摘要：本文根據(jù)帶式輸送機的啟動特點，結(jié)合16位單片機的高速處理能力，基于晶閘管相控調(diào)壓理論，研究并設(shè)計了一款以單片機為控制核心、以晶閘管作為主控器件的帶式輸送機智能軟起動器。實現(xiàn)了帶式輸送機的軟啟動、軟停車和多種保護功能。研究帶式輸送機軟啟動器的意義不僅在于保證平穩(wěn)地起動、制動，而且還可降低帶式輸送機的成本，保證安全生產(chǎn)。

    關(guān)鍵詞：單片機；軟啟動器；輸送機

中途分類號：TP9文獻標識碼：B

前言

    膠帶輸送機是一種摩擦驅(qū)動以連續(xù)方式運輸物料的機械。它可以將物料在一定的輸送線上，從最初的供料點到最終的卸料點間形成一種物料的輸送流程。它既可以進行碎散物料的輸送，也可以進行成件物品的輸送。除進行純粹的物料輸送外，還可以與各工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)流程中的工藝過程的要求相配合，形成有節(jié)奏的流水作業(yè)運輸線。所以帶式輸送機廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化的各種工業(yè)企業(yè)中，在礦山的井下巷道、礦井地面運輸系統(tǒng)、露天采礦場及選礦廠中，廣泛應(yīng)用帶式輸送機。膠帶輸送機適用于輸送堆積密度小于1.67/噸/立方米，易于掏取的粉狀、粒狀、小塊狀的低磨琢性物料及袋裝物料，如煤、碎石、砂、水泥、化肥、糧食等，被送物料溫度小于60℃。其機長及裝配形式可根據(jù)用戶要求確定，傳動可用電滾筒，也可用帶驅(qū)動架的驅(qū)動裝置。

    對于帶式輸送機的技術(shù)來說，國外一直處于領(lǐng)先水平，主要體現(xiàn)在以下兩個方面：一方面，在本身的技術(shù)和裝備方面有了巨大的發(fā)展，如大運量、高運速、長距離等大型帶式輸送機已成為其主要的研究和發(fā)展方向；另一方面，帶式輸送機的多元化、應(yīng)用范圍的擴大化也取得了長足的發(fā)展，如大傾角帶式輸送機機、平面或空間轉(zhuǎn)彎帶式輸送機、管狀帶式輸送機等各種機型。另外，國外帶式輸送機采用了大量的最新技術(shù)，如：動態(tài)分析技術(shù)、可控啟動技術(shù)、自動張緊技術(shù)、多點驅(qū)動技術(shù)、機尾快速自移技術(shù)、電控與監(jiān)測自動化技術(shù)等。這些新技術(shù)的采用使帶式輸送機的設(shè)計、運行效率、可靠性都有了極大的提高，其代表了當今帶式輸送機發(fā)展的最新方向。

    近年來，隨著我國國民經(jīng)濟的不斷增長，對能源及工業(yè)原材料的需求變得更加迫切，國內(nèi)的帶式輸送機也在向著長距離、高帶速、大運量、大傾角、大功率的方向發(fā)展。由于采用大功率的高壓電機驅(qū)動，啟動電流較大。傳統(tǒng)的直接啟動方法不僅浪費電能，而且給電網(wǎng)造成沖擊，縮短機械設(shè)備的使用壽命，甚至損壞生產(chǎn)設(shè)備。因此，大功率膠帶輸送機的必須采用軟啟動。晶閘管調(diào)壓軟啟動的啟動特性曲線好，能實現(xiàn)電動機經(jīng)恒定斜率上升，對電網(wǎng)沖擊很小；可實現(xiàn)軟啟動、軟停車功能，體積小，易維護。目前，軟起動將仍然以高性價比的晶閘管降壓軟啟動為主要形式。

1、軟啟動的原理

    軟啟動器是一種用來控制三相交流異步電動機專用的產(chǎn)品，它實現(xiàn)了交流電機的軟啟動、軟停車、輕載節(jié)能和多種保護。其功能完善，性能優(yōu)越，能夠滿足工業(yè)電機控制的廣泛需要，是傳統(tǒng)Y／△啟動和自耦變壓器啟動控制方式的理想換代產(chǎn)品。

   軟啟動器具有性能穩(wěn)定，抗干擾能力強，運行可靠，實現(xiàn)電流、速度的雙閉環(huán)控制等特點，有助于系統(tǒng)穩(wěn)定運行。在傳輸功率較大的輸送機上用軟啟動器來控制系統(tǒng)的啟動和運行具有以下作用：

1.使起動平穩(wěn)可靠，膠帶無振動和跳帶，消除了膠帶機致命的動載沖擊，有效防止撒煤到底帶造成的跑偏、刷邊、斷卡子等生產(chǎn)事故。

2.取消了限矩型或調(diào)速型液力偶合器，避免因此而引起的油污染、漏油、起火等不安全隱患，大大減少油脂、備品備件的消耗。

3.延長皮帶的使用壽命，明顯減少打卡次數(shù)。

4.有效的延長了膠帶機的鋪設(shè)長度。

5.保證生產(chǎn)安全，提高生產(chǎn)效率。

    軟啟動器在煤礦電機設(shè)備中具有良好的應(yīng)用前景，隨著我國煤炭行業(yè)的快速發(fā)展，選擇智能型電動機起動設(shè)備，將是必然的發(fā)展方向。

    軟啟動器采用三相反并聯(lián)晶閘管(SCR)作為調(diào)壓器，將其接入電源和電機定子之間，這種電路如三相全控橋整流電路。軟啟動器啟動電機時，晶閘管的輸出電壓逐漸增加，電動機逐漸加速，直到晶閘管全導(dǎo)通，電動機工作在額定電壓的機械特性上，實現(xiàn)平滑啟動，降低啟動電流，避免了啟動時過流跳閘，待電機達到額定轉(zhuǎn)速時，啟動過程結(jié)束。軟啟動器同時還提供軟停車功能，軟停車與軟啟動過程相反，電壓逐漸降低，轉(zhuǎn)逐漸下降到零，避免自由停車引啟的轉(zhuǎn)矩沖擊。

    軟啟動器還加入了保護電路，通過檢測電機電壓、電流和轉(zhuǎn)速反饋信號，對電機運行狀況進行實時分析，對故障進行檢測，一旦發(fā)生故障將及時作出保護動作，并通發(fā)出報警信號，顯示輸出系統(tǒng)運行狀況。

2、晶閘管調(diào)壓原理

    晶閘管又稱作可控硅整流器(SCR)，晶閘管是一種半控型器件，自發(fā)明以來，便以其優(yōu)異的性能開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和應(yīng)用的新時代。它有三個聯(lián)接端：陽極A、陰極K和門極G。

    三相交流異步電機軟起動理論是基于晶閘管的三相交流調(diào)壓原理。所謂晶閘管三相交流調(diào)壓原理，是指通過改變晶閘管的觸發(fā)控制角α來改變?nèi)噍敵鼋涣麟妷旱挠行е?，從而實現(xiàn)輸出端的電壓可調(diào)。

    晶閘管調(diào)壓的控制方式有兩種：一是相位控制，即通過控制晶閘管的導(dǎo)通角來調(diào)壓；二是周波控制，在一定的時間內(nèi)，控制晶閘管導(dǎo)通的工頻周期數(shù)來達到調(diào)壓的目的。采用控制晶閘管通斷周波比調(diào)壓方式的缺點是：難以實現(xiàn)連續(xù)調(diào)壓，不易找到合適的調(diào)壓比。這種調(diào)壓方式在實際應(yīng)用中受到一定的限制，所以交流調(diào)壓大多以相位控制方式為主。該方式是作為開關(guān)的晶閘管在每個電源電壓波形周期的選定時刻將負載與電源接通，根據(jù)選定時刻的不同可得到不同的輸出負載電壓，從而起到調(diào)壓作用。圖1為三相交流調(diào)壓電路典型原理圖。

圖1晶閘管調(diào)壓電路主電路圖

    三相電源相位關(guān)系互差120°，晶閘管VT1、VT3、VT5工作在電源的正半周，VT2、VT4、VT6工作在電源的負半周。因此，VT1、VT3、VT5（或VT2、VT4、VT6）的觸發(fā)脈沖在相位上應(yīng)依次相差120°，同一相上的兩個反并聯(lián)晶閘管的觸發(fā)脈沖相位應(yīng)依次相差180°。故六路晶閘管脈沖觸發(fā)順序為VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6，相位依次相差60°。

3、系統(tǒng)硬件設(shè)計

    軟起動器的各項控制參數(shù)(起動電流、起動方式及時間等)經(jīng)鍵盤進行設(shè)置，同步信號檢測電路將檢測到的同步脈沖信號送入單片機80C196KC，80C196KC主控制器通過運算后按照設(shè)定的模式發(fā)出觸發(fā)脈沖以驅(qū)動晶閘管模塊的導(dǎo)通，單片機通過控制觸發(fā)脈沖的寬度來改變晶閘管的觸發(fā)角的大小，電機軟起動開始。

    電機起動過程中，檢測電路將電機的電壓、電流、轉(zhuǎn)速等參數(shù)送入80C196KC中：一方面對電機軟起動過程中的突發(fā)過流、過壓等故障進行實時保護；另一方面則對采集的數(shù)據(jù)進行計算，以保證電機按預(yù)定的控制規(guī)律進行軟起動。同時，80C196KC將電機起動期間的各項參數(shù)的運算結(jié)果在LCD顯示器上顯示出來。電機起動過程中，晶閘管的觸發(fā)角逐漸減少，晶閘管的輸出電壓也逐漸增加，直到達到電機的額定電壓，電機轉(zhuǎn)速從零開始加速，實現(xiàn)電動機的無級平滑起動。3.1系統(tǒng)主電路設(shè)計

    主電路的設(shè)計采用晶閘管三相交流調(diào)壓原理，通過相控調(diào)壓的方式調(diào)節(jié)電機定子端電壓的大小來實現(xiàn)電機軟起動。主電路接線圖如圖2所示。用三組雙向反并聯(lián)晶閘管分別串聯(lián)在Y接法的電機三相定子線圈上，這種接法各相波形對稱，輸出波形中諧波較少且不含偶次諧波，調(diào)速性能優(yōu)越，控制系統(tǒng)簡單、可靠。

圖2晶閘管三相調(diào)壓主電路

3.2微處理器的選擇及其基本外圍電路

    本設(shè)計中單片機80C196KC采用最常用的PLCC封裝形式，其管腳及基本外圍電路如圖3所示。為提高運算速度，單片機振蕩電路采用16MHz的晶振，因此其狀態(tài)周期為167ns；復(fù)位電路采用上電復(fù)位加按鈕手動復(fù)位方式；EA端口為存儲器選擇信號，由于本系統(tǒng)擴展了ROM和RAM存儲器，因此EA端口接低電平。

圖3單片機80C196KC及其基本外圍接口電路

3.3晶閘管觸發(fā)脈沖驅(qū)動電路

    晶閘管脈沖觸發(fā)電路是軟啟動系統(tǒng)電路中非常關(guān)鍵的一部分。為確保電路的正常工作，同時導(dǎo)通的兩個晶閘管需保證均有觸發(fā)脈沖，目前主要采用以下兩種脈沖觸發(fā)形式：一種是寬脈沖觸發(fā)，脈沖寬度大于60°（一般選取80°~100°)。另一種是雙窄脈沖觸發(fā)，在觸發(fā)某個晶閘管的同時，給序號緊前的一個晶閘管補發(fā)脈沖。兩個脈沖的前沿相差60°，脈寬為20°~30°。雙脈沖電路復(fù)雜，但要求的觸發(fā)電路輸出功率小。寬脈沖觸發(fā)電路雖可以少輸出一半脈沖，但需將鐵芯體積做得較大，增加繞組匝數(shù)，以抑制脈沖變壓器飽和。為不使脈沖變壓器飽且減少不必要的功率消耗，本設(shè)計中采用雙窄脈沖觸發(fā)方式。

    同步脈沖信號通過單片機80C196KC的HIS.0口信號作為中斷申請，經(jīng)過單片機的運算后，通過80C196KC輸出口HSO.0～HSO.5輸出六個相應(yīng)的PWM波觸發(fā)脈沖。為了抑制功放電路對控制系統(tǒng)造成的干擾，在前面加了一級光電耦合器進行隔離；為了滿足晶閘管門極對觸發(fā)脈沖的功率要求，在電路中設(shè)置了三極管和脈沖變壓器對觸發(fā)脈沖進行功率放大，同時脈沖變壓器也起到了隔離的作用；穩(wěn)壓管D8起電壓箝位的作用，從而保證形成一定幅值的觸發(fā)脈沖；脈沖變壓器的副邊接入了兩個二極管，保證了輸出正的觸發(fā)脈沖。

3.4過流保護

    電子式軟啟動器一般不帶短路保護，通過過載保護來完成短路保護，由于可控硅具有有限大的浪涌電流能力，且過流反應(yīng)能力在微秒級，在實際應(yīng)用中，在故障點的電流還沒有形成短路電流時，可迅速的關(guān)斷主功率單元。

    系統(tǒng)的過流檢測仍然是通過電流反饋電路檢測的，檢測到的電流經(jīng)過CPU運算處理后，通過與設(shè)定值大小進行比較，從而實現(xiàn)過流故障的及時發(fā)現(xiàn)，CPU及時作出保護響應(yīng)。

3.5膠帶輸送機膠帶跑偏檢測

    輸送帶跑偏是帶式輸送機運行過程中常出現(xiàn)的問題，膠帶跑偏會造成撒料、膠帶磨損、斷帶等安全隱，影響正常生產(chǎn)，甚至會造成生產(chǎn)事故。因此，這是膠帶輸送機系統(tǒng)必須要克服的問題之一。

    光電檢測是一種非接觸式測量方法，具有較寬的動態(tài)測量范圍和較高的測量精度，對于輸送帶跑偏的檢測。本設(shè)計用的光電傳感器選用E3F—DS5C1對射式光電開關(guān)，由于在帶式輸送機運行中頭尾滾筒處易出現(xiàn)跑偏，因此，光電檢測傳感器應(yīng)該安裝在輸送帶距離頭部滾筒8～10m處，也可沿著輸送帶多安裝幾處，便于檢測跑偏位置，本設(shè)計在輸送機的兩端各安裝一處。每處由四對光電傳感器分別固定在輸送帶兩側(cè)，安裝位置一般在膠帶寬度的5％~10％處。

圖4膠帶跑偏檢測傳感器安裝示意圖

    安裝位置如圖4所示，安裝的光電傳感器分為一級傳感開關(guān)和二級傳感開關(guān)，當一級傳感器檢測到膠帶跑偏信號時，表明膠帶輕微跑偏，有故障隱患，單片機將出報警信號和故障顯示信息但不停車；當一級傳感器檢測到膠帶跑偏信號時，則表明跑偏嚴重，會造成生產(chǎn)事故，需立即發(fā)出報警并發(fā)出停機信號，等待排除故障。

4、軟件設(shè)計

    主程序主要用來協(xié)調(diào)系統(tǒng)子程序間的時序，合理的調(diào)度各個子程序，避免程序同的沖突，為它們提供了一個優(yōu)異的運行框架。因此，主程序的設(shè)計好壞直接影響到系統(tǒng)整體運行性能的優(yōu)劣。

    本設(shè)計中主程序主要完成系統(tǒng)的上電初始化、故障自檢測、運行中的狀態(tài)參數(shù)顯示、突發(fā)故障處理和既定規(guī)律實現(xiàn)電機的起停等功能。

    系統(tǒng)上電初始化主要是指：對80C196KC單片機的寄存器、功能外設(shè)、堆棧、中斷系統(tǒng)和各子程序模塊的參數(shù)進行初始化，為以后的電機運行參數(shù)計算做準備。上電故障檢測是確保系統(tǒng)處于正常狀態(tài)，為之后的系統(tǒng)運行做準備。倘若此時有膠帶跑偏等故障發(fā)生，可及時進行故障處理，避免因疏忽而導(dǎo)致系統(tǒng)運行時的器件損壞。

    系統(tǒng)運行過程中的電壓、電流等參數(shù)會進行實時狀態(tài)顯示，以供操作人員參考；對運行中的突發(fā)故障(如器件損壞、外部突發(fā)干擾等)，故障檢測程序會及時做出處理并報警顯示。