摘要：本文根據(jù)帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)特點(diǎn)，結(jié)合16位單片機(jī)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(jì)了一款以單片機(jī)為控制核心、以晶閘管作為主控器件的帶式輸送機(jī)智能軟起動(dòng)器。實(shí)現(xiàn)了帶式輸送機(jī)的軟啟動(dòng)、軟停車(chē)和多種保護(hù)功能。研究帶式輸送機(jī)軟啟動(dòng)器的意義不僅在于保證平穩(wěn)地起動(dòng)、制動(dòng)，而且還可降低帶式輸送機(jī)的成本，保證安全生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；軟啟動(dòng)器；輸送機(jī)

中途分類(lèi)號(hào)：TP9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

前言

膠帶輸送機(jī)是一種摩擦驅(qū)動(dòng)以連續(xù)方式運(yùn)輸物料的機(jī)械。它可以將物料在一定的輸送線(xiàn)上，從最初的供料點(diǎn)到最終的卸料點(diǎn)間形成一種物料的輸送流程。它既可以進(jìn)行碎散物料的輸送，也可以進(jìn)行成件物品的輸送。除進(jìn)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(guò)程的要求相配合，形成有節(jié)奏的流水作業(yè)運(yùn)輸線(xiàn)。所以帶式輸送機(jī)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(yùn)輸系統(tǒng)、露天采礦場(chǎng)及選礦廠(chǎng)中，廣泛應(yīng)用帶式輸送機(jī)。膠帶輸送機(jī)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(jī)長(zhǎng)及裝配形式可根據(jù)用戶(hù)要求確定，傳動(dòng)可用電滾筒，也可用帶驅(qū)動(dòng)架的驅(qū)動(dòng)裝置。

對(duì)于帶式輸送機(jī)的技術(shù)來(lái)說(shuō)，國(guó)外一直處于領(lǐng)先水平，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)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(yùn)量、高運(yùn)速、長(zhǎng)距離等大型帶式輸送機(jī)已成為其主要的研究和發(fā)展方向；另一方面，帶式輸送機(jī)的多元化、應(yīng)用范圍的擴(kuò)大化也取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，如大傾角帶式輸送機(jī)機(jī)、平面或空間轉(zhuǎn)彎帶式輸送機(jī)、管狀帶式輸送機(jī)等各種機(jī)型。另外，國(guó)外帶式輸送機(jī)采用了大量的最新技術(shù)，如：動(dòng)態(tài)分析技術(shù)、可控啟動(dòng)技術(shù)、自動(dòng)張緊技術(shù)、多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、機(jī)尾快速自移技術(shù)、電控與監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)等。這些新技術(shù)的采用使帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行效率、可靠性都有了極大的提高，其代表了當(dāng)今帶式輸送機(jī)發(fā)展的最新方向。

近年來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)，對(duì)能源及工業(yè)原材料的需求變得更加迫切，國(guó)內(nèi)的帶式輸送機(jī)也在向著長(zhǎng)距離、高帶速、大運(yùn)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(jī)驅(qū)動(dòng)，啟動(dòng)電流較大。傳統(tǒng)的直接啟動(dòng)方法不僅浪費(fèi)電能，而且給電網(wǎng)造成沖擊，縮短機(jī)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(jī)的必須采用軟啟動(dòng)。晶閘管調(diào)壓軟啟動(dòng)的啟動(dòng)特性曲線(xiàn)好，能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)經(jīng)恒定斜率上升，對(duì)電網(wǎng)沖擊很??；可實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)、軟停車(chē)功能，體積小，易維護(hù)。目前，軟起動(dòng)將仍然以高性?xún)r(jià)比的晶閘管降壓軟啟動(dòng)為主要形式。

1、軟啟動(dòng)的原理

軟啟動(dòng)器是一種用來(lái)控制三相交流異步電動(dòng)機(jī)專(zhuān)用的產(chǎn)品，它實(shí)現(xiàn)了交流電機(jī)的軟啟動(dòng)、軟停車(chē)、輕載節(jié)能和多種保護(hù)。其功能完善，性能優(yōu)越，能夠滿(mǎn)足工業(yè)電機(jī)控制的廣泛需要，是傳統(tǒng)Y／△啟動(dòng)和自耦變壓器啟動(dòng)控制方式的理想換代產(chǎn)品。

軟啟動(dòng)器具有性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，運(yùn)行可靠，實(shí)現(xiàn)電流、速度的雙閉環(huán)控制等特點(diǎn)，有助于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。在傳輸功率較大的輸送機(jī)上用軟啟動(dòng)器來(lái)控制系統(tǒng)的啟動(dòng)和運(yùn)行具有以下作用：

1.使起動(dòng)平穩(wěn)可靠，膠帶無(wú)振動(dòng)和跳帶，消除了膠帶機(jī)致命的動(dòng)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(zhǎng)皮帶的使用壽命，明顯減少打卡次數(shù)。

4.有效的延長(zhǎng)了膠帶機(jī)的鋪設(shè)長(zhǎng)度。

5.保證生產(chǎn)安全，提高生產(chǎn)效率。

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

軟啟動(dòng)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(jī)定子之間，這種電路如三相全控橋整流電路。軟啟動(dòng)器啟動(dòng)電機(jī)時(shí)，晶閘管的輸出電壓逐漸增加，電動(dòng)機(jī)逐漸加速，直到晶閘管全導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)工作在額定電壓的機(jī)械特性上，實(shí)現(xiàn)平滑啟動(dòng)，降低啟動(dòng)電流，避免了啟動(dòng)時(shí)過(guò)流跳閘，待電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束。軟啟動(dòng)器同時(shí)還提供軟停車(chē)功能，軟停車(chē)與軟啟動(dòng)過(guò)程相反，電壓逐漸降低，轉(zhuǎn)逐漸下降到零，避免自由停車(chē)引啟的轉(zhuǎn)矩沖擊。

軟啟動(dòng)器還加入了保護(hù)電路，通過(guò)檢測(cè)電機(jī)電壓、電流和轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)，對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，對(duì)故障進(jìn)行檢測(cè)，一旦發(fā)生故障將及時(shí)作出保護(hù)動(dòng)作，并通發(fā)出報(bào)警信號(hào)，顯示輸出系統(tǒng)運(yùn)行狀況。

2、晶閘管調(diào)壓原理

晶閘管又稱(chēng)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(lái)，便以其優(yōu)異的性能開(kāi)辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和應(yīng)用的新時(shí)代。它有三個(gè)聯(lián)接端：陽(yáng)極A、陰極K和門(mén)極G。

三相交流異步電機(jī)軟起動(dòng)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(guò)改變晶閘管的觸發(fā)控制角α來(lái)改變?nèi)噍敵鼋涣麟妷旱挠行е担瑥亩鴮?shí)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(guò)控制晶閘管的導(dǎo)通角來(lái)調(diào)壓；二是周波控制，在一定的時(shí)間內(nèi)，控制晶閘管導(dǎo)通的工頻周期數(shù)來(lái)達(dá)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(diǎn)是：難以實(shí)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(shí)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(kāi)關(guān)的晶閘管在每個(gè)電源電壓波形周期的選定時(shí)刻將負(fù)載與電源接通，根據(jù)選定時(shí)刻的不同可得到不同的輸出負(fù)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(fù)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(gè)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?yàn)閂T1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6，相位依次相差60°。

3、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

軟起動(dòng)器的各項(xiàng)控制參數(shù)(起動(dòng)電流、起動(dòng)方式及時(shí)間等)經(jīng)鍵盤(pán)進(jìn)行設(shè)置，同步信號(hào)檢測(cè)電路將檢測(cè)到的同步脈沖信號(hào)送入單片機(jī)80C196KC，80C196KC主控制器通過(guò)運(yùn)算后按照設(shè)定的模式發(fā)出觸發(fā)脈沖以驅(qū)動(dòng)晶閘管模塊的導(dǎo)通，單片機(jī)通過(guò)控制觸發(fā)脈沖的寬度來(lái)改變晶閘管的觸發(fā)角的大小，電機(jī)軟起動(dòng)開(kāi)始。

電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，檢測(cè)電路將電機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)速等參數(shù)送入80C196KC中：一方面對(duì)電機(jī)軟起動(dòng)過(guò)程中的突發(fā)過(guò)流、過(guò)壓等故障進(jìn)行實(shí)時(shí)保護(hù)；另一方面則對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，以保證電機(jī)按預(yù)定的控制規(guī)律進(jìn)行軟起動(dòng)。同時(shí)，80C196KC將電機(jī)起動(dòng)期間的各項(xiàng)參數(shù)的運(yùn)算結(jié)果在LCD顯示器上顯示出來(lái)。電機(jī)起動(dòng)過(guò)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(dá)到電機(jī)的額定電壓，電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牧汩_(kāi)始加速，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)平滑起動(dòng)。3.1系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)

主電路的設(shè)計(jì)采用晶閘管三相交流調(diào)壓原理，通過(guò)相控調(diào)壓的方式調(diào)節(jié)電機(jī)定子端電壓的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟起動(dòng)。主電路接線(xiàn)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(jī)三相定子線(xiàn)圈上，這種接法各相波形對(duì)稱(chēng)，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(jiǎn)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(jì)中單片機(jī)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(yùn)算速度，單片機(jī)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(dòng)復(fù)位方式；EA端口為存儲(chǔ)器選擇信號(hào)，由于本系統(tǒng)擴(kuò)展了ROM和RAM存儲(chǔ)器，因此EA端口接低電平。

圖3單片機(jī)80C196KC及其基本外圍接口電路

3.3晶閘管觸發(fā)脈沖驅(qū)動(dòng)電路

晶閘管脈沖觸發(fā)電路是軟啟動(dòng)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(shí)導(dǎo)通的兩個(gè)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(gè)晶閘管的同時(shí)，給序號(hào)緊前的一個(gè)晶閘管補(bǔ)發(fā)脈沖。兩個(gè)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(jì)中采用雙窄脈沖觸發(fā)方式。

同步脈沖信號(hào)通過(guò)單片機(jī)80C196KC的HIS.0口信號(hào)作為中斷申請(qǐng)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)的運(yùn)算后，通過(guò)80C196KC輸出口HSO.0～HSO.5輸出六個(gè)相應(yīng)的PWM波觸發(fā)脈沖。為了抑制功放電路對(duì)控制系統(tǒng)造成的干擾，在前面加了一級(jí)光電耦合器進(jìn)行隔離；為了滿(mǎn)足晶閘管門(mén)極對(duì)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(duì)觸發(fā)脈沖進(jìn)行功率放大，同時(shí)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(gè)二極管，保證了輸出正的觸發(fā)脈沖。

3.4過(guò)流保護(hù)

電子式軟啟動(dòng)器一般不帶短路保護(hù)，通過(guò)過(guò)載保護(hù)來(lái)完成短路保護(hù)，由于可控硅具有有限大的浪涌電流能力，且過(guò)流反應(yīng)能力在微秒級(jí)，在實(shí)際應(yīng)用中，在故障點(diǎn)的電流還沒(méi)有形成短路電流時(shí)，可迅速的關(guān)斷主功率單元。

系統(tǒng)的過(guò)流檢測(cè)仍然是通過(guò)電流反饋電路檢測(cè)的，檢測(cè)到的電流經(jīng)過(guò)CPU運(yùn)算處理后，通過(guò)與設(shè)定值大小進(jìn)行比較，從而實(shí)現(xiàn)過(guò)流故障的及時(shí)發(fā)現(xiàn)，CPU及時(shí)作出保護(hù)響應(yīng)。

3.5膠帶輸送機(jī)膠帶跑偏檢測(cè)

輸送帶跑偏是帶式輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中常出現(xiàn)的問(wèn)題，膠帶跑偏會(huì)造成撒料、膠帶磨損、斷帶等安全隱，影響正常生產(chǎn)，甚至?xí)斐缮a(chǎn)事故。因此，這是膠帶輸送機(jī)系統(tǒng)必須要克服的問(wèn)題之一。

光電檢測(cè)是一種非接觸式測(cè)量方法，具有較寬的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍和較高的測(cè)量精度，對(duì)于輸送帶跑偏的檢測(cè)。本設(shè)計(jì)用的光電傳感器選用E3F—DS5C1對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)，由于在帶式輸送機(jī)運(yùn)行中頭尾滾筒處易出現(xiàn)跑偏，因此，光電檢測(cè)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(cè)跑偏位置，本設(shè)計(jì)在輸送機(jī)的兩端各安裝一處。每處由四對(duì)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(cè)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(jí)傳感開(kāi)關(guān)和二級(jí)傳感開(kāi)關(guān)，當(dāng)一級(jí)傳感器檢測(cè)到膠帶跑偏信號(hào)時(shí)，表明膠帶輕微跑偏，有故障隱患，單片機(jī)將出報(bào)警信號(hào)和故障顯示信息但不停車(chē)；當(dāng)一級(jí)傳感器檢測(cè)到膠帶跑偏信號(hào)時(shí)，則表明跑偏嚴(yán)重，會(huì)造成生產(chǎn)事故，需立即發(fā)出報(bào)警并發(fā)出停機(jī)信號(hào)，等待排除故障。

4、軟件設(shè)計(jì)

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

本設(shè)計(jì)中主程序主要完成系統(tǒng)的上電初始化、故障自檢測(cè)、運(yùn)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(shí)現(xiàn)電機(jī)的起停等功能。

系統(tǒng)上電初始化主要是指：對(duì)80C196KC單片機(jī)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(jìn)行初始化，為以后的電機(jī)運(yùn)行參數(shù)計(jì)算做準(zhǔn)備。上電故障檢測(cè)是確保系統(tǒng)處于正常狀態(tài)，為之后的系統(tǒng)運(yùn)行做準(zhǔn)備。倘若此時(shí)有膠帶跑偏等故障發(fā)生，可及時(shí)進(jìn)行故障處理，避免因疏忽而導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的器件損壞。

系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的電壓、電流等參數(shù)會(huì)進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示，以供操作人員參考；對(duì)運(yùn)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(cè)程序會(huì)及時(shí)做出處理并報(bào)警顯示。