刮板輸送機廣泛應用于煤礦工作面和選煤廠，是煤炭運輸的核心裝備。鏈條作為刮板機輸送機核心部件之一是主要運動受力部件^[1]，由于設計制造、使用維護以及煤礦特殊的工作條件影響^[2]，鏈條斷鏈、跳鏈、堵轉和斷刮板故障時常發生^{[1,2,3,4,5,6,7]}。及時發現刮板輸送機鏈條故障，可以有效保證刮板輸送機正常運行，為煤礦安全高效生產提供保障^[1]。筆者提出了一種適用于刮板輸送機鏈條故障傳感原理^[8]，可以檢測斷鏈、跳鏈、堵轉和斷刮板故障。該裝置在鏈輪上分別安裝舌板A和B，在舌板A和B上分別安裝霍爾傳感器C和D，鏈輪轉動會帶動舌板擺動一個角度，導致霍爾傳感器輸出信號電平高低發生變化，輸出正?；蚬收锨闆r的脈沖信號。本文基于該傳感原理設計了鏈條故障傳感器;以雙單片機為核心，開發了一種在線監測儀，提出了雙路脈沖信號分析邏輯，利用了鏈條故障傳感輸出的脈沖信號，實現了及時檢測鏈條是否發生斷鏈、跳鏈、堵轉和斷刮板故障，為設備安全和煤礦生產提供有效保障。

鏈條故障傳感器結構如圖1所示，由圖1可知，傳感器結構包括舌板、轉環、磁柱、霍爾元件、屏蔽電纜、擋板、固定軸、固定板和立板。其中，固定軸與立板螺栓連接，固定板與立板螺栓連接，擋板與與立板螺栓連接，舌板與轉環螺栓連接，磁柱與轉環磁力連接，轉環與固定軸頂絲連接，霍爾元件與固定板頂絲連接，霍爾元件與屏蔽電纜通過快插接頭連接。舌板位于刮板輸送機鏈輪正上方，保證刮板通過時與舌板能夠發生碰撞，帶動磁柱擺動。磁柱與霍爾元件正對時電纜輸出高電平，否則輸出低電平，從而能到兩路脈沖信號。根據刮板輸送機鏈條故障傳感原理^[8]，電纜一直輸出高電平表明發生斷鏈故障或堵轉故障，電纜輸出一段n倍標準脈沖時間的高電平表明發生斷刮板故障，電纜輸出兩路步調不一致的標準脈沖表明發生跳鏈故障。標準脈沖可利用本傳感器對完好的刮板輸送機標定獲得，斷鏈故障或堵轉故障可結合刮板輸送機的控制開關信號區分。

監測儀能夠采集鏈條故障傳感裝置輸出的脈沖信號;能夠與控制刮板輸送機的開關通信，得到刮板輸送機電機的轉速;能夠結合電機轉速，分析出鏈條是否發生了故障以及故障類型;具有人機交互功能，能夠通過鍵盤設置裝置初始參數，能夠顯示鏈條故障信息、鏈速、設置信息等;能夠接入以太網，實現數據傳輸;具有防爆性。

監測儀結構如圖2所示，監測儀設計為隔爆兼本安型。由兩個單片機、液晶屏、按鍵、存儲模塊、光電隔離模塊組成的核心電路板置于本安腔，本安電源模塊、工業開關電源、串口服務器、安全柵置于隔爆腔內。

核心電路板自主研發。其原理是:傳感裝置輸出的兩路脈沖信號，經過光電隔離模塊分別送入1^#單片機和2^#單片機;控制刮板輸送機的開關輸出電機速度信號，經232接口，送入1^#單片機;兩個單片機通過相關邏輯進行分析和判斷，結果顯示在液晶屏上，并通過232接口，經串口服務器輸出以太網口，實現數據傳輸。鍵盤實現復位、參數設置等操作。

本安電源給核心電路板供電，工業開關電源給串口服務器供電，串口服務器將232口轉換為以太網口，實現接入以太網的功能，安全柵隔離核心電路板的本安232接口和串口服務器的非本安232接口。

開關電源選型HF50W-SF-24，本安電源選型為MKDS-I輸出雙路本質安全型電源;HF50W-SF-24輸入280～100VAC，輸出24VAC、2A;MKDS-I額定輸入127VAC，輸出雙路5VDC、1.8A;安全柵選型為GS8092-EX(S)，輸入輸出均為232信號;串口服務器選型為EDG-4504。主要元器件選型設計見表1。

監測儀的核心電路板采用STC89C52RC單片機開發，主要由脈沖信號隔離輸入電路、最小系統、鍵盤及顯示接口電路、EEPROM存儲接口電路、RS-232通信接口電路組成。以12864C-1液晶顯示屏為核心開發其液晶顯示模塊，工作電壓和背光電壓5VDC，內置了8291個16×16漢字和128個16×8ASCII字符集;以MAX232芯片開發其通信模塊，實現單片機TTL電平與232電平的轉換;以TLP521-1為核心開發其光電隔離模塊，實現輸入脈沖信號的隔離，頻率范圍達9600～19200Hz;以AT24C04為核心開發其存儲模塊，能掉電保護;獨立式鍵盤實現復位、參數設置等操作。

為了防止前向通道的干擾信號進入單片機，采用TLP521-1光電耦合器設計了脈沖信號隔離輸入電路。當脈沖輸入為高電平時，輸出為低電平;輸入為低電平時，輸出為高電平。

選用STC89C52RC，它內置了復位集成芯片簡化了儀表電路，最小系統只需包括:ISP在線編程電路、晶振電路。單片機U1、U2公用一個晶振電路，實現時鐘的同步。單片機輸出為TTL電平，通過MAX232實現TTL電平與RS-232電平的轉換，實現ISP在線編程。

鍵盤及顯示接口電路實現儀表的人機交互功能，鍵盤接口電路如圖3所示。圖3中，鍵盤接口采用中斷方式，與查詢方式相比，節約了單片機資源。芯片U6為74HC21與門集成電路;鍵盤U5有6個管腳，其中1、3分別為VCC(電源正)、GND(電源地)，2、4、5、6分別為復位、設置、加1、減1按鍵，接到與門芯片74HC21，輸出端接到單片機U1的外部中斷1。顯示接口電路如圖4所示，圖4中，液晶顯示器與1^#單片機采用并行通信，控制管腳4～6分別接到單片機P2.7、P2.6、P2.5，滑動變阻器R1調節液晶顯示器背光亮度。

以24C04為核心開發存儲模塊，存放公共數據，比如:刮板間距、脈沖高電平時間、儀表標志位、儀表通信地址、斷鏈、堵轉時，高電平持續時間閥值、跳鏈時間閥值。

RS-232接口電路實現數據上傳功能。RS-232通信接口電路與ISP在線編程電路公用是同一個電路。在開發階段該電路作為ISP編程電路，當開發成功后，只需用一個3線插座將TX,RX,GND信號引出至上位機。

該在線監測裝置以雙單片機為核心開發，采用模塊化理念設計軟件。軟件由兩部分組成:1^#單片機內置軟件程序和2^#單片機內置軟件程序。其中1^#單片機內置軟件包括:顯示模塊1、數據存儲模塊、延時模塊中斷處理模塊1、通信模塊、初始化模塊1、主程序1;2^#單片機內置軟件包括:數據存儲模塊、延時模塊、中斷處理模塊2、主程序2。雙核程序設計思路及雙路脈沖信號分析邏輯如下:

1)雙核程序設計思路。綜合使用單片機中斷和定時器模塊開發軟件。1^#單片機中，定時器0、外部中斷0用來測量脈沖每個周期內高電平的持續時間，外部中斷1供鍵盤編程使用，定時器1用來標定脈沖周期，數據上傳采用中斷方式通信，通信協議可以自定義軟件協議。2^#單片機中，定時器0、外部中斷0用來測量脈沖每個周期內高電平的持續時間，定時器1用來標定脈沖周期。

2)雙路脈沖信號分析邏輯。對于斷鏈、斷刮板、堵轉故障，通過檢測輸入脈沖高電平時間是否超限，可判斷是何種故障(堵轉故障必須結合電機電流來判斷)。然而，對于跳鏈故障，必須檢測1、2輸入通道的脈沖相位差來判斷。

單片機U1、U2互連接口如圖5所示，圖5中，U1、U2的P3.2分別為脈沖輸入通道1、2，通過單片機定時器0檢測輸入脈沖P3.2口輸入脈沖高電平的持續時間T_high和標準脈沖周期T，外部中斷INT0脈沖觸發。

若2T>T_high>T，則表明發生斷刮板故障;若T_high>N*T(N為刮板運行一圈產生的脈沖的周期數)，則表明發生了跳鏈或堵轉故障。對于U1，直接將故障標志位置1;而對于U2，則將其P2.0、P2.1、P2.3置0，由于U1、U2的P2.0、P2.1、P2.3口相連，于是U1可通過判斷其P2.0、P2.1、P2.3的狀態確定2通道是否發生故障及發生了何種故障。

當1號通道的脈沖信號產生負跳變，則觸發INT0中斷處理程序，在處理程序中，將U1的P2.4置0，由于U1的P2.4與U2的P3.3(INT1)相連，INT1為脈沖觸發，所以進入U2的INT1中斷處理程序，記下負跳變的時刻T1;同樣，U2的INT0也是脈沖觸發，亦可記下通道2的負跳變時刻T2。若T1-T2等于0或為毫秒級，則表明沒有發生跳鏈故障，否則，發生跳鏈故障，此時，將P2.2口置0。U1檢測到P2.2為0，則判斷發生了跳鏈。

U1、U2的P0.5、P0.6、P0.7互連，是用來讓單片機U1、U2同步檢查脈沖信號。

顯示界面主要包括:設置畫面，如圖6(a-c)所示;脈沖標定畫面，如圖6(d)所示?！癇T”代表斷鏈情況下，脈沖高電平持續時間上限值;“JT”跳鏈情況下，兩通道脈沖相差時間上限值;“HT＿L”代表斷刮板情況下，左通道脈沖高電平持續時間上限值;“HT＿R”代表斷刮板情況下，右通道脈沖高電平持續時間上限值。標定脈沖:對輸入標準脈沖的高電平進行標定，若輸入脈沖為刮板輸送機無故障脈沖，則標定值“HT＿L”和“HT＿R”可作為判斷鏈條是否發生故障的標準。故障復位:當儀表監測到故障時，會不停的進行報警，故障復位能夠清除當前報警顯示。按左、右鏈條狀態自動切換顯示。在故障狀態時，“○”代表有該種故障;“●”代表沒有該種故障。

本文設計的刮板輸送機鏈條故障傳感器及在線監測儀能夠實現刮板輸送機鏈條多種故障的(斷鏈、斷刮板、堵轉、跳鏈)在線監測，為刮板輸送機安全穩定運行提供有效保障，能夠保證煤礦生產安全。