江威，向準(zhǔn)高，許正望

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一種儲(chǔ)罐底板漏磁檢測(cè)小車(chē)的控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

江威，向準(zhǔn)高，許正望

（1. 湖北工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，武漢 430068）

針對(duì)儲(chǔ)罐底板的表面情況和結(jié)構(gòu)特征以及儲(chǔ)罐的環(huán)境特征，設(shè)計(jì)了一種基于MC9S12XS128單片機(jī)的儲(chǔ)罐底板自動(dòng)化檢測(cè)小車(chē)，以MC9S12XS128單片機(jī)為主控制器，采用激光距離傳感器作為定位檢測(cè)裝置，主要介紹了檢測(cè)小車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)和硬件電路結(jié)構(gòu)，并對(duì)檢測(cè)小車(chē)沿規(guī)劃路徑行走進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該控制系統(tǒng)的可行性和正確性。理論分析和實(shí)驗(yàn)證明，儲(chǔ)罐底板自動(dòng)化檢測(cè)小車(chē)能夠攜帶勵(lì)磁裝置和檢測(cè)探頭在儲(chǔ)罐底板上沿規(guī)劃路徑自動(dòng)行走，提高了檢測(cè)效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，進(jìn)一步推動(dòng)了石油儲(chǔ)運(yùn)的安全運(yùn)行。

儲(chǔ)罐底板 MC9S12XS128 自動(dòng)化檢測(cè) 硬件電路 運(yùn)動(dòng)控制

0 引言

儲(chǔ)罐是存儲(chǔ)各種液體（或氣體）原料及成品的專(zhuān)用設(shè)備。儲(chǔ)罐的安全穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)系到國(guó)計(jì)民生，對(duì)石油化工生產(chǎn)和人民生活起著重要的作用。儲(chǔ)罐底板是腐蝕的主要集中區(qū)[1]，底板一旦腐蝕發(fā)生介質(zhì)泄露，將會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失，所以定期對(duì)儲(chǔ)罐底板進(jìn)行安全性檢查具有重要的意義。目前國(guó)外對(duì)儲(chǔ)罐底板的檢測(cè)價(jià)格非常昂貴，而國(guó)內(nèi)大量?jī)?chǔ)罐底板也進(jìn)入了一個(gè)隱患即將帶來(lái)事故的階段，急需進(jìn)行健康狀況檢測(cè)[2,3]。由于缺少自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備，儲(chǔ)罐底板檢測(cè)勞動(dòng)強(qiáng)度大，檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，而且儲(chǔ)罐的密封空間不允許工作人員長(zhǎng)期工作，檢測(cè)效率低。因此，研制一臺(tái)儲(chǔ)罐底板自動(dòng)化檢測(cè)小車(chē)，對(duì)于提高儲(chǔ)罐底板的檢測(cè)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度具有廣闊的前景和重要的意義。項(xiàng)目組研制的自動(dòng)化檢測(cè)小車(chē)能夠在儲(chǔ)罐底板內(nèi)自行按照規(guī)劃路徑行駛，完成對(duì)儲(chǔ)罐底板的掃描檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)出缺陷信號(hào)時(shí)，能夠及時(shí)噴漆打標(biāo)以便后續(xù)維修，同時(shí)保存檢測(cè)數(shù)據(jù)供進(jìn)一步詳細(xì)分析儲(chǔ)罐健康狀況。

1 檢測(cè)小車(chē)結(jié)構(gòu)

檢測(cè)小車(chē)是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的行走機(jī)構(gòu)，本項(xiàng)目選用三輪小車(chē)作為檢測(cè)系統(tǒng)的行走機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)罐底板的自動(dòng)檢測(cè)。檢測(cè)小車(chē)由車(chē)體、兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和一個(gè)萬(wàn)向輪組成，其中前輪為萬(wàn)向輪，主要起輔助支撐的作用，后兩輪為驅(qū)動(dòng)輪，分別由兩個(gè)直流減速電機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)。通過(guò)調(diào)節(jié)左右輪的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)小車(chē)的不同運(yùn)動(dòng)方式，可以沿直線和弧線行走，并可以靈活轉(zhuǎn)向。在檢測(cè)小車(chē)的頂部安裝兩個(gè)夾角可調(diào)的激光距離傳感器，用于測(cè)量小車(chē)到反射板的距離，并適時(shí)調(diào)制小車(chē)的方向，使其保持與反射板平行方向行走。在檢測(cè)小車(chē)后面固定一瓶自動(dòng)噴漆油罐和一個(gè)撞擊型推拉式電磁鐵，作為檢測(cè)小車(chē)的打標(biāo)器。檢測(cè)小車(chē)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

圖1 檢測(cè)小車(chē)結(jié)構(gòu)圖

2 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件電路采用模塊化設(shè)計(jì)，可以分為以下幾個(gè)模塊：主控制器模塊、電源模塊、速度檢測(cè)模塊、位置檢測(cè)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、電磁鐵驅(qū)動(dòng)模塊。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

2.1 主控制器模塊

主控制器模塊是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，采用16位處理器MC9S12XS128作為主處理器[4]，用于控制檢測(cè)小車(chē)的運(yùn)動(dòng)并處理傳感器采集的數(shù)據(jù)。主控制器模塊是MC9S12XS128最小系統(tǒng)，由MC9S12XS128芯片、時(shí)鐘晶振電路、復(fù)位電路、RS232接口、BDM調(diào)試接口、電容及接插件等構(gòu)成。為了完成對(duì)小車(chē)的控制，需要利用的資源有：AD轉(zhuǎn)換接口、PWM接口、定時(shí)器接口、通訊接口、IO接口。由主控制器通訊接口獲取激光距離傳感器的數(shù)據(jù)，再結(jié)合編碼器的數(shù)據(jù)，對(duì)小車(chē)的位置進(jìn)行識(shí)別，然后通過(guò)一定的控制算法將控制量的輸出通過(guò)PWM的形式送給驅(qū)動(dòng)輪的兩個(gè)電機(jī)，完成對(duì)小車(chē)的控制。同時(shí)，控制器通過(guò)內(nèi)部的16路AD轉(zhuǎn)換接口實(shí)現(xiàn)對(duì)漏磁數(shù)據(jù)的高速采集。

圖2 檢測(cè)小車(chē)控制系統(tǒng)框圖

2.2 電源模塊

電源模塊是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定工作的保障，供電電源選擇一個(gè)24 V、12 A·h的可充電鋰電池供電。在整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)中，不同的電路模塊所需要的工作電壓各不同，兩個(gè)直流電機(jī)需要直接使用24 V電源供電，推拉式電磁鐵需要24 V電壓，主控制器系統(tǒng)需要5 V電壓，激光傳感器和旋轉(zhuǎn)編碼器工作電壓為5 V。因此，需要將輸入24 V電源變換成多路電壓電源供電，各模塊的電壓分配如圖3所示。

圖3 電源模塊框圖

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)不同電壓電源的轉(zhuǎn)換，在電路板上需設(shè)計(jì)電源模塊，其中電池的24 V電壓經(jīng)LM2576S-5.0開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換后，產(chǎn)生的5 V電壓分別供給主控制器系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)編碼器和激光測(cè)距傳感器等。

2.3 速度檢測(cè)模塊

本系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制采用閉環(huán)控制原理，反饋通道中采用了歐姆龍公司的E6B2-CWZ6C旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)對(duì)輪子的速度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。該編碼器采用五線制，分別為三根脈沖線，2根電源線，分辨率為1000 P/R，最高旋轉(zhuǎn)速度為6000 r/min。由于檢測(cè)小車(chē)采用了雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，所以要用兩個(gè)編碼器對(duì)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的速度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。兩個(gè)編碼器的中軸上均安裝了一個(gè)直徑為16 mm、齒數(shù)為22的帶輪，該帶輪與同軸于驅(qū)動(dòng)輪的帶輪通過(guò)同步帶傳動(dòng)，使旋轉(zhuǎn)編碼器的轉(zhuǎn)速為驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速的四分之一。為了提高旋轉(zhuǎn)編碼器的精度，還將編碼器的輸出脈沖進(jìn)行了倍頻細(xì)分。一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器的AB兩相信號(hào)先進(jìn)行異或，然后再輸入給MC9S12XS128微處理器I/O口的PT7口，利用PT7口的16位輸入脈沖累加模式對(duì)該旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出脈沖進(jìn)行累加計(jì)數(shù)。由于MC9S12XS128主控制器內(nèi)部?jī)H有一路脈沖累加器，須利用一個(gè)外部計(jì)數(shù)器74HC590對(duì)另一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出脈沖進(jìn)行累加計(jì)數(shù)。通過(guò)計(jì)算采樣時(shí)間內(nèi)的的脈沖數(shù)即可得到檢測(cè)小車(chē)速度。為了能夠同時(shí)獲取車(chē)體行駛的方向信息，本設(shè)計(jì)中還采用了一片D觸發(fā)器74HC74來(lái)構(gòu)建了一個(gè)鑒相器，此部分電路如圖4所示。

圖4 速度檢測(cè)模塊電路圖

2.4 位置檢測(cè)模塊

位置檢測(cè)模塊就是確定小車(chē)在整個(gè)儲(chǔ)罐底板內(nèi)相對(duì)于全局坐標(biāo)的位置。選擇SKD-60激光距離傳感器[5]測(cè)量小車(chē)到反射板之間的距離，配合旋轉(zhuǎn)編碼器采集的信息，可以獲得小車(chē)在儲(chǔ)罐底板的位置。該款激光距離傳感器的測(cè)量范圍為0.15-60 m，測(cè)量精度為±1.5 mm，測(cè)量頻率為5 Hz，最小分辨率為1 mm。在檢測(cè)小車(chē)的頂部固定兩個(gè)激光距離傳感器，它們之間的夾角可調(diào)，通過(guò)激光距離傳感器測(cè)得的值對(duì)檢測(cè)小車(chē)的方向進(jìn)行調(diào)節(jié)，使兩個(gè)激光距離傳感器測(cè)得的值一直相等，則可以保持檢測(cè)小車(chē)與反射板平行的方向直線行駛。小車(chē)到反射板的距離可以根據(jù)兩個(gè)激光距離傳感器測(cè)得的值及兩個(gè)激光距離傳感器之間的夾角計(jì)算得到，小車(chē)按規(guī)劃路徑走完一條直線后由接近開(kāi)關(guān)觸發(fā)路徑轉(zhuǎn)換，小車(chē)自動(dòng)轉(zhuǎn)向切換至下一條直線。

主控制器有兩個(gè)全雙工的串行通信口，所以主控制器和激光距離傳感器可以方便地進(jìn)行串口通信。由于傳感器的串口是RS232電平的，而主控制器的串口是TTL電平的，兩者之間要有一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路，系統(tǒng)中采用了專(zhuān)門(mén)芯片MAX232進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

2.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)模塊用來(lái)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由于本系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)即兩臺(tái)直流電機(jī)為整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)提供動(dòng)力，需要精確的控制檢測(cè)小車(chē)的位置和速度，所以用驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)控制兩臺(tái)直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)控制芯片選擇BTS7960B半橋驅(qū)動(dòng)芯片，本系統(tǒng)中選取4片BTS7960構(gòu)成兩組全橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，分別獨(dú)立控制。該芯片內(nèi)部BTS7960驅(qū)動(dòng)芯片的脈寬調(diào)制信號(hào)輸入端分別接主控制器的PWM0-PWM1的通道控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，用主控制器I/O輸出方向信號(hào)來(lái)控制直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)。主控制器輸出信號(hào)經(jīng)TLP521光耦隔離后輸入到驅(qū)動(dòng)芯片輸入端，驅(qū)動(dòng)芯片的輸出端分別接2個(gè)電機(jī)的電樞，配合旋轉(zhuǎn)編碼器，精確控制車(chē)速。電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖如圖5所示。

2.6 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊主要是完成對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的采集和處理，由于MC9S12XS128單片機(jī)內(nèi)部有16路AD轉(zhuǎn)換電路，采用5個(gè)三通道數(shù)字控制模擬開(kāi)關(guān)CD4053，每個(gè)模擬開(kāi)關(guān)由三個(gè)獨(dú)立的數(shù)字控制輸入端A、B、C和INH輸入，可以獲取28路漏磁信號(hào)并做預(yù)處理。

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊原理圖

在編碼器脈沖信號(hào)觸發(fā)下，主控制器控制模擬多路開(kāi)關(guān)的開(kāi)斷，實(shí)現(xiàn)等間隔數(shù)據(jù)采樣，并記錄缺陷信息。當(dāng)主控制器通過(guò)循環(huán)采集28路霍爾傳感器的漏磁信號(hào)，發(fā)現(xiàn)缺陷信號(hào)時(shí)，控制推拉式電磁鐵通電4 s時(shí)間，推拉式電磁鐵的銅頭撞出，通過(guò)撞擊噴漆罐的開(kāi)關(guān)，在缺陷處加以噴漆標(biāo)記，電磁鐵斷電后靠彈簧使鐵芯復(fù)位。相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳遞流程如圖6所示：

圖6 數(shù)據(jù)傳遞流程圖

3 試驗(yàn)研究

在實(shí)驗(yàn)室條件下，制作了一塊1000 mm×800 mm×8 mm的Q235鋼板為試樣板，在其上對(duì)檢測(cè)小車(chē)的規(guī)劃路徑進(jìn)行跟蹤實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果如圖7所示。

如圖，首先小車(chē)在距離反射板約200 mm處（激光距離傳感器檢測(cè)點(diǎn)到反射板的距離，下同）啟動(dòng)，小車(chē)按規(guī)劃直線前進(jìn)，自動(dòng)檢測(cè)距離變化并控制兩個(gè)電機(jī)的速度來(lái)修正路線；到達(dá)直線末端時(shí)，接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)到端部障礙物信息，小車(chē)進(jìn)入開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)向階段，不再讀取激光傳感器數(shù)據(jù)，僅通過(guò)改變兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及讀取編碼器數(shù)據(jù)確定小車(chē)轉(zhuǎn)向動(dòng)作完成情況。小車(chē)完成90°轉(zhuǎn)向后前進(jìn)約100 mm再反向轉(zhuǎn)向90°，隨后再回到閉環(huán)直線前進(jìn)階段。

圖7 規(guī)劃路徑跟蹤效果圖

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：基于MC9S12XS128單片機(jī)的儲(chǔ)罐底板自動(dòng)化檢測(cè)小車(chē)的控制算法能夠使檢測(cè)小車(chē)具有良好的軌跡跟蹤特性，提高了檢測(cè)效率，避免漏檢區(qū)和重檢區(qū)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和算法的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足檢測(cè)小車(chē)的應(yīng)用要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了基于MC9S12XS128單片機(jī)的儲(chǔ)罐底板自動(dòng)化檢測(cè)小車(chē)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。主要完成了檢測(cè)小車(chē)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)小車(chē)尋跡和自檢的功能，提高了檢測(cè)小車(chē)的智能水平。理論研究和實(shí)驗(yàn)分析表明，該自動(dòng)化檢測(cè)小車(chē)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)儲(chǔ)罐底板沿規(guī)劃路徑行駛，實(shí)現(xiàn)快速掃描，并能夠及時(shí)在缺陷處噴漆打標(biāo)，提高了檢測(cè)效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，保障了石油儲(chǔ)運(yùn)的安全運(yùn)行。

[1] Song Xiaochun, Huang Songling and Zhao Wei. Optimization of themagnetic circuit in the MFL inspection system for storage tank floors. Russian Journal of Nodestructive Testing, 2007, 43(5): 326-331.

[2] 宋小春, 黃松齡, 趙偉, 等.高清晰度儲(chǔ)罐底板漏磁檢測(cè)器的研制[J].化工自動(dòng)化及儀表, 2007, 34(1)：77-80.

[3] 楊鵬, 黃松齡, 趙偉, 等. 便攜式儲(chǔ)罐底板漏磁檢測(cè)器的研制[J]. 石油化工設(shè)備, 2007, 36（3）：1-3.

[4] MC9S12XS128 Reference Manual[Z]. Freescale Semiconductor, Inc, 2007.

[5] 西安三科數(shù)碼光電有限責(zé)任公司產(chǎn)品說(shuō)明. http://detail.1688.com/offer/1210658488.html

Design of the Control System of an Automatic MFL Inspection Cart for Tank Floors

Jiang Wei, Xiang Zhungao, Xu Zhengwang

(School of Electrical ＆ Electronic Engineering, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China )

TP242.3

A

1003-4862（2014）10-0007-04

2014-06-12

湖北省優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目（T201105）及國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（201210500045）

江威(1992-)，男，研究生。專(zhuān)業(yè)方向：自動(dòng)化。