一种新型并条机断条光电自停装置的设计

2009-10-13 20:22:48来源: 现代电子技术

  0 引 言

  并条机断条自停装置(简称自停装置)的可靠性直接影响并条机的产条质量,堵条、罗拉缠绕和积花(通称为堵条)则会影响生产效率,甚至会损坏设备。因此对并条断条、堵条的快速、准确检测具有实际意义。早期的自停装置为机械接触式,因可靠性差、与棉条接触和设备运行速度的提高等因素而逐步被淘汰,高架并条机已不采用,现在广泛应用的是光电对射式自停装置。并条机断条自停装置一般不具有堵条自停功能,存在易损坏、智能化程度低和调试应用不便的缺点,检测单元的位置和角度稍有变化即会影响检测的可靠性,造成漏检和误停车。随着变频器应用的增多,抗干扰能力弱的缺点也显现出来。

  光电自停装置的工作原理与对射式光电接近传感器的原理基本相同,一般采用红外发射二极管发射某一频率的红外光,用光敏器件接收透射光并转换为电信号,含有光路状态信息的信号由放大器放大并经检波,确定是否有物体经过光路。为提高可靠性,接收器件常用滤光封装滤除自然光,避免光电转换器件饱和;采用特定频率的红外调制光,抑制环境突变光干扰。随着技术的进步,集成化、智能化的光电传感器也不断出现。但并条机应用的各种光电自停装置一般不具有智能化检测特点,集成化程度较低,光电转换器大多采用光敏二极管或光敏三极管分离元件构成,接收器件仅完成光电信号转换功能,信号放大和检波需设计外围电路支持,因此接收器件的性能是光电自停装置电路设计的技术关键。为此,基于集成化IRM设计了一种新型智能化自停装置,统一了并条机前后光电路设计,在FA302,FA306等型号的并条机上应用证明,其检测可靠,避免了设备误停。

  1 自停装置系统构成

  1.1 系统构成与设计特点

  如图1所示,新型光电自停装置由四路对射式光电断条检测单元、两通道对射式光电堵条检测单元和自停控制器构成。控制器具有双控功能,断条自停和堵条自停分别输出,与检测单元采用三总线连接,为检测单元提供电源和接收停车信号。检测单元由红外线发射器和接收器组成,前后光电检测单元的电路原理相同,因安装方式不同其外观尺寸有差别。发射器工作状态受接收器控制,二者通过光路构成一个闭环检测系统。为防止光路间相互干扰,发射与接收器均安装光学透镜系统,使发射光到达接收器的光斑直径约为20 cm,因此,接收器具有较大的接收和调整范围。

新型光电自停装置由四路对射式光电断条检测单元

  断条检测单元具有自动复位功能,检测到断条后输出停车信号1 s即自动复位,当接收器持续接收不到光信号时间超过5 s,则发出故障指示,提醒维护。堵条检测单元检测到堵条故障,则持续输出停车信号,防止启动设备造成设备故障,堵条故障被排除后方能自动停止输出停车信号。考虑电缆连接的可靠性与方便性,发射器和接收器采用电话水晶头连接器与总线连接,安装、更换方便。

  1.2 检测单元构成框图

  参见图2,发射与接收单元虽是分体结构,但电路设计为一整体系统。主要由微处理器电路、动态光强控制电路、红外发射电路、IRM接收电路及输出电路构成,由控制器提供工作电源。微处理器作为智能控制单元,与动态光强控制电路、发射电路、IRM接收电路,通过光路构成一闭环控制系统,使发射与接收具有智能化检测的特点。停车信号通过输出电路送到自停控制器,控制设备停车。

检测单元构成框图

  考虑到应用环境存在飞花、落尘和设备震动等因素,提出一种以微处理器为核心的检测方案,采用在遥控领域应用广泛的IRM作为检测器件,简化电路设计,提高稳定性;应用调制红外光发射,排除环境光干扰;以发射、接收检测反馈应答工作模式,提高检测可靠性;利用智能化的可变光强发射技术,抑制因透镜面落尘、发射器与接收器位置变化造成的误检测。应用证明在透镜稍有落尘的情况下,检测可靠。

  2 自停装置的电路设计与原理

  2.1 IRM简介与传输特性

  IRM-3638型红外遥控接收模组,将光探测器、前置放大器、检波电路集成封装在一起,以实现信号的接收、放大与检波。无外围元件,输出与TTL和CMOS兼容,可直接与微处理器接口。具有可靠性高、抗干扰能力强、功耗低(2 mA@5 V)、灵敏度高的优点。

  IRM适宜对波长为940 nm、调制频率为38 kHz红外脉冲信号的接收。当信号强度达到IRM的接收要求时,只需接收6个脉冲就能可靠触发输出低电平信号,如图3所示。若IRM连续接收38 kHz的红外脉冲信号,将持续输出低电平;IRM接收不到符合要求的红外信号时将输出高电平。因此若物体经过或遮挡接收光路,IRM接收的将不是连续脉冲光或接收不到脉冲光,光电自停装置的接收器正是利用了IRM这一检波传输特性,微处理器通过检测IRM的输出状态,可获取光路的被遮挡的信息,并且自停装置省掉了放大器和检波电路设计,提高了系统稳定性。

IRM传输特性

  2.2 动态光强控制红外发射电路

  红外线发射采用了动态可变光强设计,见图4。L1为红外发射二极管,T1,T2为PNP型三极管。当T2截止时,L1的限流电阻为R1+R2;T2饱和导通时短路R2,L1的限流电阻为R1,因此通过控制T2的导通状态可控制通过L1的工作电流大小,实现光强控制。微控器通过T1以频率为38 kHz、占空比为1/2的脉冲驱动红外发射管L1产生脉冲红外光。系统上电时微处理器控制T2截止,以小光强进行接收检测,若能够正常接收,系统将维持小光强发射进入工作状态,以提高发射器寿命。若不能正常接收,T2将导通提高发射光强,这时若能正常接收,系统将以较大光强进入工作状态,同时系统发出提示清洁透镜或调整接收器位置的信号。若仍不能正常接收,则自动关闭接收器输出,维持其他单元系统工作,并发出故障提示信号。这种设计方法,使发射与接收具有反馈应答特征,红外发射光强度得到动态控制,使接收器自动适用接收状态的变化,有利于提高检测可靠性。

动态光强控制红外发射电路

  2.3 自停装置单元电路原理

  电路的信号处理和控制核心采用了Microchip Technology Inc.生产的PIC12C508A微处理器。它基于COMS设计,采用RISC结构,片内程序存储器EPROM和数据存储器RAM,并集成了上电复位电路(POR)、时钟振荡器(INTRC)、看门狗定时器(WDT)等功能单元。具有小型化封装(8-Lead SIOC)、低功耗(2 mA@4 MHz)、高性价比的优点,为接收器的小型化设计提供了方便。自停装置的电路设计充分利用了其内建功能,提高了集成度,降低了系统成本。

  电路原理如图5所示,图中电阻R1,R2,R3,R4,红外发射二极管L1、三极管T1,T2构成发射电路,由U1的GP4,GP5口输出控制信号驱动。IRM3638、电阻R5、电容C2构成红外接收电路,R5与C1的作用是与发射电路的电源隔离,防止信号串扰,稳定IRM的供电。电阻R6。、三极管T3构成输出电路,为使各单元的输出能够采用线“或”式向自停控制器输送停车信号,采用集电极开路(OC)输出。L2为共阳极红绿双色LED,与R7,R8构成状态指示电路,由U1的GP0,GP1口驱动。正常接收时显示绿色;提醒清洁时显示橙色;输出停车信号时显示红色;接收故障时为橙色闪烁,可根据显示状态了解接收器工作情况。

发射接收单元电路原理

  U1软件系统产生的38 kHz脉冲信号由GP4输出,经R3,T1驱动L1发射红外脉冲光信号。接收模组IRM接收到均匀间隔的连续脉冲时输出低电平,U1控制GP2处于低电平,T3处于截止状态,接收器输出电路呈高阻态。光路有棉条经过时,光路被遮挡,作用到接收器的光脉冲信号出现暂时中断,IRM输出高电平,高电平持续时间等于被遮挡时间。U1将通过GP3循环检测IRM的输出,确定是否有棉条经过光路或堵条遮挡光路。当GP3为高电平时,U1软件系统抗干扰确认后,GP2输出持续1 s的高电平,使输出电路饱和导通,向自停控制器提供停车信号。

  实验证明,设备运行状态下棉条断裂下垂掠过光路的时间大于等于20 ms,微处理器软件系统对IRM的输出信号进行软件抗干扰处理,过滤高电平持续时间小于20 ms的输出脉冲,使飞花干扰得到彻底抑制。检测过程中,IRM仅用于接收并初步判断是否有棉条经过光路,其输出信号并不直接控制输出电路,而是送微处理器进一步确认。确认过程一方面能排除干扰,另一方面还对发射电路反馈控制信息,以稳定检测,避免了干扰和输出抖动,因此接收与发射在检测过程中具有反馈应答的智能化特征。

  2.4 自停控制器电路原理

  自停控制器电路原理参见图6,图中IO1,IO2为接口接线端子;J11,J12为断条停车继电器J1的触点输出;J21,J22为堵条停车继电器J2的触点输出;AC,AC为12 V交流电源输入端子,输入电压经全桥B1整流并经C1,C2滤波后输出直流电压VCC,为J1,J2供电;VCC电压还经三端稳压器V1稳压后为发射接收单元提供+5 V电压。IN1,+5 V,VSS为断条检测单元系统总线;IN2,+5 V,VSS为堵条检测单元系统总线。L1,L2分别为两种停车方式的动作指示LED。三极管T1与电阻R2,R3构成J1的驱动电路,二极管D1用于保护T1,驱动电路的输入端连接IN1。三极管T2与电阻R4,R5构成J2的驱动电路,二极管D2用于保护T2,驱动电路的输入端连接IN2。

自停控制器电路原理

  设四路断条检测单元的输出分别为OC1,OC2,OC3,OC4;两路堵条检测单元的输出分别为OC5,OC6,则断条停车的条件为:

公式

  这种线“或”的逻辑接口设计,可方便地在总线上连接多个发射与接收单元,即无论哪一路输出低电平,都会引起自停控制器输出停车控制信号,而单元之间不会产生相互影响。

  3 自停装置的程序设计

  PIC12C508A微控器,采用精简指令集系统,除跳转指令外绝大多数指令周期1μs@4 MHz。为提高抗干扰能力,启用片内WDT用于程序监控。另外,用软件对输入信号进行了抗干扰处理,过滤脉冲宽度10 ms以下的输入干扰。堵条检测软件与断条检测软件基本相同,停车输出控制时间有差异,堵条停车要待故障清除才释放停车输出。

  3.1 软件流程图

  系统上电后微处理器先进行初始化设置,包括状态字设置、程序监控设置、输入、输出口设置、时间常数设置,然后进行光路接收测试,先以低光强测试,接收异常则加强发射光强度继续测试,若仍异常则退出检测,提示故障信息。接收正常进入主程序,进入主程序后在循环检测输入过程中产生38 kHz的脉冲信号。软件系统包括初始化程序、主程序、测控程序和38 kHz脉冲输出子程序,初始化检测和主程序软件流程图如图7所示。

初始化检测和主程序软件流程图

  3.2 软件产生38 kHz脉冲子程序清单

  为简化电路设计,通过合理设计软件系统,由软件产生38 kHz调制脉冲信号,在测试程序和主程序两次调用间隙检测IRM输出。这个间隙时间为脉冲周期的一半,即13 ns。微处理器的指令周期为1 ns,系统能够执行13条指令,足以实现检测IRM输出并完成程序跳转(2~4 ns)。为稳定接收,每次调用连续循环发射红外光1 ms,并在程序中嵌入复位看门狗(Watchdog)命令,监视微处理器运行,防止强干扰造成系统运行异常。程序清单如下:

程序

程序

  4 结 语

  智能化的光电自停装置在设计上充分考虑了其应用现场的环境条件,将应用广泛、价格低廉的遥控接收器件和微处理器应用到电路设计,并采取了IRM内部集成放大和检波功能、动态光强控制、软件抗干扰等多项措施。充分利用了微控器软硬件资源,电路简洁、原理简单,提示信息全面。系统具有低功率消耗特点,每个发射与接收单元的工作电流小于30 mA@DC 5 V。在附加了堵条检测功能的条件下,系统仍具有扩展性,现场应用取得了较好的效果。

关键字:纺织电气  并条机  断条自停装置  红外接收模组  微处理器

编辑:金海 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2009/1013/article_1791.html
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