矿用带式输送机控制器的设计

程双龙

（淮南联合大学 智能制造学院，安徽淮南，232000）

0 引言

矿用带式输送机是矿上一种常用的物料输送机械，它可以将物料从一个地方输送到另一个地方。它的结构简单，操作简单，可以实现高效的物料输送。然而由于井下工况复杂，传统的控制方式很难满足实际的控制要求。因此，基于单片机的皮带机控制系统的设计成为当前研究的热点。

矿用带式输送机控制器是一种用于控制矿用带式输送机的装置，它能够根据设定的参数控制带式输送机的运行状态，从而提高生产效率，其通常具有闭锁、跑偏、烟雾、堆煤、打滑、纵撕、断带、超温洒水等保护，这些保护基本上都属于开关量输入信号。输送机配套电气设备一般都是开关量控制如声光报警装置，或者模拟量输出控制如变频器工作在模拟量控制模式下。

本文首先介绍了皮带机的结构和工作原理，然后介绍了单片机控制系统的各部分硬件结构，包括电源、输入输出、通讯等模块，最后介绍了单片机控制系统的软件设计，包括系统的控制算法、调试方法等。

1 带式输送机系统结构

带式输送机由电机、皮带轮、皮带、支架和控制系统等部件组成，电机通过皮带轮带动皮带，皮带将物料从一端输送到另一端。控制系统的主要任务是负责控制电机的运行，以实现物料的有效输送。如图1所示，整个输送系统中控制器处于核心地位，电机和皮带输送机将各自的运行状态通过各种传感器采集反馈进入控制器。通过屏幕可以进行人机交互，将需要的控制信息反馈进入控制器，急停等信号也是一样可以直接进入控制器。控制器综合反馈的信息通过开关量、模拟量或者通讯等方式控制变频器对电机进行启停、速度等控制，从而保证皮带机的安全稳定运行。

图1 带式输送机控制系统结构

2 控制器硬件电路设计

控制器的硬件电路设计可分为电源模块、开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输出模块、人机交互电路以及预留的RS485通讯接口电路。

3 电源模块设计

整个控制系统需要12V和5V的直流电压供电，由于井下防爆需求，总电源采用井下12V的本安电源作为输入，所以电源模块需要设计出12V转5V的电路，电路如图2所示。

图2 12V转5V电源电路

井下12V本安电源经过三端稳压芯片78M05转为5V直流电源供给单片机及控制系统使用，78M05芯片最大能提供1.5A的电流，可以满足控制系统的需求。C1、C2、C3为滤波电容，作用是滤除电源电路中的高频和低频干扰信号。R1为电源指示灯的限流电阻，D1为单片机的电源指示灯，用以表示电源电路是否工作正常。

4 开关量输入信号模块设计

带式输送机控制系统中，堆煤、跑偏、急停、撕裂等传感器的输出信号为开关量，所以控制系统中需要设计开关量输入模块。由于井下工况复杂，对于以单片机为控制核心的控制系统，开关量输入电路的设计中，需要考虑以下几个主要的因素：

（1）输入信号需要稳定可靠。

（2）输入信号需要隔离，防止干扰及损坏控制系统。

（3）要有一定的驱动能力，可以直接用低压供电。

由于运输通道较长，导致连接的导线较长，传统的单片机开关量检测电路如图3所示，不能提供足够的驱动电流，同时由于导线较长信号容易受到干扰，为解决此问题，设计出如图4所示的开关量输入采集电路。

图3 单片机开关量信号采集电路

图4 远距离开关量信号采集电路

图5 开关量输出控制电路

长距离信号传输，5V电压驱动能力不足，本设计直接使用井下12V本安电源驱动，能够大大增加传输距离。电路中U1为光耦，利用光耦进行输入信号的隔离，以保证控制系统的安全。光耦的驱动电流必须在一定范围内，由于井下工况复杂，巷道长度不同，所以设计了利用拨码开关选择不同的限流电阻，这样就可以根据不同的导线长度选择合适的限流电阻来采集开关量，当远处的开关闭合时，光耦导通，单片机对应的I/O引脚采集到低电平。开关断开时，光耦断开，单片机对应的I/O引脚采集到高电平，控制系统便可以通过引脚输入的高低电平，来判断开关量的输入状态。

5 开关量输出控制电路

由于煤矿井下防爆需求，本设计中开关量输出控制电路中并没有使用传统的电磁继电器进行开关量输出控制，以防止电磁继电器中的电感打火，固态继电器因为其无触点、寿命长、速度快，对外界的干扰小，所以本设计采用了固态继电器进行开关量输出信号的控制，设计电路如图所示，同时利用固态继电器可以将控制端与负载端进行有效隔离，使得控制系统的安全稳定性得到大大提高。

一般单片机的引脚的输入电流比较大，所以设计成了单片机引脚低电平有效，当对应的I/O引脚输出低电平时，固态继电器输出端导通，然后便可以通过开关量输出方式控制变频器、电机或其他设备工作。

6 模拟量输出控制电路

输送机的配套设备中有些需要利用模拟量进行控制，如变频器工作在模拟量调速控制模式下，为了节省单片机的I/O引脚资源，本设计中选用了具有串行接口的DA芯片TLC5615，其可以将输入的数字量信号转换成对应的模拟量输出信号，其分辨率为10位，完全能够满足系统的性能需求，其接口电路如图6所示。

图6 模拟量输出接口电路

图中TLC5615芯片的参考电压由稳压二极管IN4370反向击穿后提供，SCLK为时钟输入引脚，提供芯片工作时序使用，DIN引脚为数据输入引脚，以上引脚均由单片机的I/O引脚控制。模拟量输出引脚可以输出0～5V的电压用来控制外围设备，由于连接导线具有电阻特性，建议模拟量的连接导线不宜过长。

7 RS485串口通信接口电路

RS485是一种先进的通信技术，也是目前工业上应用最广泛的通信技术。它是在单总线标准485基础上发展起来的，具有抗干扰能力强、传输速度快等优点。由于煤矿井下环境复杂，干扰严重，因此必须采用具有RS485接口的控制器来完成数据的远距离传输。

输送机的控制器在某些工况下需要与其他用电设备进行通讯控制，比如某些变频器支持Modbus等通讯协议，控制器便可以通过串口输出相应控制信号控制设备的运行，由于串口传输中RS485电路的传输距离较远，通信速率较高、抗干扰能力较强，于是在本设计中便预留了RS485串口通信接口电路，接口电路采用了SP3485芯片。SP3485芯片是一款高效的通信芯片，它采用最新的技术，能够自动收发信号，能够大大降低软件设计的复杂度。其内部有专业的通信电路，能够提供更高的信号传输率，从而满足不同环境和应用场景的需求。此外，SP3485芯片还具有节能环保、低功耗、低噪声和高稳定性等优点，非常适合使用在矿用环境下。

RS485串口通信接口电路设计如图7所示，用到了单片机的一对串口引脚分别是发送（TXD）、接收（RXD）引脚。此接口电路的作用是将单片机控制系统中的TTL电平转变成RS485电平，从而达到信息的远距离传输的目的。

图7 RS485串口通信接口电路

8 人机交互设计

人机交互是指人与计算机之间的交互，是一种复杂的交互过程，它涉及人类与计算机之间的信息交换、沟通和协作。人机交互的目的是使用户能够更有效地使用计算机系统，以达到更好的工作效率。

因为所选单片机的算力不够强大，为了降低单片机的编程复杂度，本设计选用了编程简单的串口屏。串口屏可以实现用户和单片机之间的双向交互，其可以通过简单的操作，如用户可以点击按键、触摸屏幕等方式来操作单片机控制系统，而不需要复杂的操作，这样可以提高用户的操作效率。另外串口屏人机交互还可以实现其他多种功能，比如可以实现语音交互、视频交互等，这样可以更好地满足用户的需求。例如图8是控制系统中串口屏的监控画面，通过监控画面可以很方便地看出有没有传感器报警和哪些传感器在报警，这样就可以很方便地定位报警信息。还可以通过串口屏输入一些控制信息到控制系统里，如图9所示，可以利用串口屏手动输入电机的运行频率，这样对电机的调速更加方便。

图8 控制系统监控画

图9 电机运行频率输入画面

9 控制器软件设计

控制器软件设计流程图如图10所示，上电后单片机会对相关模块进行初始化，然后检测各项输入信号是否正常，如果输入信号不正常禁止启动。输入信号正常后接收到启动信号，则控制设备启动。在设备工作的过程中，单片机会不断地检测有无故障信号、急停信号、停止信号等输入，一旦有上述信号出现单片机便会控制设备停机，直到故障解除，设备才能重新启动，同时还会将上述信息发送到串口屏进行人机交互，以方便工作人员查看设备运行情况。

图10 软件流程图

10 结语

基于单片机控制技术设计的带式输送机能够大大减少设备体积与重量，减轻工人体力劳动，降低生产成本，设备简单易用，在一些特定工况下具有重要的使用价值。