基于單片機的鋼材破損實時監控系統設計

◎ 徐子鋒，任書杰，王帥國，趙 征，韓曉燁，王康興

（連云港東糧碼頭有限公司，江蘇 連云港 222000）

耐磨鋼板因其耐磨性、成本低、易于加工等優勢，被廣泛用于散糧發運設備的殼體與關鍵性部位。在實際生產中，由于大量物料的沖擊與內部其他部件的摩擦，耐磨鋼板部分會出現過度磨損，且在實際生產運行中，這種磨損很難預測。因此，設備維護人員只能在物料發生撒漏堆積后，才能發現鋼板出現了穿孔性損傷。這一問題不僅會造成經濟成本、人力成本的增加，也不利于安全生產。

1 散糧機械易破損部件介紹

1.1 殼體部分

殼體是散糧機械設備的重要組成部分，以刮板機為例。刮板機是一種常用的糧食輸送設備，其結構如圖1 所示。刮板機以多塊耐磨鋼板采用焊接或翻邊法蘭連接組成，內部采用翻版鏈條在內部循環運動帶動物料。驅動方式通常采用變頻器驅動交流異步電動機帶動減速箱，并配備有斷鏈、堵塞等保護裝置。

圖1 刮板機結構示意圖

在刮板機中，直接與物料接觸的部分為鏈條和殼體。其中，鏈條由耐磨鋼材鍛造成型，在殼體內部有鏈條的兩側刮板帶動糧食運動，如圖2 所示。殼體是將物料保持在機械內部的關鍵，刮板鏈條帶動物料在殼體鋼板上摩擦，殼體材料目前主流采用10 mm 耐磨鋼板，在大量的物料摩擦下，鋼板的材料極易產生磨損。在實際生產過程中，隨著刮板鏈條的運轉，其長度會慢慢增長，從而與底部殼體產生摩擦。運轉過程中的震動、物料的不均勻、鏈條運轉時間過長沒有及時張緊，當這幾個因素同時作用時，會導致鏈條摩擦到側面殼體。

圖2 鏈條結構示意圖

1.2 翻版部分

翻版部分的應用場景主要在電子翻版的活動部件，這一設備的功能是利用電動機帶動翻版，讓糧食在不同流程的情況下去往不同地點，其結構如圖3 所示。

圖3 翻版結構示意圖

翻版作為活動部件，在運行中會直接接觸物料，物料經由重力沖擊其與殼體的接觸部分。當翻版被物料摩擦產生形變后，其與殼體的配合便不再緊密，當配合縫隙過大時，便會出現物料撒漏，嚴重的會出現不同物料的混質，引發質量問題。

1.3 滑動門部分

滑動門是散糧系統常用機械，大多設計在倉底與倉頂，其結構為電機帶動一塊裝有齒條的耐磨鋼板，在專門的框架中做橫向運動，達到控制開合的目的，如圖4 所示。倉底的滑動門在工作中承擔控制物料出倉的作用，倉頂的滑動門常常位于刮板機下方，起著控制物料進倉的作用。

圖4 滑動門結構示意圖（氣動）

在實際生產中，倉底的滑動門主要受到物料的壓力，僅在開關門階段受到摩擦，但摩擦程度不足以對鋼材造成損壞。倉頂的滑動門在工作中大部分情況是關閉狀態，在刮板機運行時成為刮板機底部殼體的一部分，受到物料、掛壁鏈條摩擦。

2 破損原因分析

2.1 物料的摩擦

在實際生產中，大量的物料摩擦殼體、滑動門、翻版，導致特定部位鋼板越來越薄直至穿孔。當鋼板出現穿孔，物料會因為壓力從機械內部擠壓出來。當物料被擠壓出破損穿孔處，穿孔處會發生形變，破損擴大，導致更多物料泄漏出來。此外，隨著耐磨鋼板的損壞，以其作為外殼的機械設備失去原有的機械支撐，產生物理形變，從而擴大損壞范圍。

2.2 同設備其他部件的摩擦

由于物料擠壓、熱脹冷縮、其他部件形變等因素，設備在運行時配合不緊密，導致刮板機的殼體與鏈條之間出現摩擦，造成鋼板的損壞往往相較于物料摩擦造成的損壞更為嚴重，更易出現穿孔、形變等。

2.3 自然銹蝕

露天設備因為風吹日曬，會出現外部保護油漆脫落的情況，使得鋼材直接裸露在空氣、雨水中，導致鋼材出現銹蝕，繼而出現形變、穿孔等問題。自然銹蝕產生的損壞具有以下特點。①時間方面。相比物料摩擦、與其他部位的摩擦，自然銹蝕造成結構性損壞的速度要慢得多。②位置方面。自然銹蝕產生的損壞集中在設備外層，損壞由內而外，與物料摩擦、與其他部位的摩擦剛好相反。因此，自然銹蝕產生的損壞在初期更容易被現場工作人員發現。

2.4 原因總結

在實際生產中，鋼材破損往往不是一種原因單獨導致的。以翻版為例，翻版鋼材的損壞主要是物料摩擦與同設備其他部件摩擦共同作用導致的；以刮板機為例，由于刮板機體積較大，多放置在室外。因此，刮板機鋼材的損壞多由3 種原因共同導致。

3 系統分析

3.1 系統原理分析

結合上文關于損壞原因與損壞位置的分析，本文明確了其中存在的問題，得出了損壞位置與損壞形式存在共性，即損壞位置集中在以耐磨鋼板為原料所組成的外殼或是翻版，其表現形式為一整塊的長方形鋼板；損壞形式表現為長方形鋼材的穿孔、形變，實際上是結構方面的不完整。

針對以上問題，本文提出以下改進思路，對整塊耐磨鋼板完整度進行監控，主要包括以下方面。

（1）利用電阻監控鋼材的平均厚度。厚度作為鋼材的重要指標，檢測方法有很多，考慮到成本與實際效果可采用電阻測量法。鋼材作為金屬材料是一種良好的導體，一塊鋼材在切割完成后，其內在的基本屬性就會保持恒定，包括電阻值。

其中，R為電阻，ρ為導體電阻率，L為導體長度，A為導體截面積。鋼板作為導體時，在加工完成后，其導體電阻率和導體長度便固定下來。此時，若鋼材出現磨損，就會導致導體截面積減小，表現在電阻值方面，即電阻值的增加。

（2）利用導體網絡監控鋼材的實際狀態。將鋼材分割為5 mm×5 mm（參照大豆這一物料的直徑，不同物料可采用不同的分區標準），在分區邊緣布置細金屬絲（本設計中采用銅絲），各金屬絲之間相互絕緣組成金屬網絡，如圖5 所示。當鋼材出現穿孔、大程度形變時，附著在鋼材表面的金屬絲會發生斷裂。因為鋼材被網絡覆蓋，橫排金屬絲可以標記破損處的橫軸，豎排金屬絲可以標記破損處的縱軸，從而得出破損處的坐標。

圖5 金屬網絡示意圖

因此，考慮到糧食系統粉塵防爆問題，利用導體網絡監控鋼材的實際狀態作為本設計的理論基礎。

3.2 系統結構介紹

系統可分為鋼材表面金屬網絡、單片機系統、中控室3 個部分。

（1）金屬網絡通過金屬絲的覆蓋將破損信息轉換為電信號，作為破損信息的接收端，將破損信號傳遞給單片機系統[1]。

（2）單片機系統作為系統的接收端，同時也是發送端。其中，接收端接收來自金屬網絡的信號，并計算出破損點的位置。繼而將破損位置信息發送至后端中控室，作為發送端。

（3）中控室接收到破損位置信息，發出報警信號，若破損位置對應的機械有生產作業流程則彈出是否需要暫停的窗口。若存在多處、大面積破損，則自動暫停生產工作流程。同時，通知現場維修人員確認故障情況并進行維修。系統結構示意圖如圖6 所示。

圖6 系統結構示意圖

3.3 金屬絲網絡結構圖

金屬絲網絡的具體結構可分為以下5 層：①底絕緣層。這一層直接接觸鋼板，將其他層與鋼板隔離開來，最重要的是起到鋼板絕緣的作用。②橫金屬絲層。將0.3 mm 直徑的銅絲，以每根間隔5 mm 的方式橫向排列在底絕緣層上，并加以固定，此層的作用在于當鋼材有損壞時，提供損壞點的橫軸坐標。③中絕緣層。在橫金屬絲層上方布置中絕緣層，中絕緣層可隔離橫金屬絲層與下一層，縱金屬絲層可起到相互隔離、絕緣的作用。④縱金屬絲層。將0.3 mm 直徑的銅絲，以每根間隔5 mm 的方式縱向排列在中絕緣層上，此層的作用在于當鋼材有損壞時，提供損壞點的縱軸坐標，并與橫金屬絲層配合得到具體的破損點坐標[2-3]。⑤外保護層。此層為最外層，起到絕緣與保護的作用，需要其有一定的耐腐蝕能力，以有效保護金屬網絡與底部耐磨鋼板免受自然腐蝕的影響。具體材質可由機械的布置和機械用途決定，結構圖如圖7 所示。

圖7 金屬網絡結構圖

3.4 單片機結構設計

本次設計中以單片機為核心，將金屬絲網絡與單片機相連接，利用單片機完成對破損點位置的確認。具體設計采用51 單片機，配合外部電路實現數據的收集與計算，最終發送數據。

3.4.1 單片機核心

如圖8 所示，本設計采用AT89C52 單片機，包括40 個引腳。其中，有32 個通用I/O 引腳，將其中16個連接橫金屬絲、16 個連接縱金屬絲，接著檢測其電平狀態來確定具體通斷情況[4]。

圖8 單片機核心原理圖

3.4.2 下載電路原理

此部分電路為輔助電路，用于使用USB 線連接電腦時，將程序下載至單片機中，具體原理圖如圖9 所示。

圖9 USB 下載電路圖

3.4.3 電源模塊

此部分的作用是將5 V 電壓轉為3.3 V 電壓直接為系統供電，具體原理圖如圖10 所示。

圖10 5 V 轉為3.3 V 電源模塊圖

3.4.4 無線發送模塊

通過NRF24LO1 無線收發模塊，可以將計算得到的破損點位置信息以坐標的形式發送出去。此模塊可直接購買成品，通過接口連接系統，如圖11 所示。

圖11 NRF24LO1 模塊接口圖

3.5 算法分析

將通用引腳按位置排布分為2 組：X 組和Y 組，其中，X 組引腳為P1.0～P1.7、P3.0～P3.7 引腳；Y組引腳為P2.0～P2.7、P4.0～P4.7。分別與金屬絲層的縱金屬絲、橫金屬絲相連接，連接方式如圖12 所示。

圖12 金屬絲網絡接線圖

由圖12 可知，金屬絲層兩端一邊與單片機對應引腳相連，另一端連接VCC，5 V 電壓。一般來說，單片機5 V 電壓為高電平信號，當金屬絲正常時，電壓5 V 為高電平；當金屬絲因為磨損出現損壞時，金屬絲斷裂，電壓0 V 為低電平。在程序中，以P1.0 引腳為例，金屬絲完整時，P1.0=1；金屬絲出現損壞斷路時，P1.0=0。

程序先依次判斷X 組各引腳電平情況，若X 組各引腳電平情況正常，再依次判斷Y 組各引腳電平情況；若Y 組各引腳電平情況正常，5 000 ms 后，進入下一次判斷循環。

當循環掃描判斷的過程中出現低電平，以P1.0 為例，IF（P1.0=0）條件成立，則在此基礎上繼續判斷Y 組電平；若Y 組電平全部為高電平，則進入下一次的循環判斷[5]。若Y 組電平判斷中出現低電平，以P2.7 為例，IF（P2.7=0），則直接輸出（1，7）坐標，坐標對應鋼材破損點具體位置，程序流程圖如圖13 所示。坐標信息會以無線形式發送，中控室接收到信息開始報警，并提示工作人員進行檢查。

圖13 程序流程圖

4 結語

本文從生產實際出發，找出了實際生產中鋼材容易出現的問題，并設計了一套以單片機為核心的鋼材實時檢測系統，從系統結構到電路設計，再到算法分析，論證了系統的原理與具體實施辦法，有效解決了糧食機械外殼、翻版等以耐磨鋼板為原材料的機械部件在使用過程中的損壞問題，有利于港口、糧庫等提升服務質量，減少人力成本，增加企業競爭力。