礦用隔爆組合開關的設計
——大學生創新計劃

張慶賀 焦昆 丁軍偉

中國礦業大學（北京） 信電系 10083

礦用隔爆組合開關的設計
——大學生創新計劃

張慶賀 焦昆 丁軍偉

中國礦業大學（北京） 信電系 10083

基于PLC與單片機的特點，文章提出了一種礦用組合開關主控單元設計的新思路，并對其軟硬件設計和它們之間的通訊進行了詳細敘述，最后是作者對此次實驗的心得體會。

PLC控制；單片機；煤礦；組合開關

PLC control；comal ine；combinaswtioitnc h；singl echip machine

引言

礦用組合開關是將多臺用于控制采煤機、轉載機、破碎機、運輸機等用電設備的開關控制回路以及設備檢測信號（包括電壓電流等模擬信號）的監控主控制回路集中起來的礦用設備，[1]臺組合開關的功能相當于多臺單體開關的功能[1]，具有簡化電纜連接、減少占地面積、減少供電線路的電壓降損耗、提高生產效率和可靠性等優點[2]， 在煤礦上的應用越來越廣泛，所以對礦用組合開關的研究非常具有現實意義。因此基于大學生創新計劃這個平臺，我們對礦用組合開關進行了研究和設計。由于PLC具有可靠性高、抗干擾性強、體積小、能耗低、維修工作量小維修方便的特點，我們選用PLC作為中央控制單元，但PLC又有模擬通道少的不足，因此我們采用了單片機來解決PLC與外界模擬信號交換的問題，彌補了PLC的不足。基于這點我們進行了礦用組合開關主控單元的設計，并在實驗室條件下得到了實現。

1 控制對象和控制功能的描述

1.1 控制對象的描述

井下采煤過程一般為采煤機將煤炭從煤層上割下，落入刮板運輸機，再由刮板運輸機運至轉載機，轉載機將煤轉載至皮帶運輸機，然后運至井外，采煤流程圖如圖1所示：

圖1

我們設計的開關控制對象有采煤機、刮板運輸機、轉載機、皮帶運輸機等設備。

1.2 控制功能的描述

該礦用組合開關的控制功能包括正常工作時的控制功能和發生故障時的保護功能。正常工作時的控制功能為在采煤系統正常的情況下人通過開關對設備實施的手動和自動控制，而發生故障時的保護功能是當設備出現故障時組合開關裝置對設備實施的反饋控制。組合開關系統框圖如圖2所示。

圖2

1.2.1 正常工作時的控制功能的描述組合開關的具體控制功能如表1所示：

表1

該礦用組合開關正常工作時的控制功能有手動和自動兩種控制功能。

手動控制情況下通過按鍵可實現對采煤機、刮板運輸機、轉載機、皮帶運輸機1、2的單機控制；自動控制情況下通過按鍵可實現對采煤機、轉載機的單機控制，對刮板運輸機的自動低高速轉換，對皮帶機1、2的順序啟停。

1.2.2 發生故障時的保護功能的描述

作為礦用組合開關不但要能實現對采煤設備的主動控制功能，還要能實現對采煤系統進行實時監測，和在采煤系統出現故障（一般有短路、過載、斷相、漏電、欠壓、過壓等情況）時立即作出相應反應的功能。

由圖2看出，采煤系統檢測模擬信號經A/D轉換后，送到單片機，由單片機進行數據處理后再送到PLC，PLC可對采煤系統進行實時監測，并在發生故障時作出相應的控制動作。

觸摸屏可實現故障顯示、記憶和復位的功能。

2 組合開關硬件設計

礦用組合開關主控單元的硬件部分主要由西門子S7-200PLC、TPC7062KS觸摸屏、51單片機、A/D PCF8591、MAX485以及外部電路組成，其硬件系統結構圖如圖3所示。

2.1 組合開關硬件描述

如引言所述本組合開關主控單元設計的特點是以PLC作為中央信號處理單元，以單片機作為模擬信號處理單元。相比于其它主PLC與子PLC集中與分散控制方式節約了成本，提高了速度；相比于其它以單片機作為中央信號處理單元的開關提高了穩定性，可靠性[3]。其中對于單片機串行輸出口和PLC自由口輸出電平不匹配（單片機串行口輸出的是TTL 電平，而PLC自由口輸出的是RS -485信號）的問題，只需在單片機和PLC之間使用MAX485芯片進行電平轉換，單片機即可通過RS485接口與S7—200系列PLC進行通訊[4]。另外本設計采用了TPC7062K觸摸屏作為人機交互界面，方便了用戶實時監測整體的運行狀態，用戶也可對運行參數進行整定修改；至于設備檢測模擬信號轉換芯片本設計采用的是PCF8591，它通過I2C總線和單片機交換數據。

圖3

3 組合開關軟件設計

組合開關主控單元的軟件設計主要包括PLC控制程序，單片機程序，通訊設計3個部分。

3.1 PLC控制程序

PLC控制程序采用模塊化設計，包括硬件配置及參數設置、通信定義、用戶程序的編寫等[5]。其程序流程如圖4所示。

圖4

3.2 單片機程序

單片機程序也采用模塊化設計主要包括初始化、通信定義、數據處理等，其程序流程如圖5所示。

圖5

3.3 通訊軟件設計

包括PLC和屏、PLC和單片機、單片機和A/D PCF8591之間的通訊。

3.3.1 PLC和屏之間的通訊

PLC與MCGS屏通訊時，首先需要在屏的組態軟件設備窗口中，添加通用串口父設備+子PLC設備，然后必須要使畫面控制寄存器與PLC一致，即將他們的操作地址相互關聯。

3.3.2 PLC和單片機之間的通訊

PLC和單片機之間的通訊程序在3.1、3.2已述及，其中單片機的通訊程序主要包括工作方式和波特率的設置，PLC的通訊程序包括波特率的設置（用到自由端口控制寄存器SMB30和SMB130）、接受信息控制設置(用到寄存器SMB86到SMB94和SMB186到SMB194)[6]，它們之間的詳細連接圖如圖6所示。

圖6

3.3.3 A/D PCF8591和單片機之間的通訊

如2.1所述PCF8591是通過I2C總線和單片機進行通信，它們之間的具體接線圖如圖7所示。

圖7

4 結語

在本次實驗中總結的一條經驗：在進行單片機和PLC的通訊調試時借助一些工具可以加快調試的進程，例如借助串口調試助手軟件可以監測單片機發送數據是否正確，借助PLC自帶的狀態監測窗口可以判斷PLC接收數據是否正確，若兩者都正確則它們之間通訊正常。最后，此開關主控單元的設計實現了礦用組合開關的所有任務，解決了PLC模擬通道少的問題，解決了單片機和PLC通信電平不匹配的問題，并在實驗室條件下進行了模擬，且工作可靠、穩定、快速，非常具有應用價值，為礦用組合開關的設計提供了一條新思路。

[1]黃靜波,牟龍華.礦用組合開關主控單元的設計.[J].工礦自動化，2007:74-77.

[2]郁青林,王東.基于PLC的礦用組合開關的設計.工礦自動化，2011.3:19-21.

[3]朱敏靜.基于ARM9嵌入式系統的礦用組合開關研究.安徽理工大學碩士論文，2010.5.

[4]楊志剛，錢俊磊.西門子S7_200系列PLC與單片機之間的自由口通信.河北理工學院學報，2005.11.

[5] S7-200 PLC 編程及應用/廖常初主編.北京：機械工業出版社，2007.8.

[6]單片機中級教程：原理與應用/張俊謨主編.—2版.北京.北京航空航天大學出版社，2006.10.

In this article ,a new methofd or the design of the main control departmeonft the mine-useid ntellig ent combinatsiowni tchi s proposebda sed on the characteristic of PLC and the single chip ,also the design of its hardwarae nd software and the communicabtieotn ween PLC and the single chip are explaineind detail.Att he last is what the writer has learned from this experiment.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.13.078

張慶賀(1989- )，男，中國礦業大學（北京）本科生，所學專業為電氣工程與自動化;

指導教師：魏幼平 副教授 中國礦業大學（北京）機電學院。