的导体，一块钢材在切割完成后，其内在的基本属性就会保持恒定，包括电阻值。其中，R为电阻，为导体电阻率，L为导体长度，A为导体截面积。钢板作为导体时，在加工完成后，其导体电阻率和导体长度便固定下来。此时，若钢材出现磨损，就会导致导体截面积减小，表现在电阻值方面，即电阻值的增加。（2）利用导体网络监控钢材的实际状态。将钢材分割为 5 mm5 mm（参照大豆这一物料的直径，不同物料可采用不同的分区标准），在分区边缘布置细金属丝（本设计中采用铜丝），各金属丝之间相互绝缘组成金属网络，如图 5 所示。当钢材出现穿孔、大图 4 滑动门结构示意图（气动）（1）19XIANDAISHIPIN现代食品粮食机械Food Processing Machinery程度形变时，附着在钢材表面的金属丝会发生断裂。因为钢材被网络覆盖，横排金属丝可以标记破损处的横轴，竖排金属丝可以标记破损处的纵轴，从而得出破损处的坐标。图 5 金属网络示意图因此，考虑到粮食系统粉尘防爆问题，利用导体网络监控钢材的实际状态作为本设计的理论基础。3.2 系统结构介绍系统可分为钢材表面金属网络、单片机系统、中控室 3 个部分。（1）金属网络通过金属丝的覆盖将破损信息转换为电信号，作为破损信息的接收端，将破损信号传递给单片机系统1。（2）单片机系统作为系统的接收端，同时也是发送端。其中，接收端接收来自金属网络的信号，并计算出破损点的位置。继而将破损位置信息发送至后端中控室，作为发送端。（3）中控室接收到破损位置信息，发出报警信号，若破损位置对应的机械有生产作业流程则弹出是否需要暂停的窗口。若存在多处、大面积破损，则自动暂停生产工作流程。同时，通知现场维修人员确认故障情况并进行维修。系统结构示意图如图 6 所示。图 6 系统结构示意图3.3 金属丝网络结构图金属丝网络的具体结构可分为以下 5 层：底绝缘层。这一层直接接触钢板，将其他层与钢板隔离开来，最重要的是起到钢板绝缘的作用。横金属丝层。将 0.3 mm 直径的铜丝，以每根间隔 5 mm 的方式横向排列在底绝缘层上，并加以固定，此层的作用在于当钢材有损坏时，提供损坏点的横轴坐标。中绝缘层。在横金属丝层上方布置中绝缘层，中绝缘层可隔离横金属丝层与下一层，纵金属丝层可起到相互隔离、绝缘的作用。纵金属丝层。将 0.3 mm 直径的铜丝，以每根间隔 5 mm 的方式纵向排列在中绝缘层上，此层的作用在于当钢材有损坏时，提供损坏点的纵轴坐标，并与横金属丝层配合得到具体的破损点坐标2-3。外保护层。此层为最外层，起到绝缘与保护的作用，需要其有一定的耐腐蚀能力，以有效保护金属网络与底部耐磨钢板免受自然腐蚀的影响。具体材质可由机械的布置和机械用途决定，结构图如图 7 所示。图 7 金属网络结构图3.4 单片机结构设计本次设计中以单片机为核心，将金属丝网络与单片机相连接，利用单片机完成对破损点位置的确认。具体设计采用 51 单片机，配合外部电路实现数据的收集与计算，最终发送数据。3.4.1 单片机核心如图 8 所示，本设计采用 AT89C52 单片机，包括40 个引脚。其中，有 32 个通用 I/O 引脚，将其中 16个连接横金属丝、16 个连接纵金属丝，接着检测其电平状态来确定具体通断情况4。图 8 单片机核心原理图20现代食品XIANDAISHIPIN粮食机械 Food Processing Machinery3.4.2 下载电路原理此部分电路为辅助电路，用于使用 USB 线连接电脑时，将程序下载至单片机中，具体原理图如图9所示。图 9 USB 下载电路图3.4.3 电源模块此部分的作用是将 5 V 电压转为 3.3 V 电压直接为系统供电，具体原理图如图 10 所示。图 10 5 V 转为 3.3 V 电源模块图3.4.4 无线发送模块通过 NRF24LO1 无线收发模块，可以将计算得到的破损点位置信息以坐标的形式发送出去。此模块可直接购买成品，通过接口连接系统，如图 11 所示。图 11 NRF24LO1 模块接口图3.5 算法分析将通用引脚按位置排布分为 2 组：X 组和 Y 组，其 中，X 组 引 脚 为 P1.0P1.7、P3.0P3.7 引 脚；Y组引脚为 P2.0P2.7、P4.0P4.7。分别与金属丝层的纵金属丝、横金属丝相连接，连接方式如图 12 所示。图 12 金属丝网络接线图由图 12 可知，金属丝层两端一边与单片机对应引脚相连，另一端连接 VCC，5 V 电压。一般来说，单片机 5 V 电压为高电平信号，当金属丝正常时，电压5 V 为高电平；当金属丝因为磨损出现损坏时，金属丝断裂，电压 0 V 为低电平。在程序中，以 P1.0 引脚为例，金属丝完整时，P1.0=1；金属丝出现损坏断路时，P1.0=0。程序先依次判断 X 组各引脚电平情况，若 X 组各引脚电平情况正常，再依次判断 Y 组各引脚电平情况；若 Y 组各引脚电平情况正常，5 000 ms 后，进入下一次判断循环。当循环扫描判断的过程中出现低电平，以 P1.0 为例，IF（P1.0=0）条件成立，则在此基础上继续判断Y 组电平；若 Y 组电平全部为高电平，则进入下一次的循环判断5。若 Y 组电平判断中出现低电平，以P2.7 为例，IF（P2.7=0），则直接输出（1，7）坐标，坐标对应钢材破损点具体位置，程序流程图如图 13 所示。坐标信息会以无线形式发送，中控室接收到信息开始报警，并提示工作人员进行检查。21XIANDAISHIPIN现代食品粮食机械Food Processing Machinery 图 13 程序流程图4 结语本文从生产实际出发，找出了实际生产中钢材容易出现的问题，并设计了一套以单片机为核心的钢材实时检测系统，从系统结构到电路设计，再到算法分析，论证了系统的原理与具体实施办法，有效解决了粮食机械外壳、翻版等以耐磨钢板为原材料的机械部件在使用过程中的损坏问题，有利于港口、粮库等提升服务质量，减少人力成本，增加企业竞争力。参考文献1 聂影影，齐彦甫，詹宝容，等.基于 51 单片机和STM32 单片机的模块化实验应用 J.信息与电脑（理论版），2022，34（16）：237-239.2 肖洋.51 单片机 c 语言编程技巧初探 J.信息通信，2020（1）：149-150.3 韩煜斌.刮板输送机中部槽磨损问题分析与改进策略研究 J.机械管理开发，2023，38（7）：44-46.4 褚江.电气传动系统中单片机技术的应用进展 J.产品可靠性报告，2023（8）：113-115.5 候琳，李百灵，于洋，等.基于单片机的烟雾报警系统的设计与实现 J.科技与创新，2023（12）：110-112.（上接第 8 页）叶轮喂料器电机的负载较重，且长时间连续不间断工作产生的热量较高。拆除原有风扇叶片可为电机减轻 1 kW 左右的负载。通过加装较大功率的散热风机，可同时给叶轮喂料器与减速箱一起散热5。3.3 增加可视化监控报警系统将叶轮喂料器、螺旋喂料器、卸船臂皮带机、卸船中继运输机的电机电流值作为监控数据，时刻监控其大小，超过正常值自动报警，并且以数值的形式直接显示在司机室内。这一系统应包含以下功能：可以方便地直接监控各设备的运行状态，直观地展示各部位的“健康”情况。相关数据应与中控室相连接，方便中控室根据设备状态修改具体工艺流程。可以快速精准地计算出叶轮喂料器、螺旋喂料器、卸船臂皮带机、卸船中继运输机的电机电流值之间的电流比值变化。例如，当叶轮、螺旋喂料器电机电流增加，处于后续工序的卸船臂皮带机与中继运输机的电流值变化不大，或是在下降。此时，可根据电流值判断出喂料系统处于低效率的堵塞运行状态。守时系统应当提醒操作人员对机械设备的工作状态作出调整，并且提示应当在司机室与中控室同时进行。此外，系统应当及时计算出各设备电流与实际物料流量比值的正常范围，方便操作人员加以判断；应精确计算出喂料系统各设备空载、轻载、重载、过载电流，并定期记录，方便维修人员加以查看。4 结语作为散粮装卸两用机中直接进入船舱与散粮物料接触的系统，喂料系统的故障一直是影响生产的因素。本文提出从操作人员、电机本身、可视化监控系统三方面改进，可有效减少故障的发生，并延长设备的使用寿命，减少维护成本，提高其运行效率。参考文献1 王康兴，马飞，徐子锋.散粮装卸两用机 PLC 控制系统升级改造 J.现代食品，2021，28（12）：8-12.2 王杰.双馈感应发电机短路电流热效应解析表达及验证的研究 D.安徽：合肥工业大学，2019.3 王纪委.粮食机械设备典型零部件的装配方法和维护保养 J.现代食品，2021（10）：12-15.4 鲁连涛，张卫华.金属材料超高周疲劳研究综述 J.机械强度，2005（3）：388-394.5 赵荣祥，钱昊，陈潼.基于 PIC 单片机的智能电机保护器 J.工程设计学报，2005（2）：89-92.