茹艷軍

【摘要】根據(jù)現(xiàn)有煤礦裝車系統(tǒng)的特點，提出自動化改造方案。采用S7-200系列PLC和PC機實現(xiàn)對整個裝車過程的自動控制。通過PC機與PLC、PC機與工控以及PC機與現(xiàn)場儀表的通信實現(xiàn)PC對PLC裝車系統(tǒng)的實時控制。通過對整個裝車流程的分析，用梯形圖程序編寫了通信模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、加煤過程、狀態(tài)代碼傳送過程以及裝車精度控制等程序。實驗室的仿真結(jié)果證明了此裝車系統(tǒng)的設(shè)計可以達到提出的技術(shù)指標要求，能夠可靠、準確地實時監(jiān)測和記錄裝車過程中的運行狀況，并具有記錄、查詢等功能，解決了放料、傳輸、裝載等環(huán)節(jié)的問題。實踐證明：裝車過程的效率和自動化程度都達到了提高，成功實現(xiàn)了對裝車系統(tǒng)的自動控制。自動化控制領(lǐng)域的飛速發(fā)展給煤碳、電力、通信等行業(yè)帶來了很大的經(jīng)濟效益。

【關(guān)鍵詞】PLC;裝車系統(tǒng);S7-200

According：to the characteristics of the existing coal loading systems，automation proposed reform program. With S7-200 series PLC and PC，to achieve automatic control of the entire loading process. Through the PC，and PLC，PC and PC-machine and industrial communication with field instrumentation to achieve PC loading system on the PLC real-time control. Through the analysis of the entire loading process，with the Ladder written communication module，data conversion，adding coal，a status code of the transmission process and the loading accuracy control procedures. Labs Simulation results show that loading system of the design can meet the technical index requirements，can be as accurate as real-time tests and accuracy of loadingsystem. The Function and have accuracy，searching so，solve the discharge，transmission，load and other aspects of the problem. Practice has proved that： loading process efficiency and automation have reached the higher loading was achieved on Automatic Control. The rapid development of the field of automatic control for coal，electricity，telecommunications and other industries has brought great economic benefits.

Keywords：PLC;Loadingsystem;S7-200

1.背景的提出

1.1 課題的來源

老式的煤礦裝車系統(tǒng)多為手動操作，操作人員根據(jù)目測軌道的讀數(shù)進行對裝煤車的控制。整個裝車過程均為人為控制，所以裝車虧載和過載現(xiàn)象嚴重、速度慢、系統(tǒng)操作復(fù)雜、勞動強度大、勞動環(huán)境差，不但給企業(yè)帶來了巨大經(jīng)濟損失，對工人的健康也產(chǎn)生了很大的損害。因此，煤礦裝車系統(tǒng)的自動化程度高低直接影響裝車的精度和速度，是煤礦生產(chǎn)中重要的一個環(huán)節(jié)。科學(xué)技術(shù)的發(fā)展帶動了裝車系統(tǒng)的改進。目前，可以通過單片機、PLC、FPGA實現(xiàn)自動控制系統(tǒng)的設(shè)計。綜合單片機、PLC、FPGA的設(shè)計特點，從成本講：用單片機系統(tǒng)設(shè)計便宜，從檢修角度講：用PLC更方便，因為單片機需要懂C語言的人，一般人就是會編程也不容易讀懂，而且有的單片機系統(tǒng)設(shè)置了密碼，根本看不到內(nèi)容。PLC是通用控制器，懂得人很多，檢修調(diào)試都方便。PLC的通用性、可靠性、檢修快速性、抗干擾能力強、安全性都很好。因此，用PLC來設(shè)計自動控制裝車系統(tǒng)，解決了放料、傳輸、裝載等環(huán)節(jié)的問題，實現(xiàn)了自動化。通過PLC實現(xiàn)自動裝車系統(tǒng)的設(shè)計比較好。

1.2 相關(guān)領(lǐng)域的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

PLC相對單片機自行開發(fā)的系統(tǒng)而言，首先在軟件上多了一套可編程邏輯語言，方便將梯形圖轉(zhuǎn)換為控制指令，其次在硬件上集成了電源電路，加強了抗干擾措施，更適合工業(yè)環(huán)境使用。小型PLC技術(shù)發(fā)展趨勢：小型PLC從產(chǎn)生到現(xiàn)在，實現(xiàn)了接線邏輯到存儲邏輯的飛躍;其功能從弱到強，實現(xiàn)了邏輯控制到數(shù)字控制的進步;如今的小型PLC在編程，IO擴展，通訊接口，開關(guān)量和模擬量的調(diào)節(jié)以及一些特殊功能模塊如高速計數(shù)輸入和脈沖輸出的應(yīng)用上已經(jīng)能基本滿足用戶的需求。但隨著應(yīng)用需求及關(guān)聯(lián)產(chǎn)品技術(shù)性能的提升（如步進驅(qū)動的脈沖響應(yīng)頻率及精度，HMI及關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的通訊功能），PLC將繼續(xù)得以完善和發(fā)展。未來幾年，各廠商會應(yīng)客戶要求，針對小型PLC，將從運動控制功能和通訊功能等方面進行功能強化。

2.需求分析及硬件設(shè)計

2.1 需求分析

根據(jù)某煤礦提出的的技術(shù)改進項目，做出設(shè)計。通過PLC控制自動裝車系統(tǒng)。指標如下：（1）每輛車裝煤25噸，裝煤精度達到千分之四;（2）裝車系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)滿足現(xiàn)場的需求，現(xiàn)場有前后紅外柵欄，通過傳感器實現(xiàn)對加煤車位置的監(jiān)測。并通過現(xiàn)場交通控制燈的亮滅情況顯示加煤車位置和裝車進度。（3）控制系統(tǒng)自動化程度要高，通過PC機和工控、PC機和稱重儀表之間的實時通信使整個裝車的運行均在程序控制下進行。系統(tǒng)上電后即可進入全自動控制的運行狀態(tài)，煤礦技術(shù)人員只需實時觀察PC機上的數(shù)據(jù)就可明白現(xiàn)場的裝車狀態(tài);（4）在不影響煤礦安全生產(chǎn)的前提下，每輛車的加煤控制時間要盡可能的短;（5）裝車控制系統(tǒng)檢測和排查系統(tǒng)的故障能力要高，能夠?qū)ρb車現(xiàn)場各種可能的人為或非人為的因素導(dǎo)致的裝車系統(tǒng)的干擾進行實時、巧妙地監(jiān)控、排除，減少現(xiàn)場的突發(fā)事故給企業(yè)帶來的損失。

2.2 基本硬件結(jié)構(gòu)框圖分析

圖2-1 基本硬件結(jié)構(gòu)原理框圖

基本硬件結(jié)構(gòu)原理框圖如圖2-1所示。

（1）輸入部分

輸入信號包括通過RS-485數(shù)據(jù)線傳輸?shù)男盘柡屯ㄟ^技術(shù)人員輸入的數(shù)據(jù)。通過RS-485數(shù)據(jù)線傳輸?shù)男盘柊ǎ悍Q重儀表數(shù)據(jù)、紅外柵欄傳感器信號通過端口0實現(xiàn)信號傳輸。通過技術(shù)人員輸入的數(shù)據(jù)包括：裝車數(shù)據(jù)和裝車狀態(tài)請求信號。

（2）輸出信號

輸出信號包括：交通燈控制信號、開關(guān)打開控制信號以及關(guān)閉開關(guān)控制信號。

（3）工控機和PC機通信

工控機和PC機之間是通過端口1進行的雙向通訊方式，裝車系統(tǒng)啟動后工控發(fā)送每輛車的加煤數(shù)據(jù)和裝車狀態(tài)請求信號給PC機。PC機接收到公控發(fā)來的數(shù)據(jù)后，經(jīng)過檢測、計算后通過XMT指令將數(shù)據(jù)傳送給工控機。

（4）S7-200供電

提供直流供電和交流供電兩種CPU模塊的連線方式。在安裝和拆除任何電氣設(shè)備之前必須確認該設(shè)備的電源已斷開。

3.軟件設(shè)計

S7-200用戶程序中包括了位邏輯、計數(shù)器、定時器、復(fù)雜數(shù)學(xué)運算以及其它智能模塊通訊等指令內(nèi)容，從而使它能夠監(jiān)視輸入狀態(tài)，改變輸出狀態(tài)以達到控制目的。

3.1 程序設(shè)計部分

整個裝車過程的流程控制如圖3-1所示：啟動上電開關(guān)后，裝煤車開始前進，當(dāng)經(jīng)過紅外柵欄1時，通過1號顯示燈顯示車的位置，當(dāng)車經(jīng)過紅外柵欄2時，2號燈亮起。當(dāng)加煤車到達加煤位置時，三號燈亮，同時啟動T34的10秒定時。當(dāng)定時到時，在確定要執(zhí)行加煤操作后啟動加煤開關(guān)，執(zhí)行加煤精度控制部分。當(dāng)儀表上顯示的數(shù)字達到預(yù)定值時，關(guān)閉加煤開關(guān)，并啟動新的定時器T33。當(dāng)T33的十秒定時到時，裝車完畢的指示燈亮，裝煤車此時離開加煤位置，同時關(guān)閉1號、2號和三號燈，下一步判斷是否進行連續(xù)加煤裝車的操作，在相應(yīng)的判斷條件下執(zhí)行相應(yīng)的操作。整個裝車控制過程要求每輛加煤車裝煤25噸，裝車精度達到千分之四，并且能夠?qū)崿F(xiàn)安全可靠的自動裝車控制。程序設(shè)計部分按照分塊設(shè)計的思想，將裝車控制過程分成：PC機與儀表及PC機與工控之間的通訊、裝車過程、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、狀態(tài)代碼傳送過程、裝車精度控制五個程序塊。

圖3-1 整個裝車過程流程圖

圖3-2 裝車過程部分程序

3.2 PC機與儀表及PC機與工控之間通信

使用自由口模式控制串行通訊口，可以實現(xiàn)PC機與工控和PC機與儀表之間的實時通信。通信設(shè)置說明：初始化自由口，選擇9600波特、8位數(shù)據(jù)位、無校驗。初始化RCV信息控制字節(jié)，RCV使能、忽略中斷檢測起始字符、檢測信息結(jié)束字符、檢測空閑線信息條件。設(shè)定信息結(jié)束字符為16#3D（=）。設(shè)置空閑線超時為5ms、設(shè)置字符數(shù)為16。通過設(shè)置連接中斷0、中斷1還有中斷2，允許執(zhí)行中斷，實現(xiàn)接收和發(fā)送的分時執(zhí)行功能，接收緩沖區(qū)指向VB100。

3.3 裝車過程

裝車過程梯形圖程序如圖3-2所示。程序通過相應(yīng)的控制位的狀態(tài)實現(xiàn)對加煤裝置的控制，裝車狀態(tài)共四個：等待加煤Q0.7、啟動加煤Q0.4、正在加煤Q1.0、完成加煤Q0.6。

3.4 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

通過端口1接收并處理工控發(fā)來的數(shù)據(jù)。通過端口1從VB100開始接收從工控發(fā)來的16位數(shù)據(jù)，如果接收到的數(shù)據(jù)中VB104地址中的數(shù)值是狀態(tài)請求代碼值24，則程序進入發(fā)送裝車狀態(tài)的數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)。當(dāng)接收到的VB114地址中的數(shù)值不是24，則根據(jù)程序設(shè)計控制過程，通過對V179.0地址位的置1操作，執(zhí)行對工控發(fā)來的加煤重量的計算和回傳發(fā)送。為了避免內(nèi)存在變換數(shù)值時對存儲地址中數(shù)值的影響，程序?qū)腣B109開始到VB114接收到的數(shù)據(jù)通過WAND_B指令后得到所需的數(shù)據(jù)，再通過B_I、MUL_I、MOV_B、I_DI指令分別將數(shù)據(jù)進行相關(guān)運算后存入VD500、VD600、VD700、VD800、VD900中。最后通過加法指令A(yù)DD_I將要顯示的最終數(shù)據(jù)送入VD1111中。這就完成了從接收數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并顯示的全過程。通過端口0接收并處理儀表發(fā)來的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存入VD940中。

圖3-3 裝車系統(tǒng)狀態(tài)代碼傳送指令

圖3-4 裝車精度控制部分

3.5 狀態(tài)代碼傳送過程

代碼傳送過程如圖3-3所示，VB71中存裝好煤狀態(tài)10代碼表示。VB72中存是否等待裝車狀態(tài)20代碼表示。VB73中存緊急停止?fàn)顟B(tài)否30代碼表示。VB74中存開關(guān)走向閉合40代碼表示。VB75中存開關(guān)走向打開50代碼表示。

3.6 裝車精度控制

裝車精度控制部分的程序如圖3-4所示，裝車精度控制部分的重點是在控制程序部分合理的選擇精度控制數(shù)據(jù)，表3-1給出了以每輛車裝煤25噸，精度控制在千分之四內(nèi)（即精度在50千克以內(nèi)）的裝車控制過程中計算比較的數(shù)據(jù)。

表4-1中的1.7指的是當(dāng)開關(guān)在當(dāng)前X系數(shù)決定的加煤量的情況下執(zhí)行關(guān)閉開關(guān)至完全閉合時，此段時間內(nèi)加煤量大約在1.7噸左右。在精度控制過程中，選擇了VD1115、VD1119、VD1123三個存儲地址。VD1115中存X等于2.0時對應(yīng)的12.50噸、VD1119中存X等于1.3時對應(yīng)的19.23噸、VD1123中存X等于1.073時對應(yīng)的23.299噸。當(dāng)加煤質(zhì)量小于VD1115中的數(shù)值時，開關(guān)處于往大的開狀態(tài)。當(dāng)加煤質(zhì)量大于VD1115且小于VD1119中的數(shù)值時，開關(guān)處于往小關(guān)的狀態(tài)。當(dāng)加煤質(zhì)量大于VD1119且小于VD1123中的數(shù)值時，開關(guān)大小保持不變。當(dāng)加煤質(zhì)量大于VD1123中的數(shù)值時，開關(guān)關(guān)閉至完全合閉。通過理論計算得出控制精度可達到1千克。