礦用帶式輸送機控制器的設計

程雙龍

（淮南聯合大學 智能制造學院，安徽淮南，232000）

0 引言

礦用帶式輸送機是礦上一種常用的物料輸送機械，它可以將物料從一個地方輸送到另一個地方。它的結構簡單，操作簡單，可以實現高效的物料輸送。然而由于井下工況復雜，傳統的控制方式很難滿足實際的控制要求。因此，基于單片機的皮帶機控制系統的設計成為當前研究的熱點。

礦用帶式輸送機控制器是一種用于控制礦用帶式輸送機的裝置，它能夠根據設定的參數控制帶式輸送機的運行狀態，從而提高生產效率，其通常具有閉鎖、跑偏、煙霧、堆煤、打滑、縱撕、斷帶、超溫灑水等保護，這些保護基本上都屬于開關量輸入信號。輸送機配套電氣設備一般都是開關量控制如聲光報警裝置，或者模擬量輸出控制如變頻器工作在模擬量控制模式下。

本文首先介紹了皮帶機的結構和工作原理，然后介紹了單片機控制系統的各部分硬件結構，包括電源、輸入輸出、通訊等模塊，最后介紹了單片機控制系統的軟件設計，包括系統的控制算法、調試方法等。

1 帶式輸送機系統結構

帶式輸送機由電機、皮帶輪、皮帶、支架和控制系統等部件組成，電機通過皮帶輪帶動皮帶，皮帶將物料從一端輸送到另一端。控制系統的主要任務是負責控制電機的運行，以實現物料的有效輸送。如圖1所示，整個輸送系統中控制器處于核心地位，電機和皮帶輸送機將各自的運行狀態通過各種傳感器采集反饋進入控制器。通過屏幕可以進行人機交互，將需要的控制信息反饋進入控制器，急停等信號也是一樣可以直接進入控制器。控制器綜合反饋的信息通過開關量、模擬量或者通訊等方式控制變頻器對電機進行啟停、速度等控制，從而保證皮帶機的安全穩定運行。

圖1 帶式輸送機控制系統結構

2 控制器硬件電路設計

控制器的硬件電路設計可分為電源模塊、開關量輸入模塊、開關量輸出模塊、模擬量輸出模塊、人機交互電路以及預留的RS485通訊接口電路。

3 電源模塊設計

整個控制系統需要12V和5V的直流電壓供電，由于井下防爆需求，總電源采用井下12V的本安電源作為輸入，所以電源模塊需要設計出12V轉5V的電路，電路如圖2所示。

圖2 12V轉5V電源電路

井下12V本安電源經過三端穩壓芯片78M05轉為5V直流電源供給單片機及控制系統使用，78M05芯片最大能提供1.5A的電流，可以滿足控制系統的需求。C1、C2、C3為濾波電容，作用是濾除電源電路中的高頻和低頻干擾信號。R1為電源指示燈的限流電阻，D1為單片機的電源指示燈，用以表示電源電路是否工作正常。

4 開關量輸入信號模塊設計

帶式輸送機控制系統中，堆煤、跑偏、急停、撕裂等傳感器的輸出信號為開關量，所以控制系統中需要設計開關量輸入模塊。由于井下工況復雜，對于以單片機為控制核心的控制系統，開關量輸入電路的設計中，需要考慮以下幾個主要的因素：

（1）輸入信號需要穩定可靠。

（2）輸入信號需要隔離，防止干擾及損壞控制系統。

（3）要有一定的驅動能力，可以直接用低壓供電。

由于運輸通道較長，導致連接的導線較長，傳統的單片機開關量檢測電路如圖3所示，不能提供足夠的驅動電流，同時由于導線較長信號容易受到干擾，為解決此問題，設計出如圖4所示的開關量輸入采集電路。

圖3 單片機開關量信號采集電路

圖4 遠距離開關量信號采集電路

圖5 開關量輸出控制電路

長距離信號傳輸，5V電壓驅動能力不足，本設計直接使用井下12V本安電源驅動，能夠大大增加傳輸距離。電路中U1為光耦，利用光耦進行輸入信號的隔離，以保證控制系統的安全。光耦的驅動電流必須在一定范圍內，由于井下工況復雜，巷道長度不同，所以設計了利用撥碼開關選擇不同的限流電阻，這樣就可以根據不同的導線長度選擇合適的限流電阻來采集開關量，當遠處的開關閉合時，光耦導通，單片機對應的I/O引腳采集到低電平。開關斷開時，光耦斷開，單片機對應的I/O引腳采集到高電平，控制系統便可以通過引腳輸入的高低電平，來判斷開關量的輸入狀態。

5 開關量輸出控制電路

由于煤礦井下防爆需求，本設計中開關量輸出控制電路中并沒有使用傳統的電磁繼電器進行開關量輸出控制，以防止電磁繼電器中的電感打火，固態繼電器因為其無觸點、壽命長、速度快，對外界的干擾小，所以本設計采用了固態繼電器進行開關量輸出信號的控制，設計電路如圖所示，同時利用固態繼電器可以將控制端與負載端進行有效隔離，使得控制系統的安全穩定性得到大大提高。

一般單片機的引腳的輸入電流比較大，所以設計成了單片機引腳低電平有效，當對應的I/O引腳輸出低電平時，固態繼電器輸出端導通，然后便可以通過開關量輸出方式控制變頻器、電機或其他設備工作。

6 模擬量輸出控制電路

輸送機的配套設備中有些需要利用模擬量進行控制，如變頻器工作在模擬量調速控制模式下，為了節省單片機的I/O引腳資源，本設計中選用了具有串行接口的DA芯片TLC5615，其可以將輸入的數字量信號轉換成對應的模擬量輸出信號，其分辨率為10位，完全能夠滿足系統的性能需求，其接口電路如圖6所示。

圖6 模擬量輸出接口電路

圖中TLC5615芯片的參考電壓由穩壓二極管IN4370反向擊穿后提供，SCLK為時鐘輸入引腳，提供芯片工作時序使用，DIN引腳為數據輸入引腳，以上引腳均由單片機的I/O引腳控制。模擬量輸出引腳可以輸出0～5V的電壓用來控制外圍設備，由于連接導線具有電阻特性，建議模擬量的連接導線不宜過長。

7 RS485串口通信接口電路

RS485是一種先進的通信技術，也是目前工業上應用最廣泛的通信技術。它是在單總線標準485基礎上發展起來的，具有抗干擾能力強、傳輸速度快等優點。由于煤礦井下環境復雜，干擾嚴重，因此必須采用具有RS485接口的控制器來完成數據的遠距離傳輸。

輸送機的控制器在某些工況下需要與其他用電設備進行通訊控制，比如某些變頻器支持Modbus等通訊協議，控制器便可以通過串口輸出相應控制信號控制設備的運行，由于串口傳輸中RS485電路的傳輸距離較遠，通信速率較高、抗干擾能力較強，于是在本設計中便預留了RS485串口通信接口電路，接口電路采用了SP3485芯片。SP3485芯片是一款高效的通信芯片，它采用最新的技術，能夠自動收發信號，能夠大大降低軟件設計的復雜度。其內部有專業的通信電路，能夠提供更高的信號傳輸率，從而滿足不同環境和應用場景的需求。此外，SP3485芯片還具有節能環保、低功耗、低噪聲和高穩定性等優點，非常適合使用在礦用環境下。

RS485串口通信接口電路設計如圖7所示，用到了單片機的一對串口引腳分別是發送（TXD）、接收（RXD）引腳。此接口電路的作用是將單片機控制系統中的TTL電平轉變成RS485電平，從而達到信息的遠距離傳輸的目的。

圖7 RS485串口通信接口電路

8 人機交互設計

人機交互是指人與計算機之間的交互，是一種復雜的交互過程，它涉及人類與計算機之間的信息交換、溝通和協作。人機交互的目的是使用戶能夠更有效地使用計算機系統，以達到更好的工作效率。

因為所選單片機的算力不夠強大，為了降低單片機的編程復雜度，本設計選用了編程簡單的串口屏。串口屏可以實現用戶和單片機之間的雙向交互，其可以通過簡單的操作，如用戶可以點擊按鍵、觸摸屏幕等方式來操作單片機控制系統，而不需要復雜的操作，這樣可以提高用戶的操作效率。另外串口屏人機交互還可以實現其他多種功能，比如可以實現語音交互、視頻交互等，這樣可以更好地滿足用戶的需求。例如圖8是控制系統中串口屏的監控畫面，通過監控畫面可以很方便地看出有沒有傳感器報警和哪些傳感器在報警，這樣就可以很方便地定位報警信息。還可以通過串口屏輸入一些控制信息到控制系統里，如圖9所示，可以利用串口屏手動輸入電機的運行頻率，這樣對電機的調速更加方便。

圖8 控制系統監控畫

圖9 電機運行頻率輸入畫面

9 控制器軟件設計

控制器軟件設計流程圖如圖10所示，上電后單片機會對相關模塊進行初始化，然后檢測各項輸入信號是否正常，如果輸入信號不正常禁止啟動。輸入信號正常后接收到啟動信號，則控制設備啟動。在設備工作的過程中，單片機會不斷地檢測有無故障信號、急停信號、停止信號等輸入，一旦有上述信號出現單片機便會控制設備停機，直到故障解除，設備才能重新啟動，同時還會將上述信息發送到串口屏進行人機交互，以方便工作人員查看設備運行情況。

圖10 軟件流程圖

10 結語

基于單片機控制技術設計的帶式輸送機能夠大大減少設備體積與重量，減輕工人體力勞動，降低生產成本，設備簡單易用，在一些特定工況下具有重要的使用價值。