邵明琛

（棗莊科技職業(yè)學(xué)院，山東棗莊 277000）

0 引言

帶式輸送機(jī)是一種常見的物料運(yùn)載設(shè)備（圖1），但很多情況下，其工作狀態(tài)存在一定的問題。如啟動(dòng)或停車時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)穩(wěn)定性差、打滑等現(xiàn)象，而且設(shè)備急停對于整個(gè)電網(wǎng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)有著很大的沖擊。若這些問題不能夠及時(shí)處理，長期工作后將導(dǎo)致皮帶的撕裂或過載，嚴(yán)重時(shí)將引起安全事故[1]。根據(jù)目前控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀可知，采用變頻控制可有效地解決帶式輸送機(jī)硬啟動(dòng)帶來的這些問題，不但能夠降低對電網(wǎng)中其他電氣裝備的沖擊，而且有利于提升輸送機(jī)的工作效率和使用壽命[2]。此外，基于變頻控制系統(tǒng)的帶式輸送機(jī)能夠體現(xiàn)出設(shè)備的智能化水平，對于工程的安全、高效生產(chǎn)有著積極的促進(jìn)作用。

圖1 帶式輸送機(jī)

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 PLC 選型

帶式輸送機(jī)的控制采用PLC，它既是控制狀態(tài)的核心控制器，也是信號指令和監(jiān)測數(shù)據(jù)的關(guān)鍵處理器[3]。帶式輸送機(jī)主要的控制信號包括啟動(dòng)、停車、加速、減速等，PLC 與變頻器和上位機(jī)協(xié)同運(yùn)行，在工作時(shí)采用多種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。對于PLC的選擇，綜合考慮性價(jià)比和穩(wěn)定性特點(diǎn)，選用S7-200 型西門子PLC。該系列PLC 的可操控性強(qiáng)，通信穩(wěn)定，有著豐富的指令庫，在帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)中有著良好的應(yīng)用效果，可實(shí)時(shí)反饋設(shè)備的承載、溫度等信息，而且抗干擾能力強(qiáng)，適用于各種惡劣和復(fù)雜的工況。

1.2 變頻器設(shè)計(jì)

在該控制系統(tǒng)中，變頻器為受控器件，PLC 為指令元件，兩者具有從屬關(guān)系，即變頻器只有接受PLC 的指令后才開始動(dòng)作。避免電磁干擾是變頻控制的關(guān)鍵，但變頻器本身并沒有抗干擾能力，因此需要在接線方式中采取一定的方案。采取的方法：將不同的接地線分別與PLC 和變頻器連接，接線過程中按照標(biāo)準(zhǔn)的上限要求；確保PLC 具備最佳的供電狀態(tài)，將相關(guān)的數(shù)據(jù)或信息進(jìn)行濾波、降噪等處理后再輸入變頻器；選用特定的抗干擾導(dǎo)線，降低偏差脈沖的發(fā)生率，對顯著的干擾信號進(jìn)行屏蔽處理[4]。

帶式輸送機(jī)依靠傳動(dòng)滾筒驅(qū)動(dòng)，變頻器與驅(qū)動(dòng)滾筒的電機(jī)相連，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)電機(jī)無級變速的直接調(diào)節(jié)。一般情況下，變頻器的選型不是任意的，需要根據(jù)電機(jī)的額定功率和電流選取。為了能適用更多的工況，采用ZJT-200 隔爆型變頻器作為帶式輸送機(jī)控制的變頻控制裝置。該變頻器在速度調(diào)節(jié)和穩(wěn)定性方面有著顯著的優(yōu)勢，可明顯地降低設(shè)備的沖擊。

2 關(guān)鍵硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換單元設(shè)計(jì)

模數(shù)轉(zhuǎn)換功能是帶式輸送機(jī)變頻控制精度的關(guān)鍵。對于帶式輸送機(jī)而言，數(shù)模轉(zhuǎn)換器所要求分辨率并不是特別嚴(yán)格，一般低于1/2000 即可實(shí)現(xiàn)高精度控制，特別是能夠嚴(yán)格按照特定的速度曲線進(jìn)行軟啟動(dòng)。在進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的時(shí)候，也需要重點(diǎn)考慮抗干擾性能。根據(jù)三相電的特點(diǎn)可知，只有超過12位精度的轉(zhuǎn)換器才能達(dá)到理想效果。在供電控制方面，由于具有較顯著的噪聲信號，因此需要對精度的位數(shù)進(jìn)行余量預(yù)留。為此，在帶式輸送機(jī)的變頻控制系統(tǒng)中采用16 位雙極型模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7606。該系列的數(shù)模轉(zhuǎn)換器可靠性較高，主要功能如下。

（1）保護(hù)功能。該系列的數(shù)模轉(zhuǎn)換器不但能夠高效進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，還能針對負(fù)極線模擬信號進(jìn)行處理，具體范圍可通過引腳的高低電平定義。

（2）抗干擾能力。該系列數(shù)模轉(zhuǎn)換器采用的供電電源為2.5 V 的基準(zhǔn)電壓源，電路在設(shè)計(jì)方面具有簡潔、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。此外，轉(zhuǎn)換器可通過二階抗混疊濾波器實(shí)現(xiàn)信噪比優(yōu)化。

（3）互換性良好。該系列模數(shù)轉(zhuǎn)換器本身具備高精度，性價(jià)比高，外圍電路簡單，因此不再需要外接擴(kuò)展設(shè)備，此外，其接口具有非常好的通用性，包括并行接口和高速SPI 采用串行接口，適用于不同類型的數(shù)模信號。

（4）采樣速率高。該系列轉(zhuǎn)換器各個(gè)數(shù)據(jù)通道均具備較高的采樣速率，平均額定信號處理速率不低于200 ksps。

系統(tǒng)中，模數(shù)轉(zhuǎn)換單元核心部件是AD7606，該數(shù)模轉(zhuǎn)換器支持交流電和直流電輸入，能夠直接接收模擬信號，供電電源由引腳AVCC 連接。

2.2 通信模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的下位機(jī)經(jīng)常受到某些信號的干擾影響，降低系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性。為此，可通過通信電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)提升通信質(zhì)量，以最高準(zhǔn)確度的信號傳輸至上位機(jī)。對于通信方式，綜合考慮性價(jià)比和安裝方案難易程度，選用RS-485 串行通信結(jié)合GPRS遠(yuǎn)程通信[5]作為最主要的數(shù)據(jù)采集端傳輸協(xié)議。在該通信方式下，對于輸送機(jī)的控制信號可以達(dá)到遠(yuǎn)距離、高速率和強(qiáng)抗干擾能力。

系統(tǒng)中的通信方式支持多節(jié)點(diǎn)，而且能夠?qū)π酒瑢?shí)現(xiàn)顯著的保護(hù)作用。對于GPRS 模塊，主要基于RS-232 接口實(shí)現(xiàn)相關(guān)控制指令的接收或轉(zhuǎn)換。該類型的通信模塊外圍電路相對簡單，易于實(shí)現(xiàn)，在遠(yuǎn)程通信時(shí)不存在串行干擾現(xiàn)象，因此可以有效地確保GPRS 信號的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

帶式輸送機(jī)變頻控制系統(tǒng)具有較高的性價(jià)比和穩(wěn)定性，可適用于各種復(fù)雜和惡劣的工況，包括礦山和煤礦井下。該系統(tǒng)由西門子S7-200 系列的PLC 控制，可操作性強(qiáng)，可實(shí)時(shí)反饋設(shè)備的承載、溫度等信息。變頻器采用ZJT-200 隔爆系列，與PLC 之間有著良好的兼容性。該系統(tǒng)可擴(kuò)展性強(qiáng)，便于后期的升級和維護(hù)，對于帶式輸送機(jī)的智能發(fā)展有著積極的促進(jìn)作用。