基于嵌入式軟PLC的帶式輸送機控制系統設計

王彰云

（廣西工業職業技術學院，南寧 530001）

0 引言

帶式輸送機因具有運送距離長、結構簡單、運輸量大以及連續運輸等特點，被廣泛應用在煤炭、礦山、糖廠等企業。隨著礦山生產規模的變大，帶式輸送機已經成為其重要的輸送工具。為了保障帶式輸送機運行穩定可靠、效率高，國內外很多企業投入了大量的人力、物力對帶式輸送機控制系統進行研究。雖然國外研制的帶式輸送機技術比較先進，其運行速度高。但因其成本高，售后服務滯后等原因，大多企業仍采用國產的帶式輸送機。國產的帶式輸送機控制系統主要采用硬PLC控制器，在礦企中有較廣泛的應用。但是傳統的PLC有許多弊端，每個廠家的所生產的PLC尋址方式、語言結構都不相同。并且傳統的PLC的構架是封閉的，系統的擴展性和移植性比較差，不利于控制系統的分散化和個性化發展。為解決這些問題，采用軟PLC控制技術的帶式輸送機控制系統則具有十分重要的現實意義。

1 帶式輸送機控制系統硬件結構

帶式輸送機由輸送帶、伺服電機、驅動裝置、傳動滾筒、拉緊裝置、制動裝置以及保護裝置等設備組成。經過尾部滾筒和傳動滾筒，輸送帶形成一個封閉的環形帶。由托輥支撐傳輸帶，傳輸帶工作時所需要的拉緊力由拉緊裝置提供。電動機驅動滾筒，帶動傳輸帶，使傳輸帶在帶式輸送機中連續運動[1]。過去的帶式輸送機控制系統大多采用硬PLC做控制器。傳統的硬PLC采用的是封閉式的硬件結構，而軟PLC結構是開放式的。在系統的設計過程中，不僅要保證控制系統的穩定性、可靠性，還要考慮系統以后的擴展性、二次開放性、開放性。所以嵌入式的控制系統能很好滿足上述要求。并且基于嵌入式的軟PLC具有豐富的外圍接口：以太網接口、USB接口、串行接口、CAN總線接口以及人機接口等。這樣能滿足更多控制要求的需要，也縮短了系統開發周期。根據帶式輸送機的結構以及煤礦對帶式輸送機的工作要求，設計的帶式輸送機控制系統結構如圖2所示。主要包括三個部分：軟PLC控制器核心電路、輸入信號部分和輸出信號部分[1,2]。

圖1 帶式輸送機控制系統結構

1.1 帶式輸送機控制系統核心電路結構

控制器核心電路主要包括：三星公司的S3C2410微處理器、SDRAM和NAND Flash 存儲系統、最小系統、外圍擴展部分以及人機接口。S3C2410因為具有低功耗、高性能、工作頻率高以及內部集成了觸摸屏接口等特點，在本系統中采用S3C2410作為軟PLC的處理器。核心電路中設計了LCD與觸摸屏，方便用戶現場查看系統運行狀況和修改相關參數。擴展了CAN總線、以太網等通訊接口，能更好的實現對帶式輸送機控制系統進行遠程監控[3]。

1.2 帶式輸送機控制系統輸入與輸出信號

軟PLC控制器的輸入信號主要為輸送機保護裝置的檢測信號以及帶式輸送機的狀態信號。1）跑偏檢測開關：當輸送帶位置跑偏時，皮帶的作用使跑偏開關向控制器輸出開關量，該信號為5V的直流電壓，控制器監測到該信號時，就會對帶式輸送機進行有效處理。2）撕裂檢測傳感器：異常情況下，皮帶在外力作用下會出現撕裂現象，此時撕裂傳感器會向控制器發送一個開關信號，控制系統將作出緊急停車處理。3)速度檢測：在輸送帶運行中，如果速度過低或過高，輸送帶會出現異常情況，為保證其正常工作，必須保證輸送帶運行在一定速度范圍內。采用計數編碼器的脈沖個數來獲得皮帶速度。4）拉繩檢測：當巡檢人員發現輸送帶出現異常時，可以通過設置的拉繩，給控制系統一個開關量，控制室能馬上確定故障所在地，并指揮現場維護人員前往該處解決故障。帶式輸送機控制系統輸出信號主要為緊急停機開關信號、給煤機控制信號、輸送機閘門開關信號、輸送機帶速控制信號。

圖2 帶式輸送機的軟件系統結構

2 帶式輸送機控制系統軟件組成

2.1 帶式輸送機的軟件系統結構

軟PLC控制系統，是一種基于PC開放式構架，利用嵌入式硬件資源和軟件資源，來實現傳統硬PLC基本功能的控制系統。它既具有傳統PLC的可靠性、快速性、故障查找等優點，又具有計算機良好的兼容性、開放性，處理數據的能力和網絡通訊能力。軟PLC控制系統的結構包含兩個部分：編程系統和運行系統。如圖2所示，編程系統的工作環境為pc機的操作系統。在編程系統中，結合IEC61131-3標準規定的編程語言，運用OpenPCS編程工具，編寫帶式輸送機應用控制程序，然后編譯生成目標代碼，再進行資源配置和與運行系統的通信[4]。

2.2 帶式輸送機軟PLC編程系統軟件設計

1）控制系統功能模塊原型的定義

為提高程序的可讀性以及方便用戶維護，系統應用程序采用模塊化設計方法。分成數據采集、通訊以及數據輸出等功能模塊。以數據采集模塊為例，闡述其實現過程。因為帶式輸送機需要采集的模擬信號由油箱溫度、輸送帶速度、電機電流、給煤倉煤位，所以硬件中選用AD7874模數轉換芯片，在編程系統中設計一個AD7874數據采集模塊。而編程系統中主要是定義數據采集模塊的原型，具體實現部分需要由運行系統來完成。AD7874數據采集模塊接口定義如下：

GLOBAL_PROTOTYP_BEGIN

FUNCTION_BLOCK AD7874 （*功能塊名為 AD7874*）

VAR_INPU (*變量類型為：input*)

EN: BOOL; （*EN 表示啟動或停止數據采集模塊，可由脈沖信號控制*）

END_VAR (*變量類型結束*)

VAR_OUTPUT (*變量類型為：output*)

ENO:BOOL;

T_num:real; (*溫度*)

V_num:real; (*速度*)

I_num:real; (*電流*)

P_num:real; (*煤位*)

END_VAR (*變量類型結束*)

END_ FUNCTION_BLOCK

GLOBAL_PROTOTYP_END

2）帶式輸送機程序流程圖

完成相應功能模塊的原型后，根據帶式輸送機控制要求，其主程序流程圖如圖3所示。系統開始啟動時，通過lcd界面顯示系統正在啟動初始化中以及通過發出鈴聲，告知操作員，帶式傳送機即將啟動。同時檢測輸送機電閘、是否撕裂、給煤機等狀態參數是否正常，否則報警，并對異常情況進行處理。啟動完畢后，延時一段時間，檢測輸送帶速度以及運煤量，根據運煤量來調節最佳速度。根據帶式輸送機程序流程，結合定義好的功能塊，編寫帶式輸送機梯形圖程序，并編譯生成目標代碼，通過以太網下載到S3C2410微處理器中。

圖3 主程序流程圖

2.3 帶式輸送機軟PLC運行系統軟件設計

軟PLC具有傳統PLC的特點，按照輸入采用、程序執行和輸出刷新三個階段周期掃描。軟PLC運行系統被作為vxworks操作系統上的一個任務來執行。所以運行系統設計過程中，先需完成vxworks操作系統在S3C2410微處理器中的移植，然后編寫功能模塊的驅動程序。在編程系統中定義的某些地址的物理I/O變量，可以通過I/O過程映像，映射到段表的某一個地址，這樣實現外圍硬件與映像區的數據存取。具體通過修改函數EnvReadProcImg( )和函數EnvWriteProcImg( )。

AD7874功能模塊的實現：

#ifdef _LZS_DSALIGNMENT_2_

#defi ne OUTPUT1 0x06 //溫度

#defi ne OUTPUT1 0x0b //速度

#defi ne OUTPUT1 0x0b //電流

#defi ne OUTPUT1 0x14 //煤位

#endif

LZSBYTE AD7874_FB_Function(void) //功能塊函數

{

…….

Read(fd1,buffer,sel); //讀取采集數據

SETDINT(OUTPUT1, *buffer); //把數據放入I/O映像表輸出段

SETDINT(OUTPUT2, *buffer + 4);

SETDINT(OUTPUT3, *buffer + 8);

SETDINT(OUTPUT4, *buffer + 12);……

Return(kIecok);

}

3 測試結果

基于嵌入式軟PLC的帶式輸送機控制系統在實驗室完成功能模塊測試后，又在煤礦現場對該控制系統中的每個模塊進行驗證。在驗證測試中，AD7874采集到的溫度、速度、電流、煤位所對應的電壓信號，經過以太網通信傳輸到編程系統的調試與輸出窗口，其顯示的數據與傳感器輸出的實際電壓值是一致的。在通訊模塊驗證試驗中，收發的數據都很正常。目前，帶式輸送機控制系統現已在龍江煤礦投入使用，運行效果良好。

4 結束語

基于嵌入式軟PLC的帶式輸送機控制系統由于采用了高性能的S3C2410微處理器以及使用了IEC61131-3標準的編程語言，其系統具有較高的開放性和兼容性，跟傳統的PLC比較具有較高的性價比。該控制系統已經在煤礦、礦山等企業中得到較好應用。

[1] 宋偉剛. 通用帶式輸送機設計[M]. 北京: 機械工業出版社. 2006.

[2] 楊凌霄, 崔永濤. 基于CAN總線的帶式輸送機實時綜合檢測和保護系統[J]. 制造業自動化, 2010, 4.

[3] 賀無名, 余強國. 基于嵌入式軟PLC的礦井提升機控制系統設計[J]. 煤礦機械, 2011. 6: 244-246.

[4] 江連海. 嵌入式挖制系統開發平臺上軟PLC的實現[D].武漢: 華中科技大學, 2005.