PLC技术在带式输送机监控系统中的应用研究
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【摘 要】带式输送系统作为一种连续运输系统，已得到广泛的应用。本文着重研究了基于plc 的带式运输监控系统，提出了采用工控机和PLC 两级控制系统方案，并建立了动力系统的数值分析模型。具有一定的经济价值和参考意义。
【关键词】PLC；带式输送机；监控
1 带式输送机工作特点
带式输送机是一种连续运输机械，应用场合非常广泛，尤其在大型港口、矿山或冶金企业，更是生产过程中不可或缺的运输设备。带式输送机的运输距离可以从几十米至数千米，当采用多条皮带串联运输时，其运输距离甚至可以达到十几千米。其运输能力按小时计算可以达到几百千克一直到上万吨。带式输送机最大的特点就是连续运输，对皮带运输过程进行监控显得尤为重要。
带式输送机的驱动装置由单个或多个驱动滚筒驱动，驱动电机可采用单个电机或多电机联合驱动。一般驱动装置包括电动机、液力耦合器、减速机、制动器等。耦合器的作用是改善带式输送机的启动性能。制动器和逆止器是为了防止当带式输送机停机时皮带向下滑动。
2 控制系统硬件结构及系统实现
2.1 系统整体结构
系统整体结构框图如图1 所示。
图1系统结构框图
根据上图可以看出，该系统采用PLC与工控机组成两级计算机控制系统。工控机对传送系统进行实时监控、记录、查询等操作。
系统控制过程中触摸屏、工控机和PLC 三者之间要进行实时通讯，一方面触摸屏和工控机要实时获得PLC采集的数据，并将其显示出来，同时工控机或触摸屏也要实时对PLC发出控制命令，因此三者之间的信号传输是需要解决的首要问题。
2.2 触摸屏、工控机和PLC 三者的通讯
可编程控制器（PLC）具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令等特点，在开关量控制方面具有很强的优势，在工业生产中得到广泛的应用和肯定。但是PLC的动态显示功能较弱，所以本设计将PC机、触摸屏与可编程控制器组合起来，充分利用PC机和触摸屏强大的人机接口功能、丰富的应用软件和低廉的价格来实现共同管理。
本设计采用串行通信的方式来进行数据传输，串行通讯是指设备间使用两根数据信号线和一根控制线来把数据逐位传输，同时按照时分复用协议来完成传输控制，这种通讯方式使用的数据线少、成本低。在实际工业应用中使用最广泛的是RS-485。它的特点是除了实现“点对多”通信之外还可实现“多对多”通信，可同时接32个发送器和32个接收器。RS-485需要两个终接电阻接在传送总线的两端，其阻值要求等于传送电缆的特性阻抗。本文中PC 机与读写器之间采用RS- 485接口实现“点对多”通信，工作于半双工方式。
本系统中，PLC、触摸屏和工控机之间采用一个三通插头进行连接，PLC和触摸屏之间经过通讯适配器进行转换，而PLC 和工控机之间用CP5611通讯卡进行数据传输。
3 动力系统建模
3.1 变频器模型
变频器带动同步电机构成调速系统，结构简单，过载能力大，转动惯量小，适于对静、动态性能要求较高的皮带输送机控制。简化后的变频器传递函数：整流器部分输入电压的幅值不变，即：
= （1）
其中 是整流器输入电压； 是整流器输出电压，在中间电路经R- C 滤波，电压由 变为 ，经拉氏变换，由频域电路可推导出下式：
（2）
由式（1）和（2），得变频器的传递函数为：
（3）
由式（3）可见，变频器的传递函数是一个一阶惯性环节。
3.2 电机模型
永磁同步电动机过载能力大，转矩脉动小，效率高。在建立同步机的数学模型时.可忽略一些次要的量，假设如下：
（1）定子绕组空间对称分布，气隙磁动势和磁通的基波在空间正弦分布，忽略磁场高次谐波、磁饱和、铁损耗及温度对参数变化的影响。
（2）因为阻尼绕组的导条和转子的磁路均对称于转子轴线，所以同时也可根据双反应理论，把它等效为直轴阻尼绕组 和交轴阻尼绕组 。
3.3 电流和转矩
在定、转子绕组中，电流会产生相对应的定、转子磁动势，两磁动势相互作用，得电磁转矩表达式如下：
（4）
式中：Km为比例系数，和电机的参数有关； 为定转子磁动势的幅值。
分析上式可以得出，电机电磁转矩和定、转子磁动势的幅值以及这两个磁动势间的夹角的正弦成正比。产生稳定的电磁转矩的条件是定转子两个磁动势在稳态时需相互静止。因此，当同步电机正常运行时，则
（5） ； （6）
把（5）和（6）代入（4）可得：
（7）
忽略电枢反应的去磁作用及磁路饱和，则转矩方程可写为 （8）
式中：Cm 为转矩系数；Φm 为磁通量。可近似认为转矩和电流的归算值成正比。
3.4 转矩和转速
由拖动系统基本运动方程进行拉氏变换后得：
n=J×[1/S（Td- T1）]
J=375/GD2 （9）
电机转速变换为实际皮带运输速度，则有：
式中： 为辊轴半径，m，v 为皮带速度。
以上推导可得出同步电机是一个二阶环节。但同步电机模型并非是完全固定的，它的传递函数与具体的工作要求有关。
5 结语
本文所设计的基于PLC的带式输送机监控系统实现了对带式输送机运行过程和状态的监控， PLC控制系统有效地完成多台电机的同时启动和同步控制， 有效地提高了系统的自动化水平。系统安装维护方便，运行稳定、可靠，有推广使用的价值。
参考文献：
[1]秦业，喻寿益.两级网络过程控制试验装置[J].计算技术与自动化，2005，
[2]陈松立.控制电器与控制系统[M].徐州：中国矿业大学出版社，2006.