礦用鋼繩芯膠帶無損探傷裝置的設計

高文博

（同煤國電同忻煤礦有限公司，山西大同，037001）

0 引言

礦用鋼絲繩輸送帶作為井下運輸的重要設備，對于煤礦生產具有重要作用。但是，由于煤礦井下環境惡劣，輸送帶負載大，導致輸送帶極易斷裂，影響正常生產，嚴重時引發人身傷亡事故[1-2]。為了對輸送帶鋼芯進行在線檢測，科技工作者采用一系列方法手段對輸送帶鋼芯狀態進行檢測，包括：視覺檢測法、磁感應法、X射線檢測法等[3-4]。其中，X射線檢測法可以更加直觀地反應輸送帶內鋼芯分布狀況，本文以stm32 單片機作為核心，根據X 射線檢測原理設計輸送帶鋼芯探傷裝置，利用圖像處理算法對比正常和故障輸送帶內部鋼芯分布差異，實現故障快速定位與及時報警。

1 無損探傷裝置組成結構

輸送帶鋼芯探傷裝置系統結構(圖1)，主要包括穩壓電源、X射線光源、X光探測器、RS-485通訊模塊、遠程顯示界面。X射線光源供電電壓220 VAC，光線射出角度60°。X射線通過皮帶后，被皮帶下方的X鋼探測器接收，經過光電轉換模塊轉換為電壓信號，再經過A/D轉換模塊轉換成數字信號，通過RS-485通訊模塊發送給遠程PC，利用圖像識別算法對現場數據進行分析。

圖1 輸送帶鋼芯探傷裝置系統結構

2 無損探傷裝置硬件部分

2.1 主控芯片選型

在本系統中，現場檢測數據轉換成數字信號進行傳輸，并且在鋼絲繩輸送帶運行過程中，檢測信息需要不斷更新，串口需要不斷傳輸現場檢測的數字量，因此，主控芯片選型為stm32f429 系列單片機，該單片機是Cortex-M4系列單片機，供電電壓1.7 V～3.6 V，主頻最高可以達到180 MHz，具有DSP指令集，內部存儲器可以完成256+4KB 的SRAM，可以滿足大量檢測數據存儲、傳輸的功能需求，外部通訊接口數量為4，傳輸速率為11.25 Mbit/s，通過對運行中輸送帶鋼芯狀態動態監測，達到實時監測的目的。

2.2 A/D轉換電路

光電轉換模塊將透過鋼絲繩輸送帶的X射線轉換成電壓信號，但是，電壓信號并不適合傳輸和存儲，因此，需要增加A/D 轉換模塊，將模擬量轉換為數字量，利用單片機進行編碼，完成信號的遠程傳輸，提高后續數據分析的效率[5]。

為了提升A/D 轉換精度，本系統使用德州儀器生產的ADS8422 芯片作為A/D 轉換器，該芯片內部使用16位逐次逼近寄存器，A/D 轉換速度為4Msps，內部參考電壓值為4.096 V，可以在單電源供電的情況下可靠工作，同時保證AD轉換精度，被廣泛應用在工業自動化、醫療成像等領域。ADS8422 芯片共有48 個引腳，在使用之前將芯片的BYTE引腳拉低，選擇為16 bit工作模式，當AD轉換完成后，BUSY引腳置低，此時可以進行數字量的讀取。

2.3 串口通訊電路

輸送帶鋼芯探傷裝置的通訊協議選擇為RS-485，通過兩根數據線（A、B）完成信號傳輸，采用差分信號進行數據傳輸，具有較強的干擾性，特別是在煤礦生產中，能夠保證現場檢測數據完整地發送給地面監測平臺，最遠傳輸距離1 200 m，在使用中繼的情況下，傳輸距離最遠可達9.6 km，可滿足現場數據遠程傳輸需求。

2.4 電源電路

為了將交流220 V 電源轉換成12 V 直流電源，本系統采用E型變壓器實現電能轉換，產品型號為E41×20/5 W，輸出最大電流為0.42 A，可以滿足X光探測器的工作需求，外接引線為阻燃材料，保證產品在煤礦井下的安全性能。

Stm32 單片機的電源芯片選擇為TO- 263 LM2596S-3.3，輸入電壓12 V，輸出電壓3.3 V，輸出電流最大值為3 A，工作溫度范圍-40℃～125℃，最大輸入電壓40 V，具有工作可靠、抗干擾能力強的特點，在電路設計中，需要增加4 個電路組件，組成穩壓電路，電路開斷頻率最高為50 kHz。

3 無損探傷裝置軟件部分

系統硬件平臺設計完成后，需要向stm32 中燒寫程序，完成硬件平臺的測試和系統功能的實現。系統軟件采用Keil-5 軟件平臺進行開發，程序仿真下載通過J-Link 仿真器完成，下載方式選擇為SWD 下載，只需使用4 根線（VCC、SWDIO、SWCLK、GND）即可完成程序下載與調試。

3.1 主程序設計

礦用輸送帶鋼芯探傷裝置主程序如下圖2 所示，單片機上電后，首先要清除中斷、關閉看門狗定時器，對系統進行初始化，之后，啟動光電轉換模塊和AD轉換器(ADC)，開始采集通過鋼絲繩輸送帶的X 射線，并將其轉換為數字信號，在單片機內部存儲區進行編碼和存儲，完成一個周期的掃描后，將采集標志位置高，作為采集完成的標志，同時給RS-485 模塊上電，將現場采集數據遠程發送給地面監控平臺，采用圖像識別算法對比現場檢測數據和正常鋼絲繩輸送帶數據，當判斷出現故障時，對故障進行定位并發出報警信號，否者結束程序，進入下一個檢測周期。

圖2 鋼芯探傷裝置主程序

3.2 通訊程序設計

現場數據完成采集之后，需要對采集數據進行編碼，在字節開始的位置增加起始標志位“1A”，結束標志位為“5D”，中間數據為現場檢測數據。在通訊程序中打開定時器中斷，當通訊時間超過30 s時，視為通訊故障，重新給RS-485模塊上電，重新進行連接，為了防止程序跑飛，將重啟次數設置為5次。

4 無損探傷裝置圖像部分

為了提高遠程PC對現場檢測數據的分析能力，提高故障定位準確性，在系統中引入均值濾波算法和灰度拉伸算法，旨在抑制現場采集數據的噪聲，

4.1 均值濾波算法

均值濾波算法是對整個鄰域像素點進行平均的一種計算方法，用周圍鄰域內的像素點的均值替代原有的像素點數值，使整幅圖片扁的平滑，相比于其他濾波方法具有算法簡單、計算速度快的的特點，適用于圖像識別、故障定位等實時性強的應用場合。

選擇一個有若干個點組成的模板，中間像素點為(x,y)，假設周圍像素點的額個數為M 個，則像素點(x,y)的灰度值計算公式為：

通過均值濾波，圖像的邊緣被破壞，因此，當模板選擇越大時，圖像越模糊，本系統中，模板大小選擇為9×9。

4.2 灰度拉伸算法

灰度拉伸是圖像增強的一種算法，在空間域內對像素進行映射，通過像素變換，使原圖像具有更加直觀的視覺效果，在故障診斷中，增加圖像灰度對比，可以加速故障特征量的提取。灰度拉伸算法原理如下：

灰度拉伸的映射函數一般為分段函數，針對圖像中灰度值較低的區域，在此區域使用斜率＞1的一次函數作為映射函數，將像素值拉伸到由低到高較大的范圍內；針對圖像中灰度值較高的區域，在此區域使用斜率＜1的一次函數作為映射函數，將像素值拉伸到由高到低的較大的范圍內[6]。

5 使用效果

為了對以上研發裝置的實際使用效果進行評估，于2019 年9 月15 日至10 月15 日，在同煤國電同忻煤礦集團進行現場安裝與測試，現場檢測部分圖片如下圖3所示。由圖可知，在檢測截面內，有三根鋼絲繩出現斷裂，其余鋼絲繩均完整無故障。

圖3 檢測圖片

6 結束語

本文以stm32 為核心，設計礦用輸送帶鋼芯探傷裝置的硬件結構、軟件程序和圖像識別算法。通過現場使用，得到較為準確的檢測數據，能夠對鋼絲繩膠帶的運行情況進行準確的實時監測，滿足檢測現場需求。在現場安裝過程中，方便靈活，不會影響膠帶機的正常運行，采用的探傷技術安全可靠，具有較強的市場推廣價值。