帶式輸送機變頻控制系統設計與研究

邵明琛

（棗莊科技職業學院，山東棗莊 277000）

0 引言

帶式輸送機是一種常見的物料運載設備（圖1），但很多情況下，其工作狀態存在一定的問題。如啟動或停車時，經常出現穩定性差、打滑等現象，而且設備急停對于整個電網和機械結構有著很大的沖擊。若這些問題不能夠及時處理，長期工作后將導致皮帶的撕裂或過載，嚴重時將引起安全事故[1]。根據目前控制技術的發展現狀可知，采用變頻控制可有效地解決帶式輸送機硬啟動帶來的這些問題，不但能夠降低對電網中其他電氣裝備的沖擊，而且有利于提升輸送機的工作效率和使用壽命[2]。此外，基于變頻控制系統的帶式輸送機能夠體現出設備的智能化水平，對于工程的安全、高效生產有著積極的促進作用。

圖1 帶式輸送機

1 系統總體設計

1.1 PLC 選型

帶式輸送機的控制采用PLC，它既是控制狀態的核心控制器，也是信號指令和監測數據的關鍵處理器[3]。帶式輸送機主要的控制信號包括啟動、停車、加速、減速等，PLC 與變頻器和上位機協同運行，在工作時采用多種方式進行數據傳輸。對于PLC的選擇，綜合考慮性價比和穩定性特點，選用S7-200 型西門子PLC。該系列PLC 的可操控性強，通信穩定，有著豐富的指令庫，在帶式輸送機控制系統中有著良好的應用效果，可實時反饋設備的承載、溫度等信息，而且抗干擾能力強，適用于各種惡劣和復雜的工況。

1.2 變頻器設計

在該控制系統中，變頻器為受控器件，PLC 為指令元件，兩者具有從屬關系，即變頻器只有接受PLC 的指令后才開始動作。避免電磁干擾是變頻控制的關鍵，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，接線過程中按照標準的上限要求；確保PLC 具備最佳的供電狀態，將相關的數據或信息進行濾波、降噪等處理后再輸入變頻器；選用特定的抗干擾導線，降低偏差脈沖的發生率，對顯著的干擾信號進行屏蔽處理[4]。

帶式輸送機依靠傳動滾筒驅動，變頻器與驅動滾筒的電機相連，進而可實現電機無級變速的直接調節。一般情況下，變頻器的選型不是任意的，需要根據電機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控制的變頻控制裝置。該變頻器在速度調節和穩定性方面有著顯著的優勢，可明顯地降低設備的沖擊。

2 關鍵硬件電路設計

2.1 模數轉換單元設計

模數轉換功能是帶式輸送機變頻控制精度的關鍵。對于帶式輸送機而言，數模轉換器所要求分辨率并不是特別嚴格，一般低于1/2000 即可實現高精度控制，特別是能夠嚴格按照特定的速度曲線進行軟啟動。在進行模數轉換的時候，也需要重點考慮抗干擾性能。根據三相電的特點可知，只有超過12位精度的轉換器才能達到理想效果。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進行余量預留。為此，在帶式輸送機的變頻控制系統中采用16 位雙極型模數轉換器AD7606。該系列的數模轉換器可靠性較高，主要功能如下。

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

（2）抗干擾能力。該系列數模轉換器采用的供電電源為2.5 V 的基準電壓源，電路在設計方面具有簡潔、抗干擾能力強等特點。此外，轉換器可通過二階抗混疊濾波器實現信噪比優化。

（3）互換性良好。該系列模數轉換器本身具備高精度，性價比高，外圍電路簡單，因此不再需要外接擴展設備，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模信號。

（4）采樣速率高。該系列轉換器各個數據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。

系統中，模數轉換單元核心部件是AD7606，該數模轉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 通信模塊設計

系統的下位機經常受到某些信號的干擾影響，降低系統整體的穩定性。為此，可通過通信電路的優化設計提升通信質量，以最高準確度的信號傳輸至上位機。對于通信方式，綜合考慮性價比和安裝方案難易程度，選用RS-485 串行通信結合GPRS遠程通信[5]作為最主要的數據采集端傳輸協議。在該通信方式下，對于輸送機的控制信號可以達到遠距離、高速率和強抗干擾能力。

系統中的通信方式支持多節點，而且能夠對芯片實現顯著的保護作用。對于GPRS 模塊，主要基于RS-232 接口實現相關控制指令的接收或轉換。該類型的通信模塊外圍電路相對簡單，易于實現，在遠程通信時不存在串行干擾現象，因此可以有效地確保GPRS 信號的質量和穩定性。

3 結語

帶式輸送機變頻控制系統具有較高的性價比和穩定性，可適用于各種復雜和惡劣的工況，包括礦山和煤礦井下。該系統由西門子S7-200 系列的PLC 控制，可操作性強，可實時反饋設備的承載、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。該系統可擴展性強，便于后期的升級和維護，對于帶式輸送機的智能發展有著積極的促進作用。