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    摘要：本文根據帶式輸送機的啟動特點，結合16位單片機的高速處理能力，基于晶閘管相控調壓理論，研究并設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。

    關鍵詞：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動以連續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，還可以與各工業企業生產流程中的工藝過程的要求相配合，形成有節奏的流水作業運輸線。所以帶式輸送機廣泛應用于現代化的各種工業企業中，在礦山的井下巷道、礦井地面運輸系統、露天采礦場及選礦廠中，廣泛應用帶式輸送機。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用戶要求確定，傳動可用電滾筒，也可用帶驅動架的驅動裝置。

    對于帶式輸送機的技術來說，國外一直處于領先水平，主要體現在以下兩個方面：一方面，在本身的技術和裝備方面有了巨大的發展，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展方向；另一方面，帶式輸送機的多元化、應用范圍的擴大化也取得了長足的發展，如大傾角帶式輸送機機、平面或空間轉彎帶式輸送機、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，如：動態分析技術、可控啟動技術、自動張緊技術、多點驅動技術、機尾快速自移技術、電控與監測自動化技術等。這些新技術的采用使帶式輸送機的設計、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展的最新方向。

    近年來，隨著我國國民經濟的不斷增長，對能源及工業原材料的需求變得更加迫切，國內的帶式輸送機也在向著長距離、高帶速、大運量、大傾角、大功率的方向發展。由于采用大功率的高壓電機驅動，啟動電流較大。傳統的直接啟動方法不僅浪費電能，而且給電網造成沖擊，縮短機械設備的使用壽命，甚至損壞生產設備。因此，大功率膠帶輸送機的必須采用軟啟動。晶閘管調壓軟啟動的啟動特性曲線好，能實現電動機經恒定斜率上升，對電網沖擊很小；可實現軟啟動、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品，它實現了交流電機的軟啟動、軟停車、輕載節能和多種保護。其功能完善，性能優越，能夠滿足工業電機控制的廣泛需要，是傳統Y／△啟動和自耦變壓器啟動控制方式的理想換代產品。

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

1.使起動平穩可靠，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、斷卡子等生產事故。

2.取消了限矩型或調速型液力偶合器，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。

4.有效的延長了膠帶機的鋪設長度。

5.保證生產安全，提高生產效率。

    軟啟動器在煤礦電機設備中具有良好的應用前景，隨著我國煤炭行業的快速發展，選擇智能型電動機起動設備，將是必然的發展方向。

    軟啟動器采用三相反并聯晶閘管(SCR)作為調壓器，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，直到晶閘管全導通，電動機工作在額定電壓的機械特性上，實現平滑啟動，降低啟動電流，避免了啟動時過流跳閘，待電機達到額定轉速時，啟動過程結束。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，轉逐漸下降到零，避免自由停車引啟的轉矩沖擊。

    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，一旦發生故障將及時作出保護動作，并通發出報警信號，顯示輸出系統運行狀況。

2、晶閘管調壓原理

    晶閘管又稱作可控硅整流器(SCR)，晶閘管是一種半控型器件，自發明以來，便以其優異的性能開辟了電力電子技術迅速發展和應用的新時代。它有三個聯接端：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壓原理。所謂晶閘管三相交流調壓原理，是指通過改變晶閘管的觸發控制角α來改變三相輸出交流電壓的有效值，從而實現輸出端的電壓可調。

    晶閘管調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通角來調壓；二是周波控制，在一定的時間內，控制晶閘管導通的工頻周期數來達到調壓的目的。采用控制晶閘管通斷周波比調壓方式的缺點是：難以實現連續調壓，不易找到合適的調壓比。這種調壓方式在實際應用中受到一定的限制，所以交流調壓大多以相位控制方式為主。該方式是作為開關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，根據選定時刻的不同可得到不同的輸出負載電壓，從而起到調壓作用。圖1為三相交流調壓電路典型原理圖。

圖1晶閘管調壓電路主電路圖

    三相電源相位關系互差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）的觸發脈沖在相位上應依次相差120°，同一相上的兩個反并聯晶閘管的觸發脈沖相位應依次相差180°。故六路晶閘管脈沖觸發順序為VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6，相位依次相差60°。

3、系統硬件設計

    軟起動器的各項控制參數(起動電流、起動方式及時間等)經鍵盤進行設置，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定的模式發出觸發脈沖以驅動晶閘管模塊的導通，單片機通過控制觸發脈沖的寬度來改變晶閘管的觸發角的大小，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、轉速等參數送入80C196KC中：一方面對電機軟起動過程中的突發過流、過壓等故障進行實時保護；另一方面則對采集的數據進行計算，以保證電機按預定的控制規律進行軟起動。同時，80C196KC將電機起動期間的各項參數的運算結果在LCD顯示器上顯示出來。電機起動過程中，晶閘管的觸發角逐漸減少，晶閘管的輸出電壓也逐漸增加，直到達到電機的額定電壓，電機轉速從零開始加速，實現電動機的無級平滑起動。3.1系統主電路設計

    主電路的設計采用晶閘管三相交流調壓原理，通過相控調壓的方式調節電機定子端電壓的大小來實現電機軟起動。主電路接線圖如圖2所示。用三組雙向反并聯晶閘管分別串聯在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，調速性能優越，控制系統簡單、可靠。

圖2晶閘管三相調壓主電路

3.2微處理器的選擇及其基本外圍電路

    本設計中單片機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，因此其狀態周期為167ns；復位電路采用上電復位加按鈕手動復位方式；EA端口為存儲器選擇信號，由于本系統擴展了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晶閘管觸發脈沖驅動電路

    晶閘管脈沖觸發電路是軟啟動系統電路中非常關鍵的一部分。為確保電路的正常工作，同時導通的兩個晶閘管需保證均有觸發脈沖，目前主要采用以下兩種脈沖觸發形式：一種是寬脈沖觸發，脈沖寬度大于60°（一般選取80°~100°)。另一種是雙窄脈沖觸發，在觸發某個晶閘管的同時，給序號緊前的一個晶閘管補發脈沖。兩個脈沖的前沿相差60°，脈寬為20°~30°。雙脈沖電路復雜，但要求的觸發電路輸出功率小。寬脈沖觸發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，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，本設計中采用雙窄脈沖觸發方式。

    同步脈沖信號通過單片機80C196KC的HIS.0口信號作為中斷申請，經過單片機的運算后，通過80C196KC輸出口HSO.0～HSO.5輸出六個相應的PWM波觸發脈沖。為了抑制功放電路對控制系統造成的干擾，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脈沖的功率要求，在電路中設置了三極管和脈沖變壓器對觸發脈沖進行功率放大，同時脈沖變壓器也起到了隔離的作用；穩壓管D8起電壓箝位的作用，從而保證形成一定幅值的觸發脈沖；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，且過流反應能力在微秒級，在實際應用中，在故障點的電流還沒有形成短路電流時，可迅速的關斷主功率單元。

    系統的過流檢測仍然是通過電流反饋電路檢測的，檢測到的電流經過CPU運算處理后，通過與設定值大小進行比較，從而實現過流故障的及時發現，CPU及時作出保護響應。

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，甚至會造成生產事故。因此，這是膠帶輸送機系統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，具有較寬的動態測量范圍和較高的測量精度，對于輸送帶跑偏的檢測。本設計用的光電傳感器選用E3F—DS5C1對射式光電開關，由于在帶式輸送機運行中頭尾滾筒處易出現跑偏，因此，光電檢測傳感器應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，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和二級傳感開關，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，會造成生產事故，需立即發出報警并發出停機信號，等待排除故障。

4、軟件設計

    主程序主要用來協調系統子程序間的時序，合理的調度各個子程序，避免程序同的沖突，為它們提供了一個優異的運行框架。因此，主程序的設計好壞直接影響到系統整體運行性能的優劣。

    本設計中主程序主要完成系統的上電初始化、故障自檢測、運行中的狀態參數顯示、突發故障處理和既定規律實現電機的起停等功能。

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

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