一種儲罐底板漏磁檢測小車的控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

江威，向準高，許正望

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一種儲罐底板漏磁檢測小車的控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

江威，向準高，許正望

（1. 湖北工業(yè)大學 電氣與電子工程學院，武漢 430068）

針對儲罐底板的表面情況和結(jié)構(gòu)特征以及儲罐的環(huán)境特征，設(shè)計了一種基于MC9S12XS128單片機的儲罐底板自動化檢測小車，以MC9S12XS128單片機為主控制器，采用激光距離傳感器作為定位檢測裝置，主要介紹了檢測小車機械結(jié)構(gòu)和硬件電路結(jié)構(gòu)，并對檢測小車沿規(guī)劃路徑行走進行了實驗，驗證了該控制系統(tǒng)的可行性和正確性。理論分析和實驗證明，儲罐底板自動化檢測小車能夠攜帶勵磁裝置和檢測探頭在儲罐底板上沿規(guī)劃路徑自動行走，提高了檢測效率，降低了勞動強度，進一步推動了石油儲運的安全運行。

儲罐底板 MC9S12XS128 自動化檢測 硬件電路 運動控制

0 引言

儲罐是存儲各種液體（或氣體）原料及成品的專用設(shè)備。儲罐的安全穩(wěn)定運行直接關(guān)系到國計民生，對石油化工生產(chǎn)和人民生活起著重要的作用。儲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，將會造成嚴重的環(huán)境污染和經(jīng)濟損失，所以定期對儲罐底板進行安全性檢查具有重要的意義。目前國外對儲罐底板的檢測價格非常昂貴，而國內(nèi)大量儲罐底板也進入了一個隱患即將帶來事故的階段，急需進行健康狀況檢測[2,3]。由于缺少自動化檢測設(shè)備，儲罐底板檢測勞動強度大，檢測時間長，而且儲罐的密封空間不允許工作人員長期工作，檢測效率低。因此，研制一臺儲罐底板自動化檢測小車，對于提高儲罐底板的檢測效率，降低勞動強度具有廣闊的前景和重要的意義。項目組研制的自動化檢測小車能夠在儲罐底板內(nèi)自行按照規(guī)劃路徑行駛，完成對儲罐底板的掃描檢測，當檢測出缺陷信號時，能夠及時噴漆打標以便后續(xù)維修，同時保存檢測數(shù)據(jù)供進一步詳細分析儲罐健康狀況。

1 檢測小車結(jié)構(gòu)

檢測小車是整個檢測系統(tǒng)的行走機構(gòu)，本項目選用三輪小車作為檢測系統(tǒng)的行走機構(gòu)，帶動檢測裝置實現(xiàn)對儲罐底板的自動檢測。檢測小車由車體、兩個驅(qū)動輪和一個萬向輪組成，其中前輪為萬向輪，主要起輔助支撐的作用，后兩輪為驅(qū)動輪，分別由兩個直流減速電機通過齒輪傳動來驅(qū)動。通過調(diào)節(jié)左右輪的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)小車的不同運動方式，可以沿直線和弧線行走，并可以靈活轉(zhuǎn)向。在檢測小車的頂部安裝兩個夾角可調(diào)的激光距離傳感器，用于測量小車到反射板的距離，并適時調(diào)制小車的方向，使其保持與反射板平行方向行走。在檢測小車后面固定一瓶自動噴漆油罐和一個撞擊型推拉式電磁鐵，作為檢測小車的打標器。檢測小車結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

圖1 檢測小車結(jié)構(gòu)圖

2 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

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

2.1 主控制器模塊

主控制器模塊是整個控制系統(tǒng)的核心，采用16位處理器MC9S12XS128作為主處理器[4]，用于控制檢測小車的運動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。為了完成對小車的控制，需要利用的資源有：AD轉(zhuǎn)換接口、PWM接口、定時器接口、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)，對小車的位置進行識別，然后通過一定的控制算法將控制量的輸出通過PWM的形式送給驅(qū)動輪的兩個電機，完成對小車的控制。同時，控制器通過內(nèi)部的16路AD轉(zhuǎn)換接口實現(xiàn)對漏磁數(shù)據(jù)的高速采集。

圖2 檢測小車控制系統(tǒng)框圖

2.2 電源模塊

電源模塊是整個檢測系統(tǒng)穩(wěn)定工作的保障，供電電源選擇一個24 V、12 A·h的可充電鋰電池供電。在整個檢測系統(tǒng)中，不同的電路模塊所需要的工作電壓各不同，兩個直流電機需要直接使用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

為了實現(xiàn)對不同電壓電源的轉(zhuǎn)換，在電路板上需設(shè)計電源模塊，其中電池的24 V電壓經(jīng)LM2576S-5.0開關(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)編碼器和激光測距傳感器等。

2.3 速度檢測模塊

本系統(tǒng)運動控制采用閉環(huán)控制原理，反饋通道中采用了歐姆龍公司的E6B2-CWZ6C旋轉(zhuǎn)編碼器來對輪子的速度進行實時檢測。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。由于檢測小車采用了雙電機驅(qū)動，所以要用兩個編碼器對兩個驅(qū)動輪的速度進行實時監(jiān)測。兩個編碼器的中軸上均安裝了一個直徑為16 mm、齒數(shù)為22的帶輪，該帶輪與同軸于驅(qū)動輪的帶輪通過同步帶傳動，使旋轉(zhuǎn)編碼器的轉(zhuǎn)速為驅(qū)動輪轉(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行了倍頻細分。一個旋轉(zhuǎn)編碼器的AB兩相信號先進行異或，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該旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出脈沖進行累加計數(shù)。由于MC9S12XS128主控制器內(nèi)部僅有一路脈沖累加器，須利用一個外部計數(shù)器74HC590對另一個旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出脈沖進行累加計數(shù)。通過計算采樣時間內(nèi)的的脈沖數(shù)即可得到檢測小車速度。為了能夠同時獲取車體行駛的方向信息，本設(shè)計中還采用了一片D觸發(fā)器74HC74來構(gòu)建了一個鑒相器，此部分電路如圖4所示。

圖4 速度檢測模塊電路圖

2.4 位置檢測模塊

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

主控制器有兩個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，兩者之間要有一個電平轉(zhuǎn)換電路，系統(tǒng)中采用了專門芯片MAX232進行轉(zhuǎn)換。

2.5 電機驅(qū)動模塊

驅(qū)動模塊用來控制執(zhí)行機構(gòu)，由于本系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)即兩臺直流電機為整個檢測系統(tǒng)提供動力，需要精確的控制檢測小車的位置和速度，所以用驅(qū)動模塊來控制兩臺直流電機運轉(zhuǎn)。驅(qū)動控制芯片選擇BTS7960B半橋驅(qū)動芯片，本系統(tǒng)中選取4片BTS7960構(gòu)成兩組全橋電機驅(qū)動電路，分別獨立控制。該芯片內(nèi)部BTS7960驅(qū)動芯片的脈寬調(diào)制信號輸入端分別接主控制器的PWM0-PWM1的通道控制電機轉(zhuǎn)速，用主控制器I/O輸出方向信號來控制直流電機正反轉(zhuǎn)。主控制器輸出信號經(jīng)TLP521光耦隔離后輸入到驅(qū)動芯片輸入端，驅(qū)動芯片的輸出端分別接2個電機的電樞，配合旋轉(zhuǎn)編碼器，精確控制車速。電機驅(qū)動原理圖如圖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檢測數(shù)據(jù)的采集和處理，由于MC9S12XS128單片機內(nèi)部有16路AD轉(zhuǎn)換電路，采用5個三通道數(shù)字控制模擬開關(guān)CD4053，每個模擬開關(guān)由三個獨立的數(shù)字控制輸入端A、B、C和INH輸入，可以獲取28路漏磁信號并做預(yù)處理。

圖5 電機驅(qū)動模塊原理圖

在編碼器脈沖信號觸發(fā)下，主控制器控制模擬多路開關(guān)的開斷，實現(xiàn)等間隔數(shù)據(jù)采樣，并記錄缺陷信息。當主控制器通過循環(huán)采集28路霍爾傳感器的漏磁信號，發(fā)現(xiàn)缺陷信號時，控制推拉式電磁鐵通電4 s時間，推拉式電磁鐵的銅頭撞出，通過撞擊噴漆罐的開關(guān)，在缺陷處加以噴漆標記，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 試驗研究

在實驗室條件下，制作了一塊1000 mm×800 mm×8 mm的Q235鋼板為試樣板，在其上對檢測小車的規(guī)劃路徑進行跟蹤實驗，其結(jié)果如圖7所示。

如圖，首先小車在距離反射板約200 mm處（激光距離傳感器檢測點到反射板的距離，下同）啟動，小車按規(guī)劃直線前進，自動檢測距離變化并控制兩個電機的速度來修正路線；到達直線末端時，接近開關(guān)檢測到端部障礙物信息，小車進入開環(huán)轉(zhuǎn)向階段，不再讀取激光傳感器數(shù)據(jù)，僅通過改變兩個電機的轉(zhuǎn)速及讀取編碼器數(shù)據(jù)確定小車轉(zhuǎn)向動作完成情況。小車完成90°轉(zhuǎn)向后前進約100 mm再反向轉(zhuǎn)向90°，隨后再回到閉環(huán)直線前進階段。

圖7 規(guī)劃路徑跟蹤效果圖

由實驗結(jié)果可以看出：基于MC9S12XS128單片機的儲罐底板自動化檢測小車的控制算法能夠使檢測小車具有良好的軌跡跟蹤特性，提高了檢測效率，避免漏檢區(qū)和重檢區(qū)，運動控制系統(tǒng)和算法的設(shè)計滿足檢測小車的應(yīng)用要求。

4 結(jié)語

本文提出了基于MC9S12XS128單片機的儲罐底板自動化檢測小車控制系統(tǒng)的設(shè)計方法。主要完成了檢測小車控制系統(tǒng)硬件設(shè)計，實現(xiàn)了檢測小車尋跡和自檢的功能，提高了檢測小車的智能水平。理論研究和實驗分析表明，該自動化檢測小車能夠?qū)崿F(xiàn)對儲罐底板沿規(guī)劃路徑行駛，實現(xiàn)快速掃描，并能夠及時在缺陷處噴漆打標，提高了檢測效率，降低了勞動強度，保障了石油儲運的安全運行。

[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.高清晰度儲罐底板漏磁檢測器的研制[J].化工自動化及儀表, 2007, 34(1)：77-80.

[3] 楊鵬, 黃松齡, 趙偉, 等. 便攜式儲罐底板漏磁檢測器的研制[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)碼光電有限責任公司產(chǎn)品說明. 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)新團隊計劃項目（T201105）及國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃（201210500045）

江威(1992-)，男，研究生。專業(yè)方向：自動化。