机械电子式软起动装置的控制系统设计

近年来，在煤炭、冶金、电力、建材、石油、化工等行业，带式输送机得到普遍应用，带式输送机的相关理论和实验研究取得了很大进展，但仍然存在传动效率低，系统结构复杂且可靠性较差，缺少自动化控制与通信协议等方面缺陷，未形成有效软起动控制系统。因此，有必要研究开发性能优良、传动效率高、机械结构与控制系统简单、工作寿命长，价格便宜和安装维护方便的新型机械电子式软起动系统。

1. 机械电子式软起动控制系统组成及原理

由上位计算机、变频器、可编程控制器(PLC)等组成。为了实现对工作仪器的保护，将变频器、可编程控制器、传感器等安装在控制柜内。执行机构为异步电动机、差动行星减速机构，控制对象为带式输送机。

控制系统在结构上为主从式二级控制，其中计算机为主，PLC为从。在完成控制系统的软件设计后，计算机通过与PLC之间的通讯将控制程序下装至PLC。计算机作为工业控制主机，担负着对PLC程序的在线修改，信号采集、数据记录与处理和控制输出等任务，而大量的循序动作的处理则交由PLC处理。

控制系统工作时，PLC得电启动，在启动调速电机的过程中，PLC通过控制变频器的输出频率来控制调速电机转速，使其按照设定升速规律达到预定转速。在其达到预定转速后，PLC通过接触器(Mc)接通主电机电源，主电机启动，由于差动轮系的速度合成，负载端无输出。当负载起动时，在PLC的控制下调速电机按设定规律减速，负载缓慢输出直至达到工作转速。负载软停车时，PLC控制变频器的输出频率使调速电机按设定曲线加速，主电机继续按额定转速工作，通过速度合成，负载缓慢减速为零。当系统完全停车时，PLC将与主电机相连接触器断开，主电机停止，然后切断调速电机的电源，系统完全停车。

2. 机械电子式软起动的控制系统硬件设计

2.1 可编程控制器的选型

1.可编程控制器控制系统I/O点数估算

确定I/O点数是可编程控制器设计的关键问题，估算出被控对象的I/O点数后，就可选择点数相当的可编程控制器，选择相应规模的可编程控制器并留有100%-15%的I/0余量。

2.内存估计

用户所需的内存容量受到以下几个因素的影响:内存利用率;开关量输刀输出点数;模拟量输入输出点数;用户的编程水平。一个程序段中的接点数与存放该程序段所代表的机器语言所需的字数的比值称为内存利用率。可编程控制器开关量输入/输出总点数是计算所需内存容量的重要依据。具有模拟量控制的系统要用到数字传送和运算功能指令，功能指令对内存的利用率较低，所占的内存数较多。用户程序的优劣对程序长短和运行时间都有较大影响。对同样的系统，不同用户编写的程序可能会使程序长短和执行时间差距很大。

综上所述，内存大小的经验计算公式为:

总存储器字数二(开关量输入点数+开关量输出点数)*10+模拟量点数*150

按计算存储器字数的25%考虑余量。

3. 响应时间分析

可编程控制器顺序扫描的工作方式使它不可能可靠的接受持续时间小于扫描周期的输入信号。系统响应时间是指输入信号产生时刻与由此而引起的输出信号状态发生变化时刻的时间间隔: 系统响应时间=输入滤波时间+输出滤波时间+扫描周期通过对可编程控制器各功能及参数的综合考虑权衡，设计选用西门子SIMATIC57-200可编程控制器，选用西门子CPU226，型号(6ES7216-2BD21 0XB0)，可满足控制系统的设计要求。 选用S7-200 CPU 226，该模块包括一个中央处理单元(CPU)、电源以及数字量I/O点，集成在一个紧凑、独立的设备中。CPU负责执行程序和存储数据，用扫描方式通过I/O部件接收现场的状态和数据，以便对工业控制任务或过程进行控制。输入和输出是系统的控制点:输入部分从现场设备(如传感器或开关)中采集信号，输出部分则控制电机以及工业过程中的其它设备。电源向CPU及其所连接的任何模块提供电力。通信端口允许将S7-200 CPU同编程器或计算机等其它设备连接起来，当与计算机相连时，可组成多级控制系统。状态信号灯显示了CPU的工作模式，本机I/O的当前状态，以及检查出的系统错误。[page]

2.2可编程控制器与计算机的通信

数据通信就是在同一级内或者在不同级之间进行数据的传送和接收。可编程控制器与计算机的通信是拓宽可编程控制器应用的一个重要方面，也是完成多重控制任务，实现多级控制的有效途径。可编程控制器与计算机联网时，计算机仅用于在线编程、修改参数和数据显示。可编程控制器与计算机之间的通信是通过RS-485口与RS-232口进行的，信息交换的方式为字符串方式，运用RS-485和RS-232通道，容易配置一个与计算机通信的系统。将所有软元件的数据和状态由可编程控制器送入计算机，由计算机采集数据，进行分析和运行状态监测。用计算机改变可编程控制器设备的初始值和设定值，实现计算机对可编程控制器的上位控制。S7-200系列PLC配备有专用于RS-485通信的标准D型插座。

3.控制系统的软件设计

在控制系统的软件设计过程中，程序编写采用计算机加V3.1 STEP Micro/WIN软件来实现。程序的设计方案，主要是依据控制系统流程图和控制系统的所完成的主要功能实现。在了解控制系统功能及控制方式的基础上，根据带式输送机起制动过程的不同工况，设计了系统在各个工作阶段的控制程序。

程序设计主要包括以下进程:

(1)系统自检，对控制系统状态监测，若发现错误向用户报警，否则进入下一步。

(2)由对电磁接触器的控制实现双电机的分时启动。在程序设计中采用定时器，当达到预设时间时，相应电机在PLC的作用下开始启动，在设定的时间内电机达到设定转速。调速电机的转速控制需要通过可编程控制器控制变频器的输出频率来完成。用户可以在程序中修改主、调速电机启动时间间隔。主电机与调速电机的启动由相应的电磁接触器控制。

(3)以定时器实现软起动与软停车过程，不同时段带式输送机按用户设定时间及转速曲线逐步起动与停车。

(4)需要停车时实现顺序断电，并能够在紧急停车时直接解除所有电源。顺序断电采用定时器，按照用户设定的时间间隔进行。

4.总结

本文的创新点：本系统使用可编程控制器对变频器的输出频率进行控制，实现对调速电机转速的控制。调速电机与主电机的转速经差动行星轮系的速度合成，可使传动系统在很大范围内无级调速，实现对负载的可控起动，传动效率高。该系统已经在生产中使用，其工作十分的稳定，效果较好。