基于STC 單片機(jī)的礦用卡車(chē)潤(rùn)滑定時(shí)器的研制

侯方磊

（國(guó)家能源集團(tuán)神華準(zhǔn)格爾能源集團(tuán)設(shè)備維修中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

現(xiàn)代大型露天煤礦多采用電鏟-自卸卡車(chē)的主采工藝，電動(dòng)輪卡車(chē)是露天煤礦開(kāi)采的主力運(yùn)輸設(shè)備，承載著運(yùn)輸巖石、土方、煤炭的重要任務(wù)。220 t以上級(jí)別的自卸卡車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以電傳動(dòng)為主，日本小松公司生產(chǎn)的830E-AC、930E-AC 礦用卡車(chē)以變頻調(diào)速平滑可靠、設(shè)計(jì)成熟、運(yùn)行穩(wěn)定[1]、故障率低等優(yōu)點(diǎn)，在大型露天礦運(yùn)輸設(shè)備中獨(dú)占鰲頭。

目前，國(guó)家能源集團(tuán)準(zhǔn)能集團(tuán)公司下屬黑岱溝露天煤礦、哈爾烏素露天煤礦共有830E 卡車(chē)10臺(tái)、930E 卡車(chē)44 臺(tái)。830E、930E 礦用卡車(chē)采用集中潤(rùn)滑方式為各關(guān)節(jié)處、軸承、銷(xiāo)子、運(yùn)動(dòng)副進(jìn)行潤(rùn)滑，即潤(rùn)滑脂通過(guò)黃油儲(chǔ)存罐、林肯泵、黃油管、注油器輸送到各潤(rùn)滑點(diǎn)，注油和間歇時(shí)間由定時(shí)器準(zhǔn)確、定量、高效的進(jìn)行控制[2]。

1 礦用卡車(chē)潤(rùn)滑系統(tǒng)林肯泵定時(shí)器

潤(rùn)滑系統(tǒng)控制著整車(chē)的銷(xiāo)類(lèi)、軸類(lèi)的潤(rùn)滑，潤(rùn)滑系統(tǒng)的作用是大大減少軸承銷(xiāo)子的機(jī)械磨損、延長(zhǎng)使用壽命，合理可靠的潤(rùn)滑系統(tǒng)能保證設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，潤(rùn)滑過(guò)量、潤(rùn)滑不足同樣都是對(duì)設(shè)備有害無(wú)益的，所以潤(rùn)滑系統(tǒng)的作用十分關(guān)鍵[3]。

1）林肯泵及定時(shí)器作用。林肯泵也叫黃油泵，是常工作設(shè)備，只要設(shè)備運(yùn)行，林肯泵就在工作，林肯泵和定時(shí)器是礦用卡車(chē)潤(rùn)滑系統(tǒng)的主要工作設(shè)備。潤(rùn)滑系統(tǒng)的核心是林肯泵定時(shí)器，控制著林肯泵的供電間隔時(shí)間，是潤(rùn)滑系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，若定時(shí)器故障，則會(huì)出現(xiàn)黃油泵不打油、常打油、打油時(shí)間間隔錯(cuò)誤等故障，對(duì)潤(rùn)滑部位的潤(rùn)滑不及時(shí)，很容易造成銷(xiāo)類(lèi)、孔類(lèi)的無(wú)潤(rùn)滑磨損，繼而影響銷(xiāo)子、軸類(lèi)的壽命，更換時(shí)增加生產(chǎn)成本、影響設(shè)備出動(dòng)率。

2）林肯泵定時(shí)器成本分析。830E、930E 林肯泵定時(shí)器為通用件，配件號(hào)PC2667，單價(jià)9 820 元，隨著運(yùn)行年限的加長(zhǎng)，林肯泵定時(shí)器的損壞頻率越來(lái)越大，每年消耗數(shù)量20～30 個(gè)[4]。如果將林肯泵定時(shí)器的電路板實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化自主研發(fā)，每塊電路板自主生產(chǎn)的費(fèi)用約為600 元，生產(chǎn)成本降低到不及原來(lái)的1/10，每用1 塊自主研發(fā)電路板節(jié)約9 000 多元，每年節(jié)約配件成本20 余萬(wàn)元。

3）林肯泵定時(shí)器工作邏輯。經(jīng)過(guò)對(duì)原電路板的模擬試驗(yàn)分析得出林肯泵定時(shí)器的控制關(guān)系是：定時(shí)器根據(jù)前后壓力傳感器的壓力值，來(lái)控制繼電器的開(kāi)關(guān)，繼而控制黃油泵間斷打油，達(dá)到控制整車(chē)潤(rùn)滑系統(tǒng)的目的。后橋的壓力開(kāi)關(guān)設(shè)定值為2 000 psi（1 psi=6.895 kPa），當(dāng)壓力大于2 000 psi 時(shí)，壓力開(kāi)關(guān)閉合，給定時(shí)器1 個(gè)低電位信號(hào)，控制器根據(jù)信號(hào)切斷黃油泵打油；當(dāng)林肯泵上的壓力值大于2 500時(shí)，黃油泵前壓力過(guò)高，此時(shí)也是切斷黃油泵打油；黃油泵本身的打油間歇時(shí)間可調(diào)：1～30 min，打油時(shí)間固定為120 s。

2 定時(shí)器研發(fā)方案

1）整體規(guī)劃。根據(jù)定時(shí)器的功能作用、工作環(huán)境，確定各部份的具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)以及研發(fā)過(guò)程中要用到的材料工具。

2）硬件研發(fā)設(shè)計(jì)。在充分考慮現(xiàn)場(chǎng)要求、產(chǎn)品成本和后續(xù)設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，合理選擇芯片和電子器件，并完成原理圖設(shè)計(jì)和PCB 版圖的繪制。

3）軟件程序研發(fā)。采用C 語(yǔ)言底層硬件驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)，要求符合原系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的邏輯功能，確保電路板可以穩(wěn)定工作。

4）模擬調(diào)試。硬件軟件設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行離線的模擬、調(diào)試，即看邏輯關(guān)系是否符合系統(tǒng)要求、硬件運(yùn)行是否穩(wěn)定。

5）上機(jī)運(yùn)行。調(diào)試結(jié)束后的定時(shí)器進(jìn)行上機(jī)觀察運(yùn)行，安排檢修人員定期對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)進(jìn)行點(diǎn)檢、對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢查，若無(wú)誤后說(shuō)明研發(fā)成功。

3 定時(shí)器硬件

自主研發(fā)的硬件電路部分主要包括電源部分、單片機(jī)、壓力傳感器、時(shí)間調(diào)節(jié)旋鈕、報(bào)警燈、繼電器、通訊接口等，林肯泵定時(shí)器硬件原理圖如圖1。

圖1 林肯泵定時(shí)器硬件原理圖

在充分考慮成本、散熱、穩(wěn)定性等因素后，電路板選擇外委制作PCB 電路板，主要是因?yàn)镻CB 電路板小型化、運(yùn)行穩(wěn)定、抗干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。PCB 電路板設(shè)計(jì)時(shí)還需要合理選擇元器件的型號(hào)、封裝形式、布局布線等以達(dá)到最優(yōu)結(jié)果。

3.1 單片機(jī)部分

此設(shè)計(jì)電路中單片機(jī)是核心部分，通過(guò)單片機(jī)采集壓力開(kāi)關(guān)信號(hào)，時(shí)間調(diào)節(jié)旋鈕或上位機(jī)設(shè)定的時(shí)間信息，對(duì)繼電器K1進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)林肯泵的間斷打油。通過(guò)通訊接口使用485 通訊協(xié)議可以向上位機(jī)報(bào)送每次打油時(shí)間和單片機(jī)狀態(tài)，當(dāng)壓力不足時(shí)報(bào)警燈亮起，繼電器K2動(dòng)作繼而控制故障接口模塊通知設(shè)備操作者。

電路采用的是STC89C51 單片機(jī)，這是一款國(guó)產(chǎn)單片機(jī)，由宏晶科技生產(chǎn)的高速/低功耗/抗干擾的新一代51 單片機(jī)，在AT89C51 的基礎(chǔ)上加入了AD 數(shù)模轉(zhuǎn)換，集成程度更高，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12 倍。芯片內(nèi)集成了通用8 位中央處理器和ISPFlash 存儲(chǔ)單元，具有在系統(tǒng)可編程（ISP）特性，配合PC 端的控制程序即可將用戶(hù)的程序代碼下載進(jìn)單片機(jī)內(nèi)部，省去了購(gòu)買(mǎi)通用編程器，而且速度更快。

3.2 電源部分

電源采用7805 三端穩(wěn)壓集成電路，分別是輸入端、輸出端、接地端。7805 采用TO-220 封裝，從外表來(lái)看，7805 外觀像普通三極管[5]。

78/79 系列的三端穩(wěn)壓IC 內(nèi)部有過(guò)流、過(guò)熱及調(diào)整管保護(hù)電路，其所需的外圍元件極少，使用低價(jià)、穩(wěn)定、方便。集成穩(wěn)壓IC 型號(hào)中的78 或79 后面的數(shù)字代表穩(wěn)壓電路的輸出電壓，7805 表示輸出電壓為+5 V，7909 為-9 V，三端固定集成穩(wěn)壓電路的使用方便，電子制作中經(jīng)常采用。

3.3 輸入部分

定時(shí)器電路板的輸入部分有3 個(gè)，分別為時(shí)間調(diào)節(jié)旋鈕、打油手動(dòng)開(kāi)關(guān)、壓力開(kāi)關(guān)，全部為數(shù)字量。

開(kāi)關(guān)的壓力數(shù)字量輸入采用光電耦合器對(duì)開(kāi)關(guān)量的狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，主要作用是光電隔離；反映到單片機(jī)的具體I/O 口為：P1.6/P2.2-壓力開(kāi)關(guān)、P1.5-手動(dòng)打油開(kāi)關(guān)、P1.7/P2.0/2.1-時(shí)間調(diào)節(jié)旋鈕[6]。邏輯控制關(guān)系圖如圖2。

圖2 邏輯控制關(guān)系圖

光電耦合器主要起到隔離的作用，亦稱(chēng)光電隔離器，簡(jiǎn)稱(chēng)光耦。光電耦合器以光為媒介傳輸電信號(hào)。它對(duì)輸入、輸出電信號(hào)有良好的隔離作用。光耦合器一般由3 部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電-光-電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn)，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。

3.4 輸出部分

定時(shí)器電路板的輸出部分有3 個(gè)，分別為報(bào)警燈、輸出繼電器K1和K2，反映到單片機(jī)的具體I/O口為P1.1-輸出繼電器K1、P1.2-輸出繼電器K2。

繼電器K1控制黃油泵的電磁閥通斷，繼電器K2控制著故障模塊（故障時(shí)向上位機(jī)發(fā)出信號(hào)），報(bào)警燈共有3 個(gè)，黃色-打油指示、綠色-電源指示、紅色-故障指示，分別接到單片機(jī)的P1.4、P1.3、P1.2，用于黃油泵的狀態(tài)指示。

4 定量器軟件

軟件設(shè)計(jì)主要分為2 個(gè)步驟：①根據(jù)試驗(yàn)平臺(tái)模擬現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，試驗(yàn)得出邏輯關(guān)系[7]；②根據(jù)邏輯關(guān)系進(jìn)行C 語(yǔ)言編程，得出邏輯控制關(guān)系是關(guān)鍵的一步，因?yàn)橐笞灾餮邪l(fā)后的電路板實(shí)現(xiàn)與原電路板功能一致。

根據(jù)試驗(yàn)平臺(tái)得出林肯泵潤(rùn)滑系統(tǒng)的邏輯控制關(guān)系。首先系統(tǒng)上電，當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)綠色電源指示燈亮起，開(kāi)始連續(xù)打油X 分鐘同時(shí)黃色打油指示燈亮起，打油繼電器K1吸合，在打油X 分鐘內(nèi)如果壓力大于等于2 000 psi，黃色打油指示燈熄滅，打油繼電器K1松開(kāi)，紅色報(bào)警指示燈熄滅，報(bào)警繼電器K2松開(kāi)，停Y 分鐘，在停的時(shí)間內(nèi)若手動(dòng)打油鍵被按下黃色打油指示燈亮起，打油繼電器K1吸合。在打油X 分鐘內(nèi)如果壓力始終小于2 000 psi，則黃色打油指示燈一直保持亮起狀態(tài)，打油繼電器K1一直保持閉合狀態(tài)，X 時(shí)間到，黃色打油指示燈熄滅，打油繼電器K1松開(kāi)，紅色報(bào)警指示燈亮起，報(bào)警繼電器K2吸合，停Y 分鐘，在停的時(shí)間內(nèi)若手動(dòng)打油鍵被按下黃色打油指示燈亮起，打油繼電器K1吸合。打油間隔Y 時(shí)間到，重復(fù)上述過(guò)程[8]。根據(jù)邏輯關(guān)系圖進(jìn)行C 語(yǔ)言的程序編輯，然后燒入STC 單片機(jī)中，進(jìn)行試驗(yàn)和運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著設(shè)備的逐漸老化，830E、930E 卡車(chē)林肯泵定時(shí)器損壞率逐年上升，生產(chǎn)成本繼而逐年增加。林肯泵定時(shí)器的自主研發(fā)和生產(chǎn)有效解決了這一問(wèn)題。經(jīng)過(guò)試運(yùn)行，功能正常、運(yùn)行可靠，已經(jīng)能成熟替代PC2667 型定時(shí)器，有效降低設(shè)備維護(hù)成本。此項(xiàng)創(chuàng)新獲得準(zhǔn)能集團(tuán)第五屆職工優(yōu)秀經(jīng)濟(jì)技術(shù)創(chuàng)新成果一等獎(jiǎng)，并獲得國(guó)家專(zhuān)利。