開關類安全保護裝置多點無線監測系統

蔣永清　張帥　王博

摘 要： 針對機械設備開關類安全保護裝置繁多、易出故障的現狀，提出一種判定開關類安全保護裝置是否處于故障狀態的依據。根據此依據設計了一種開關類安全保護裝置多點無線監測系統，實現了對開關故障參數的多點監測、無線傳輸、實時顯示、故障報警。對該系統的信號采集、傳送、處理以及各功能模塊之間的交互進行較詳細地設計與闡述。研究結果表明，開關類安全保護裝置多點無線監測系統的引入可以自動檢測各個機械設備上開關類安全保護裝置的運行狀況，可有效地幫助企業安全生產管理人員和機械操作人員發現問題。

關鍵詞： 機械設備； 開關類安全保護裝置； 故障； 多點檢測； 無線傳輸； 安全管理

中圖分類號： TN92?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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

機械設備是企業實施生產活動的核心工具和重要資源，必須采用性能可靠的安全保護裝置來滿足生產安全的需要[1?4]。其中，開關類安全保護裝置附設在機械設備運動部件的運動軌跡沿線，起控制、調節以及限位保護等作用，以實現控制設備自動化。開關類安全保護裝置在實際生產中存在下列問題：

1） 開關動作頻繁造成此類安全保護裝置故障率較高，使其無法發揮應有的安全保護作用，嚴重時還會導致設備脫軌或生產癱瘓等后果；

2） 設置安全開關的位置具有較大危險性，如起重機的限位開關設置在廠房的高架結構上，安全管理人員對其日常巡檢時，存在較大的隱患；

3） 當開關故障使設備不能運行時，故障位置不明，如皮帶輸送機的糾偏開關眾多，查找開關故障就非常麻煩，采用電壓法或直接觀察方法時，需要挨個尋找，既費時又費力，降低生產效率[5?6]。

綜上所述，開關類安全保護裝置（下文簡稱“安全開關”）自身的可靠性尤為重要，有必要對這些機械設備的保護點的故障信息進行統一監測，及時發現并且快速找到故障點，避免由于此類安全裝置的故障給設備乃至整個系統帶來損失。本文提出的解決方案是設計一種開關類安全保護裝置多點無線監測系統，該系統獨立于機械設備本身的控制系統，用于實時監測多個機械設備上的各個安全開關的故障信號，將監測結果通過無線通信的方式發送到該系統的監控端。安全管理人員通過監控端可充分了解安全開關的運行狀態，能夠迅速查找并發現故障開關，及時對失效的安全開關進行維修或更換，以此幫助安全管理人員對安全開關進行統一監管。

1 系統總體結構設計

系統由信號檢測板和移動監測終端兩個部分組成，系統的總體設計如圖1所示。信號檢測板完成對機械設備上各安全開關的開關量、故障信號的采集，檢測到故障信息時在作業現場警示，并將數據進行編碼處理后發送給移動監測終端。移動監測終端的主要功能是通過無線通信模塊接收車間內各設備附設的安全開關運行數據，通過系統程序對數據進行接收、比較、處理以及顯示，并且發出故障警示信號。

2 系統硬件設計

2.1 信號檢測板

信號檢測板是系統的終端節點，主要由開關故障信號采集模塊、單片機處理模塊、無線通信模塊、聲光警報模塊、電源模塊等組成。本設計以一臺擁有4枚安全開關的機械設備為例構造最小試驗系統，信號檢測試驗板如圖2所示。

2.1.1 開關故障信號采集

安全開關型號種類很多，但工作原理基本上均是通過機械設備運動部件碰撞開關擺桿使其內部觸點斷開或吸合來控制電路的通斷[7?8]。開關內部由一路常閉觸點（NC）和一路常開觸點（NO）組成，通過動觸點轉換電路通斷。安全開關在長期使用中的主要故障模式有接觸電阻增大使觸點無法導通、彈簧片老化、電觸點污染以及突發性的電氣元件受損（如機械設備的運動部件撞毀安全開關）[9?11]。以上模式的結果都使開關內部的電接觸產生障礙。

根據安全開關的故障特點，兼顧系統的可靠性，本設計采用多重冗余設計，工作原理圖如圖3所示。邏輯部分采用異或門74HC86對安全開關的常閉觸點（NC）與常開觸點（NO）的輸出信號進行比較，兩路信號判斷相同（均為高電平或者均為低電平）表明安全開關處于故障狀態，則74HC86輸出高電平；相反，當兩路信號判斷不同，則表明安全開關處于正常的連通狀態，74HC86輸出低電平。

兩個與非門74HC00的作用是防止在異常情況下74HC266將錯誤信號輸出到后續的執行電路，只有安全開關的常開觸點與常閉觸點均無法導通，輸出低電平，且異或門74HC86也輸出低電平時，此時與門74HC08傳出的信號才為開關故障信號。這樣就避免了由于信號處理電路等電路故障造成單片機誤判而產生的誤警報。

故障信號經單片機處理并編碼后，通過無線發射模塊電路發射。移動監測終端的無線接收模塊接收故障信號，單片機處理并解碼，控制后置報警，顯示電路警示安全管理人員采取措施。

2.1.2 無線通信方式

考慮到系統中每個被監測的機械設備均需一塊信號檢測板，因此系統的結構簡單及成本低廉顯得尤為重要，本設計的無線通信模塊是以nRF24L01+芯片為核心，進行信息的收發。nRF24L01+芯片具有多種運行模式（點對點傳輸，一點對多點傳輸），尤其適用于具有超低功耗要求的系統。

nRF24L01+通過SPI通信總線驅動的，使用STM32單片機的SPI1硬件模塊接口對nRF24L01+進行驅動，通過配置單片機的SPI1接口，對nRF24L01+模塊進行數據讀寫，設置nRF24L01+模塊的收發模式，實現對開關信號的無線傳輸。

信號檢測板和移動監測終端之間的信號交互方式選擇Enhanced Shock Burst TM模式，每塊信號檢測板應具備唯一地址，因此需要預先配置機械設備以及開關自身的16位ID地址。因此可以根據實際需求，通過跳頻技術、配置數據通道以及設置初始頻率來擴充信號檢測板的組網數目。信號檢測板的無線模塊節點設計原理圖如圖4所示。

2.1.3 信號檢測板處理器模塊

信號檢測板選用STM32F105作為處理器，通過對其編程，完成的主要功能如下：

1） 通過I/O口實時檢測邏輯電路輸出的開關量信號，并進行信號跳變監測；

2） 驅動無線發送模快nRF24L01+，實時向移動監測終端發送開關故障信號。

2.2 移動監測終端硬件設計

移動監測終端硬件模塊包括無線接收模塊、單片機處理模塊、LCD顯示模塊、聲光報警模塊以及電源管理模塊。移動監測終端的最小試驗系統原理圖如圖5所示。

移動監測終端采用的處理器同樣是STM32F105，通過對其進行編程完成以下功能：

1） 驅動無線模塊nRF24L01+，實時接收各信號檢測板的故障信號；

2） 實時數據處理功能，對接收到的開關量數據進行判斷，是否存在異常數據；

3） 數據顯示功能，通過ILI9341液晶屏相應位置顯示故障安全開關的區域、節點編號數據；

4） 若接收到的開關信號數據異常，通過控制STM32管腳高低電平、蜂鳴器及LED發出報警聲。

3 系統軟件設計

系統軟件設計分為信號檢測板軟件設計和移動監測終端的軟件設計。

3.1 信號檢測板軟件流程

信號檢測板軟件部分主要完成開關故障信號采集和通過無線發送模塊向移動監測終端發送開關故障信號。首先進行系統初始化，無線模塊的初始化主要是保證信號檢測板的發送地址與移動監測終端的某個接收通道的地址以及數據長度相同。然后系統對開關信號進行采集、邏輯判斷、故障警報，完成故障信號的發送，清除緩存的過程數據后，經過程序循環再次進行信號采集。其總體工作流程如圖6所示。

3.2 移動監測終端軟件流程

移動監測終端的無線通信模塊始終處于信號接收狀態，完成LCD顯示屏和無線通信模塊的初始化之后，進行數據的接收、解析、顯示和發出警報。移動監測終端總體軟件設計流程如圖7所示。

4 結 論

本系統完成了以STM32單片機為核心的開關信號檢測板和移動監測終端的設計。將基于nRF24L01+的無線傳感器網絡技術應用于開關類安全保護裝置協同管理系統中，采用多重冗余的邏輯設計來判斷安全開關是否處于故障狀態，使用該系統可及時發現并查找到故障開關的故障，提高工業生產效率、降低安全事故發生的可能性。依靠本系統可以滿足安全管理人員對開關類安全保護裝置統一監管的需求。

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