随着现代工业的发展，机电一体化设备与网络监控系统的结合越来越紧密。在国民经济各部门生产过程中，带式输送系统的应用已非常普遍。在实际应用中，为使带式输送系统安全可靠地运行，其结构系统必须具有良好的特性。本文介绍的带式传送系统通过两级网络系统监控。目前，已经在工矿企业生产线和机场的行李运送系统中普遍应用。
　　1带式输送机概述在本监控系统的设计中，最主要的控制对象是皮带机。带式输送机是一种连续运输机械。带式输送机可用于水平或倾斜运输，还可应用于装船机、卸船机、堆取料机等连续运输机械上。在大型港口、矿山或冶金企业，带式输送机得到了广泛应用。其单根皮带长度可以是几十米甚至几千米，运输线的总长度可达十几千米。带式输送机的输送能力可以为几百千克／小时到万吨／小时。带式输送机是散料连续运输机械，是应用于短距离连续运输的重要机械设备。因此，在实际生产应用中，对皮带运输过程进行监控显得尤为重要。
　　带式输送机由皮带、机架、驱动滚筒、改向滚筒、承载托辊、回程托辊、张紧装置、清扫器等零部件组成。带式输送机的驱动装置由单个或多个驱动滚筒驱动，驱动电机可以是单个电机或多个电机驱动。
　　一般驱动装置包括电动机、减速机、液力耦合器、制动器或逆止器等。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。带式输送机所用的皮带有多种选择，如钢芯带、帆布芯带、尼龙带、聚脂带等。对载荷较小的皮带输送机一般选择帆布带。如果皮带的载荷较大时可采用钢芯带。所谓钢芯带是皮带中的芯部采用较细的钢丝绳承受载荷。皮带的宽度可以从100￣2600mm，一般在企业生产线以及机场行李运输中所使用的多为1000～1500mm的皮带。
　　2主要硬件综合考虑现场环境因素对系统的影响（磁场、噪声、振动等），以及传动控制精度与整个控制系统的功能要求，系统的主要硬件由两级计算机控制系统组成，上位机系统选用性能稳定、抗干扰能力强的工业计算机，其型号为研华IPC－610工控机；下位机为西门子公司的PLCCPU－314；触摸屏为深圳人机电子有限公司的eView510T触摸屏，构成操作控制的切换，一旦工控机工作失灵，可以切换到触摸屏控制，保证工作过程不中断。下面分别对其性能和功能作一个简单的介绍。
　　2.1IPC－610工控机工业控制计算机与普通PC机相比，具有性能稳定、抗震性强、运行可靠的优点。研华IPC－610工控机工作可靠性高且带有14个扩充插槽，具有一定的扩充能力，有利于系统功能的进一步扩充。
　　2.2西门子PLCPLC是整个系统的控制中心。它控制系统的启动顺序、速度、位置信号的实时采样、信号的输出及异常情况报警和处理等。系统将实际采样值与设定值进行比较，根据比较误差按照一定的控制算法给执行元件（调功柜）发出控制信号，实现对带式输送机的控制。本系统选用德国西门子公司的S7－400系列PLC.
　　根据系统的实际要求，整个PLC系统由6个模块组成，模块配置图如所示。
　　PS407是电源模块，为PLC的CPU模块和扩展模块等提供直流24V和5V电源。其输入为AC220V，输出电流为2A、5A或10A.
　　CPU412为PLC的中央处理单元，适用于要求完成数据高速处理和中等规模数据输入、输出的任务，能够装载较大规模的程序，且指令执行速度较快，能满足本系统的控制需要。
　　SM421为数字量输入模块，根据系统控制的需要选用具有32路数字量输入功能的模块。输入按钮、中间继电器和接触器辅助接点的状态信号用于控制变频器、主电机的启动停车以及14个工作位的电源接通和断开。
　　SM422为数字量输出模块，本系统有一块具有16路数字量输出功能模块，用于控制电机的延时启动、中间继电器线圈接通（系统硬件检测等）的控制等。
　　SM431为模拟量输入模块。对带式输送机的工作位和各个辊轴实时位置分别进行信号采样，本系统选用具有8路信号采集功能的模块来完成系统信号采样。
　　2.3MT500系列触摸屏本系统选用深圳人机电子公司的eViewMT500系列触摸屏，此系列触摸屏的应用是专门面向PLC的，具有功能强大、控件外观设计美观、使用方便、组态软件简单易学等特点。
　　一般的人机界面具有的主要功能有：①指示灯（PLCI／O显示、内部节点显示、多段指示灯等）；②开关（位状态型开关、多段开关、切换窗口开关等）；③各种动态图表（棒图、仪表、移动元件、趋势图等）；④数据显示（数据显示、ASCII显示、文字显示等）；⑤数据输入（数值输入、ASCII输入、文字输入等）；⑥异常报警（报警显示、跑马灯显示、事件显示等）；⑦静态显示（直线、圆、矩形、文字等）。
　　本系统选用的eViewMT500系列触摸屏除了拥有上述一般人机界面所拥有的功能外，还提供了许多特有功能：①可以同时开启6个弹出窗口，便于用户查询不同的画面；②拥有和Windows风格样式的任务栏和快选窗口工作按钮，利用工作按钮可以呼叫快选窗口，在快选窗口放置要经常显示的元件或直接切换快选窗口的开关；③可以在弹出窗口中放置窗口控制功能键，使弹出窗口可以最大（小）化，可以任意移动窗口；④新增留言板功能，可更改笔的粗细颜色，并具备擦除功能等，便于用户查看工作任务；⑤256色显示方式使触摸屏的表达更加丰富多彩；⑥具有方便易用而又强大的在线模拟和离线模拟功能，便于用户观察系统控制效果等。
　　3控制系统硬件结构及系统实现3.1系统整体结构系统整体结构框图如所示。
　　可见：该系统采用PLC与工控机（带触摸屏）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、查询和打印等。
　　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，因此三者的正确通讯问题也是本系统的一个重要问题。
　　3.2触摸屏、工控机和PLC三者的通讯近年来机电一体化技术迅猛发展，由于可编程控制器（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，在工业生产中的应用越来越广泛。但是PLC的显示功能差，所以将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共同实现管理、控制一体化成为当代一个新的发展趋势。本系统在选用了工控机和PLC的基础上，考虑到在企业中经常存在的特殊的控制要求，增加了触摸屏，这三者在工作时，进行实时通讯是实现设备切换的关键。
　　所谓“串行通讯”是指设备间使用两根数据信号线（可能还需要控制线）一位一位地进行传输，每一个数据都占据一个固定的时间长度，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.RS－485与RS－422的主要区别在于：除了实现“点对多”通信之外，RS－485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（在传送距离小于300m时也可不接），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、触摸屏和工控机三者之间的通讯连接示意图如所示。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。
　　4动力系统建模由于在实际应用中带式传送系统现场设备的差别较大，本文只建立变频器与同步电机的模型。
　　4.1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：uin＝uz1（1）其中uin是整流器输入电压；uz1是整流器输出电压，在中间电路经R－C滤波，电压由uz1变为uz2，经拉氏变换，由频域电路可推导出式（2）：uz2＝［1／（rsc0s＋1）］uz1（2）由式（1）和（2），得变频器的传递函数为：G（s）＝1／（rsc0s＋1）（3）由式（3）可见，变频器的传递函数是一个一阶惯性环节。
　　4.2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Wd和交轴阻尼绕组Wq。
　　4.2.1电压和电流忽略同步电机等效电容，电压和电流的关系可简化为一个一阶惯性环节。拉氏变换后r0为同步等效电阻，L0为同步机中的等效电感。
　　由图可得：uin＝（r0＋sl0）is（s）（4）整理后得：is（s）＝｛（1／r0）／［1＋s（l0／r0）］｝uin（s）（5）令K1＝1／r0，T1＝l0／r0则式（5）可化为：is（s）＝［K1／（1＋T1S）］uin（s）（6）4.2.2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：Td＝kmfssinθ＝kmfsfrsin（θs－θr）（7）式中：km为比例系数，和电机的参数有关；fs、fr为定转子磁动势的幅值。
　　由式（7）可以看到，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θs－θr＝90°。
　　此外，可知，fs＝Nsis（8）fr＝Nrir（9）把（8）和（9）代入（7）可得：Td＝kmNsNrisir（10）忽略电枢反应的去磁作用及磁路饱和，则转矩方程可写为：Td＝CmΦmis（11）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。
　　4.2.3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（12）电机转速变换为实际皮带运输速度，则有：v＝2πrkn（13）式中：rk为辊轴半径，m，v为皮带速度，m／min.
　　综上，同步电机拖动控制系统可以被建立成为一个二阶环节，如所示。其中K2＝2πrk×J×Cm×Φm。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结语机电一体化设备与网络监控系统的结合是当前企业自动化发展的方向，旧设备更新换代势在必行。基于PLC控制的运输监控系统结合了开放性、先进性、成熟性和适用性的优势，它的推广应用将促进企业发展，并带来显著的经济效益和社会效益。