基于PLC的小車自動配料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

延 龍 石憲紅 張凱麗 吝偉偉 張 月

（濱州職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，山東濱州 256600）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，自動控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛，基于西門子PLC的自動控制系統(tǒng)獲得了長足的發(fā)展與應(yīng)用。利用PLC控制技術(shù)[1]、觸摸屏組態(tài)技術(shù)[2]以及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)[3]，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的大集成，也可以實(shí)現(xiàn)對小系統(tǒng)的獨(dú)立控制。

自動運(yùn)料、配料等功能在很多工業(yè)生產(chǎn)中都有應(yīng)用。近年來，對小車運(yùn)料控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)層出不窮，錢巍設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種小車自動運(yùn)料往返的功能[4]，張強(qiáng)采用西門子1200 PLC實(shí)現(xiàn)了小車自動運(yùn)料的功能[5]。雖然對小車運(yùn)料的研究眾多，但是對用料自動檢測的自動配料系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究還不夠全面和深入。本文所述小車自動配料系統(tǒng)是一種基于西門子S7-1500 PLC的過程自動控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全自動完成工作任務(wù)、自動報(bào)警等諸多功能，提高了生產(chǎn)效率。

1 小車自動配料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

小車自動配料控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)主要由運(yùn)料小車、儲料箱、卸料電磁閥KG、卸料箱、按鈕SB1～SB5、行程開關(guān)SQ1～SQ6、限位開關(guān)X1～X4以及料位計(jì)LW1～LW3等部分組成。

圖1 小車自動配料控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 小車自動配料控制系統(tǒng)的功能

1.1.1 自動模式

操作啟動按鈕SB1，投入系統(tǒng)自動模式。

（1）用料需求檢測：通過卸料箱的下限位開關(guān)X2或X4來檢測卸料箱內(nèi)的物料。當(dāng)物料低于下限位開關(guān)后，下限位開關(guān)斷開，同時(shí)自動啟動系統(tǒng)裝料。

（2）裝料：當(dāng)卸料箱1或卸料箱2有用料需求且小車停在SQ1處時(shí)，打開電磁閥KG進(jìn)行裝料。

（3）小車右移：裝料完成后，電磁閥關(guān)閉，然后自動啟動小車向右移動。

（4）小車卸料：卸料分三種情況，如果卸料箱1發(fā)出用料需求，那么小車會停在SQ2處進(jìn)行卸料；如果卸料箱2發(fā)出用料請求，那么小車會停在SQ3處進(jìn)行卸料；如果卸料箱1和2均有用料請求，那么小車會首先完成卸料箱2的用料請求，然后再響應(yīng)卸料箱1的用料請求。

（5）小車左移：當(dāng)小車完成卸料后，自動返回SQ1處停止。如果卸料箱物料沒有超過上限位開關(guān)，則繼續(xù)運(yùn)料，否則停止運(yùn)料，等待下一次用料請求。

（6）小車吹洗：當(dāng)小車左移經(jīng)過SQ6時(shí)，自動啟動吹洗功能，完成小車不停車的車斗和車身清潔功能。

1.1.2 手動模式

操作按鈕SB1切除自動模式。按下按鈕SB3，小車可以手動左移；按下按鈕SB4，小車可以手動右移。當(dāng)小車故障，未停在SQ1處時(shí)，選用手動模式讓小車歸位。

1.1.3 安全保護(hù)功能

當(dāng)SQ1故障時(shí)，小車會越過SQ1在SQ4處停止，SQ4被用作左移超限保護(hù)。當(dāng)SQ3故障時(shí)，小車會越過SQ3在SQ5處停止，SQ5被用作右移超限保護(hù)。料位計(jì)LW1、LW2和LW3可以分別實(shí)時(shí)顯示儲料箱、卸料箱1和2的物料多少，運(yùn)行人員可以及時(shí)查看，以防卸料箱下限位或上限位故障，導(dǎo)致卸料箱物料缺失或溢出。

1.1.4 停止和急停

按下停止按鈕SB2，小車回到原位SQ1處后停止系統(tǒng)運(yùn)行。按下急停按鈕SB5，系統(tǒng)斷電，立即全部停止運(yùn)行。

1.2 硬件選型

本系統(tǒng)使用西門子CPU1516-3PN/DP作為控制器，數(shù)字量輸入、輸出模塊和模擬量輸入模塊分別為DI16×24V DC HF、DQ16×24V DC/0.5A HF和AI8×U/I HF，可以滿足工業(yè)級的生產(chǎn)環(huán)境要求。選用西門子觸摸屏7寸精智版本TP700 Comfort進(jìn)行畫面組態(tài)仿真，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行人員查看和操作的功能，分辨率高，實(shí)時(shí)性好。料位計(jì)選用高頻雷達(dá)固體料位計(jì)。行程開關(guān)SQ1～SQ6選用金屬感應(yīng)接近開關(guān)，限位開關(guān)X1～X4選用物體感應(yīng)接近開關(guān)。系統(tǒng)硬件設(shè)備尤其是輸入、輸出模塊要留有備用通道，便于后期的檢修維護(hù)和系統(tǒng)功能擴(kuò)展。用工業(yè)以太網(wǎng)線和交換機(jī)將工控機(jī)PC、PLC和觸摸屏連接成一個(gè)局域網(wǎng)。

1.3 PLC硬件IO設(shè)備地址分配和連接

S7-1500 PLC輸入、輸出變量地址分配如表1所示，按照表1進(jìn)行線路連接，數(shù)字量輸入設(shè)備連接到模塊DI16×24V DC HF，數(shù)字量輸出設(shè)備連接到模塊DQ16×24V DC/0.5A HF，模擬量輸入料位計(jì)LW1～LW3連接到PLC模擬量輸入模塊AI8×U/I HF。

表1 S7-1500 PLC變量表

2 控制程序設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)使用博途TIA Portal軟件進(jìn)行編程，博途軟件不僅適合S7-1200和S7-1500系列PLC程序的編寫，而且可以進(jìn)行觸摸屏的畫面組態(tài)。

小車自動配料程序按照順序編程法進(jìn)行梯形圖程序的編寫。按照控制功能進(jìn)行模塊化程序劃分，程序主要包括手自動切換子程序、兩個(gè)卸料箱用料需求檢測子程序、裝料子程序、右移子程序、卸料子程序、左移子程序、吹洗子程序和數(shù)值顯示子程序等，主要子程序如圖2、圖3 和圖4所示。程序通過調(diào)試，編譯下載至S7-1500 PLC即可自動運(yùn)行。

圖2 手自動切換和兩個(gè)卸料箱用料需求檢測子程序

圖3 小車裝料和右移子程序

圖4 小車卸料、左移和吹洗子程序

3 仿真結(jié)果

通過觸摸屏進(jìn)行控制系統(tǒng)的仿真，使用博途軟件進(jìn)行畫面組態(tài)，仿真畫面如圖5所示。仿真中，小車裝料、卸料、左移、右移和吹洗等均用指示燈表示，系統(tǒng)的啟動、停止、手動左移、手動右移按鈕以及行程開關(guān)SQ1～SQ6用觸摸屏中的按鈕表示，按下接通一次，松開自動斷開。系統(tǒng)的急停按鈕按下后始終保持接通狀態(tài)。卸料箱的上下限位開關(guān)分為接通和斷開兩部分，點(diǎn)擊接通會保持接通，點(diǎn)擊斷開會保持?jǐn)嚅_。

圖5 小車配料控制系統(tǒng)仿真畫面

使用博途軟件啟動S7-1500 PLC的仿真，啟動觸摸屏的畫面仿真，仿真結(jié)果如下：

仿真1：小車向卸料箱1配料模擬仿真。

假設(shè)卸料箱1物料高度在下限位之下（手動強(qiáng)制卸料箱1下限位開關(guān)斷開），點(diǎn)擊啟動按鈕投入自動模式，系統(tǒng)會檢測到卸料箱1缺少物料，進(jìn)而啟動裝料，裝料指示燈變紅，然后小車右移，右移指示燈變紅，點(diǎn)擊SQ2閉合一次，開始卸料，卸料指示燈變紅。卸料完成小車左移，左移指示燈變紅。小車左移過程中，小車觸發(fā)SQ6閉合一次，可以進(jìn)行車斗的吹洗。小車循環(huán)往復(fù)運(yùn)行，直到物料料位高于上限位開關(guān)（手動強(qiáng)制卸料箱1上限位接通），小車回原位SQ1處停止，等待新的用料請求。

仿真2：小車向卸料箱2配料模擬仿真。

假設(shè)卸料箱2物料高度在下限位之下（手動強(qiáng)制卸料箱2下限位開關(guān)斷開），點(diǎn)擊啟動按鈕投入自動模式，系統(tǒng)會檢測到卸料箱2缺少物料，進(jìn)而啟動小車裝料，其他工作原理同仿真1。

仿真3：兩個(gè)卸料箱同時(shí)缺料模擬仿真。

當(dāng)兩個(gè)卸料箱同時(shí)出現(xiàn)缺料情況，小車會首先響應(yīng)卸料箱2的用料請求，然后再完成卸料箱1的用料請求。通過仿真，可以實(shí)現(xiàn)所有的控制功能，自動快速，節(jié)省人力，提高生產(chǎn)效率。

另外，應(yīng)根據(jù)實(shí)際用料速度，選擇合適位置合理安裝卸料箱的限位開關(guān)。兩個(gè)卸料箱的下限位開關(guān)安裝位置不宜過低，上限位開關(guān)不宜過高，以免出現(xiàn)小車給卸料箱2配料過程中卸料箱1已經(jīng)徹底缺料的情況，影響其他工序的進(jìn)行。

4 結(jié)語

本文通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)、編程和仿真，實(shí)現(xiàn)了小車自動配料的控制功能，節(jié)省了人力，提高了生產(chǎn)效率。小車配料系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)普通的配料需要，還具有擴(kuò)展功能，可以推廣到火力發(fā)電廠自動配煤等系統(tǒng)中使用。卸料箱改造成原煤倉，裝料箱儲存煤粉，通過程序的修改調(diào)試，便可用于原煤倉自動配煤系統(tǒng)。