基于嵌入式軟PLC的帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮曉莉

摘要：根據(jù)帶式輸送機(jī)運(yùn)行要求，軟PLC控制系統(tǒng)采用了高性能的微處理器，使用標(biāo)準(zhǔn)的編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)梯形圖程序。本文通過對(duì)軟PLC系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)及其設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，進(jìn)而對(duì)帶式輸送機(jī)的工作原理和基于嵌入式軟PLC的帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬件組成進(jìn)行了相關(guān)探討。

關(guān)鍵詞：PLC控制系統(tǒng);帶式輸送機(jī);控制系統(tǒng)

引言

帶式輸送機(jī)因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)送距離長(zhǎng)、運(yùn)輸量大以及連續(xù)運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在礦山、煤炭、糖廠等企業(yè)。國(guó)產(chǎn)傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)主要采用硬PLC控制器，其在輸送過程中使用繼電器控制，靈活性比較差，輸送帶的控制啟停，相對(duì)獨(dú)立，控制系統(tǒng)比較分散，而且傳統(tǒng)的PLC構(gòu)架是封閉的，系統(tǒng)的擴(kuò)展性和移植性比較差，不利于控制系統(tǒng)的分散化和個(gè)性化發(fā)展?，F(xiàn)在最先進(jìn)的技術(shù)就是使用PLC（可編程控制器）控制系統(tǒng)完成自動(dòng)化生產(chǎn)環(huán)節(jié)中設(shè)備的科學(xué)調(diào)度，PLC技術(shù)在煤礦帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)融合了系統(tǒng)自動(dòng)化控制、設(shè)備監(jiān)測(cè)及故障提醒的功能，目的在于提高煤炭的生產(chǎn)自動(dòng)化，為安全高效生產(chǎn)提供了幫助。因此，為了改善傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)的缺陷，采用軟PLC控制技術(shù)提高系統(tǒng)的自動(dòng)化控制、設(shè)備監(jiān)測(cè)及故障提醒等的功能。

一、軟PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及PLC方面國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定，一項(xiàng)打破傳統(tǒng)PLC局限性的新興技術(shù)發(fā)展起來(lái)了，這就是軟PLC技術(shù)。

軟PLC的硬件體系結(jié)構(gòu)不再封閉，用戶可以自己選擇合適的硬件組成滿足要求的軟PLC。

傳統(tǒng)PLC的指令集是固定的，而實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中可能需要定義算法。軟PLC指令集可以更加豐富，用戶可以使用符合標(biāo)準(zhǔn)的操作指令。

PC機(jī)廠家的激烈競(jìng)爭(zhēng)使得基于PC機(jī)的軟PLC的性價(jià)比得以提高。

傳統(tǒng)PLC限制在幾家廠商生產(chǎn)，具有私有性，因此很難適應(yīng)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，常常是PLC與計(jì)算機(jī)處在不同類型的網(wǎng)絡(luò)中。軟PLC不僅能加入到已存在的私有PLC網(wǎng)絡(luò)中，而且可以加入到標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中。這使得現(xiàn)有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的很多研究成果很容易地應(yīng)用到PLC控制技術(shù)中。

軟PLC的技術(shù)是基于IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的，因此在掌握標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言后開發(fā)就比較容易。

二、PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟

設(shè)計(jì)PLC應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，首先是進(jìn)行PLC應(yīng)用系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)，即根據(jù)被控對(duì)象的功能和工藝要求，明確系統(tǒng)必須要做的工作和因此必備的條件。然后是進(jìn)行PLC應(yīng)用系統(tǒng)的功能分析，即通過分析系統(tǒng)功能，提出PLC控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，控制信號(hào)的種類、數(shù)量，系統(tǒng)的規(guī)模、布局。最后根據(jù)系統(tǒng)分析的結(jié)果，具體的確定PLC的機(jī)型和系統(tǒng)的具體配置。

（一）熟悉被控對(duì)象，制定控制方案分析被控對(duì)象的工藝過程及工作特點(diǎn)，了解被控對(duì)象機(jī)、電、液之間的配合，確定被控對(duì)象對(duì)PLC控制系統(tǒng)的控制要求。

（二）確定I/O設(shè)備。根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，確定用戶所需的輸入（如行程開關(guān)、按鈕、選擇開關(guān)等）和輸出設(shè)備（如電磁閥、接觸器、信號(hào)指示燈等）由此確定PLC的I/O點(diǎn)數(shù)。

（三）選擇PLC時(shí)主要包括PLC機(jī)型、I/O模塊、容量、電源的選擇。

（四）分配PLC的I/O地址。根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)需要，確定控制按鈕，選擇開關(guān)、電磁閥、接觸器、信號(hào)指示燈等各種輸入輸出設(shè)備的型號(hào)、數(shù)量、規(guī)格;根據(jù)所選的PLC的型號(hào)列出輸入/輸出設(shè)備與PLC輸入輸出端子的對(duì)照表，以便繪制PLC外部I/O接線圖和編制程序。

（五）設(shè)計(jì)軟件及硬件，進(jìn)行PLC程序設(shè)計(jì)，進(jìn)行控制柜（臺(tái)）等硬件的設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)施工。因?yàn)槌绦蚺c硬件設(shè)計(jì)可同時(shí)進(jìn)行，所以，可大大縮短PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期，而對(duì)于繼電器系統(tǒng)必須先設(shè)計(jì)出全部的電氣控制線路后才能進(jìn)行施工設(shè)計(jì)。

（六）聯(lián)機(jī)調(diào)試。聯(lián)機(jī)調(diào)試是指將模擬調(diào)試通過的程序進(jìn)行在線統(tǒng)調(diào)。開始時(shí)，先不帶上輸出設(shè)備（信號(hào)指示燈、接觸器線圈等負(fù)載）進(jìn)行調(diào)試。利用編程器的監(jiān)控功能，分段調(diào)試。各部分都調(diào)試正常后，再帶上實(shí)際負(fù)載運(yùn)行。若不符合要求，則對(duì)硬件和軟件程序作調(diào)整。通常只需修改部分程序即可，全部調(diào)試完畢后，交付試運(yùn)行。經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行，如果工作正常、程序不需要修改則應(yīng)將程序固化到EPROM中，以防程序丟失。

（七）整理技術(shù)文件包括設(shè)計(jì)說(shuō)明書、電氣元件明細(xì)表、電氣安裝圖及使用說(shuō)明書等。

三、帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理

（一）手動(dòng)控制操作

采取手動(dòng)控制操作，系統(tǒng)管理員能夠控制設(shè)備的啟動(dòng)與停止，能夠設(shè)置每條輸送帶的解鎖和互鎖狀態(tài)，正常啟動(dòng)和帶式輸送機(jī)啟動(dòng)方式。檢測(cè)到輸送帶上沒有煤的時(shí)候，延時(shí)啟動(dòng)，在輸送帶的煤完成輸送任務(wù)時(shí)，輸送帶停止工作，目的在于減少輸送帶的空轉(zhuǎn)工作，這就是正常啟動(dòng)操作，在檢測(cè)到輸送帶上有煤的狀態(tài)時(shí)，啟動(dòng)輸送帶之后啟動(dòng)煤機(jī)。

（二）自動(dòng)控制操作

自動(dòng)控制操作主要通過程序軟件實(shí)現(xiàn)，控制人員能夠在控制機(jī)上啟動(dòng)、停止設(shè)備。在系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)控制操作后，自動(dòng)開啟設(shè)備或者停止帶式輸送機(jī)，根據(jù)分布在監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)匯總分析，對(duì)信號(hào)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)報(bào)警，在發(fā)生故障時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)能發(fā)出維修警報(bào)，自動(dòng)停止工作，同時(shí)在組態(tài)系統(tǒng)中創(chuàng)建維修日志，方便維修人員對(duì)設(shè)備的檢測(cè)和維修工作。

（三）變頻控制圖

輸送帶的電機(jī)使用變頻控制技術(shù)，變頻器實(shí)現(xiàn)電機(jī)的開啟和關(guān)停，這些都能夠在主控界面顯示出來(lái)，在遇到輸送機(jī)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障和報(bào)警時(shí)，記錄設(shè)備故障地點(diǎn)時(shí)間與故障信息。

四、帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)硬件與軟件組成

（一）硬件組成

帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)帶式輸送機(jī)由伺服電機(jī)、輸送帶、傳動(dòng)滾筒、驅(qū)動(dòng)裝置、制動(dòng)裝置、拉緊裝置以及保護(hù)裝置等設(shè)備組成。經(jīng)過尾部滾筒和傳動(dòng)滾筒，輸送帶形成一個(gè)封閉的環(huán)形帶。由托輥支撐傳輸帶，傳輸帶工作時(shí)所需要的拉緊力由拉緊裝置提供。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒，帶動(dòng)傳輸帶，使傳輸帶在帶式輸送機(jī)中連續(xù)運(yùn)動(dòng)。過去的帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)大多采用硬PLC做控制器。傳統(tǒng)的硬PLC采用的是封閉式的硬件結(jié)構(gòu)，而軟PLC結(jié)構(gòu)是開放式的。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，不僅要保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，還要考慮系統(tǒng)以后的擴(kuò)展性、二次開放性、開放性。所以嵌入式的控制系統(tǒng)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：USB接口、以太網(wǎng)接口、CAN總線接口、串行接口以及人機(jī)接口等。這樣能滿足更多控制要求的需要，也縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期。根據(jù)帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)以及煤礦對(duì)帶式輸送機(jī)的工作要求，設(shè)計(jì)的帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括三個(gè)部分：軟PLC控制器核心電路、輸入信號(hào)部分和輸出信號(hào)部分。

（二）軟件組成

1、帶式輸送機(jī)的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

軟PLC控制系統(tǒng)，是一種基于PC開放式構(gòu)架，利用嵌入式硬件資源和軟件資源，來(lái)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)硬PLC基本功能的控制系統(tǒng)。它既具有傳統(tǒng)PLC的快速性、可靠性、故障查找等優(yōu)點(diǎn)，又具有計(jì)算機(jī)良好的開放性、兼容性，網(wǎng)絡(luò)通訊能力與處理數(shù)據(jù)的能力。軟PLC控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包含兩個(gè)部分：編程系統(tǒng)和運(yùn)行系統(tǒng)。編程系統(tǒng)的工作環(huán)境為pc機(jī)的操作系統(tǒng)。在編程系統(tǒng)中，結(jié)合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的編程語(yǔ)言，運(yùn)用OpenPCS編程工具，編寫帶式輸送機(jī)應(yīng)用控制程序，然后編譯生成目標(biāo)代碼，再進(jìn)行資源配置和運(yùn)行系統(tǒng)的通信。

2、帶式輸送機(jī)軟PLC編程系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為提高程序的可讀性以及方便用戶維護(hù)，系統(tǒng)應(yīng)用程序采用模塊化設(shè)計(jì)方法。分成數(shù)據(jù)采集、通訊以及數(shù)據(jù)輸出等功能模塊。以數(shù)據(jù)采集模塊為例，闡述其實(shí)現(xiàn)過程。因?yàn)閹捷斔蜋C(jī)需要采集的模擬信號(hào)有輸送帶速度、油箱溫度、給煤倉(cāng)煤位、電機(jī)電流，所以硬件中選用AD7874模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，在編程系統(tǒng)中設(shè)計(jì)一個(gè)AD7874數(shù)據(jù)采集模塊。而編程系統(tǒng)中主要是定義數(shù)據(jù)采集模塊的原型，具體實(shí)現(xiàn)部分需要由運(yùn)行系統(tǒng)來(lái)完成。

3、帶式輸送機(jī)軟PLC運(yùn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟PLC具有傳統(tǒng)PLC的特點(diǎn)，按照輸入采用、程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段周期掃描。軟PLC運(yùn)行系統(tǒng)被作為vxworks操作系統(tǒng)上的一個(gè)

任務(wù)來(lái)執(zhí)行。因此運(yùn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，先需完成vxworks操作系統(tǒng)在S3C2410微處理器中的移植，然后編寫功能模塊的驅(qū)動(dòng)程序。在編程系統(tǒng)中定義的某些地址的物理I/O變量，能夠通過I/O過程映像，映射到段表的某一個(gè)地址，這樣實(shí)現(xiàn)外圍硬件與映像區(qū)的數(shù)據(jù)存取。

結(jié)束語(yǔ)

帶式輸送機(jī)通過應(yīng)用PLC控制技術(shù)運(yùn)行，簡(jiǎn)化了設(shè)備運(yùn)行的控制系統(tǒng)，整套系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，設(shè)備操作方便，提高了控制的可靠性，確保了帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程的安全性，降低了啟動(dòng)和停止過程對(duì)輸送帶、機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備及電網(wǎng)的沖擊影響。該控制系統(tǒng)已在多條井上和井下的帶式輸送機(jī)上使用，運(yùn)行情況表明，控制系統(tǒng)安全可靠。

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