一种带智能保护的叶轮控制系统.pdf

农机市场2023 8产业研究摘要：文章主要介绍了一种带智能保护的叶轮控制系统。针对现有技术存在的不足，发明提供一种利用光电型红外传感器检测是否有生物肢体进入叶轮的转动空间，进而控制转动叶片抱死不转动的带智能保护，以及实时通信的叶轮控制系统。关键词：叶轮；控制系统；红外线传感器我国是世界第一大工业国，对能源消费的需求量本就极大。但因我国能源供应存在缺口，节约能源关系着我国的经济安全和可持续发展。叶轮由轮毂、叶片和盖板三部分组成，是冲动式汽轮机转子的组成部分，广义上装有动叶的轮盘和轮盘与安装其上的转动叶片的总称都可称之为叶轮，它广泛应用在发电机、发电机、收割机、电风扇等机械自动化领域。对于叶轮的优化，国内外许多专家都有过研究，不仅涵盖闭式叶轮、开式叶轮，还涉及半开式叶轮等，都形成了相对完整的研究成果。通常情况下，我们更注重叶轮在实际工作中运行的效率，因此叶轮运行效率就成为研发设计者第一个要考虑的因素。叶轮在实际工作中要随着轴的高速旋转而运转，除了运行效率之外，叶轮是否正常运转决定着机器能否正常运行。但是目前应用的叶轮控制系统，都没有自动的保护控制，特别是在收割机、风扇等开式、半开式的叶轮应用中，时常会有人因技术不熟练、操作方法不当或缺乏对机械危险性的认识而产生操作失误，误把肢体伸进叶轮的转动空间，造成机械伤害，甚至死亡。对生物肢体是否进入设备进行监测，现有技术中广泛采用的是红外传感检测。红外线传感器是利用红外线的物理性质来进行测量的传感器，包括光学系统、检测元件和转换电路三大部分，具有灵敏度高、反应快等优点。我们选择红外线传感器时，最常规的选择是被动式红外传感器，即热释电红外传感器，是基于热电效应原理的热电型红外传感器，不需接触就可以检测到人体所辐射出的红外线，然后可以将它转变为我们需要的电压信号，同时，它还可以鉴别出来运动着的生物和其他的非生物。热释电红外传感器可以使用在防盗的报警装置上，也可以使用在我们需要的自动控制、遥控开关和遥测等诸多领域中。1.整体结构一种带智能保护的叶轮控制系统（如图 1 所示），包括可以锁死叶片的叶轮、红外线传感器单元（当然需要相应的传感器信号处理单元）和控制电路。叶轮设置在其转动空间内，叶轮通过机械装置实现锁死叶片功能。一种带智能保护的叶轮控制系统郝秋菊*（山西省农业机械发展中心，山西 盂县 045100）作者简介：郝秋菊(1981 年)，山西盂县人，山西省农业机械发展中心，高级工程师，研究方向：农业机械化。图 1农机市场2023 8产业研究红外线传感器单元由多个红外线传感器组成，多个红外线传感器分别设置在叶轮转动空间内的不同位置，例如 4 个红外线传感器固定在叶轮转动空间 4 个角上。控制电路主要由微控制单元及外围控制驱动电路组成；红外线传感器单元的输出信号送入传感器信号处理单元，传感器信号处理单元与微控制单元电连接。控制电路一方面要处理传感器信号处理单元输出数据以判断是否存在生物肢体进入叶轮转动空间，另一方面需要输出锁死叶片的控制信号。2.整体工作过程启动红外线传感器单元和传感器信号处理单元组成的自检装置，检测是否有生物肢体进入叶轮的转动空间。如果没有生物肢体进入叶轮转动空间，通过控制电路启动转轴，使叶轮转动。在叶轮转动的过程中，持续检测是否有生物肢体进入叶轮转动空间。如果检测到有生物肢体进入叶轮的转动空间，控制电路控制转轴锁死，同时控制叶片上的卡槽，使叶片收缩，保护生物肢体。3.红外线传感器单元设计采用红外光二极管实现红外检测。具体设计如下：它包括红外二极管 D1、结型场效应管 M1，第一运放 A1、第一电阻 R1、第二电阻 R2 和第三电阻 R3；红外二极管 D1 的阳极接地，红外二极管 D1 的阴极与结型场效应管 M1 的 G 端相连接，结型场效应管 M1 的 D 端接电源 VDD，结型场效应管 M1 的 S 端通过第一电阻 R1 接地，第一运放 A1 的负输入端与结型场效应管 M1 的 S端相连接；电源 VDD 与地之间以此串联有第二电阻 R2 和第三电阻 R3，第二电阻 R2 和第三电阻 R3 的连接电节点与第一运放 A1 的正输入端相连；第一运放 A1 的输出端通过第四电阻 R4 与结型场效应管 M1 的 G 端相连接；更进一步的，第一运放 A1 的正输入端与地之间设置有第一电容 C1；第四电阻 R4 上并联有第二电容 C2。这种以运放和结型场效应管为核心元件的电路由于结构相对简单，使得传感器单元电路板体积小、容易实现且纯硬件实现，工作性能稳定，可以适当增加传感器单元数量。相应的，可以进一步设计传感器信号处理单元电路，此部分电路比较简单：将前述各个运放的输出信号引入 AD 转换器后便可以实现数据数字化，最后用于对机械装置的控制。采用常规 AD转换器件实现即可。4.控制电路设计控制电路主要由微控制单元及外围控制驱动电路组成；红外线传感器单元的输出信号送入传感器信号处理单元，传感器信号处理单元与微控制单元电连接。首先系统自检启动，检测是否有生物肢体进入叶轮的转动空间，如果没有生物肢体进入，叶轮正常启动运转；如果检测到有生物肢体进入，则叶轮不启动。叶轮转动的过程中，红外传感器为核心的红外线传感器单元持续实时检测。当根据红外线传感器单元检测数据判断到有生物肢体进入叶轮的转动空间，由控制电路中的微控制器控制 IGBT 等功率器件组成的外围驱动控制电路，从而通过电机控制叶轮转轴的转动，实现锁定转轴，转轴及其锁定结构不属于本发明改进部分，采用常规技术即可。为了提高发明应用的智能化，还增设了通信单元，包括 NB-iot 通信单元，NB-iot 通信单元与微控制器单元电连接。参考文献1 张振东.带式输送机皮带撕裂保护装置的分析与应用 J.机械管理开发，2021(10)：49-50，53.2 郭朝霞.皮带输送机断带保护装置优化设计J.机电工程技术，2020(05)：160-161.3 梁伟,童少为,艾学忠.一种智能数据采集和控制模块的设计J.测控技术，2004(04)：76-78.4丁英丽.热释红外传感器的原理及应用J.仪器仪表与分析监测,2002(04)：15-16.5 杜永苹.浅谈红外线传感器的应用J.中国科技信息，2013(18)：131.6 高亚威.半开式叶轮气动优化与结构改进设计研究D.大连：大连理工大学，2016.