申鳳琴，江劍

（1.西安理工大學(xué)高等技術(shù)學(xué)院，陜西西安710082；2.南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇南京210094）

破碎機在社會各行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，從最初用于礦山工程的鉆孔作業(yè)與大塊礦石的二次破碎，發(fā)展到今天大規(guī)模用于開挖隧道、拆除路橋和建筑物、破碎瀝青或混凝土路表以及清除冶煉爐渣等，在國內(nèi)外已形成了一個重要的新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。

車載破碎機主要由以下幾部分組成：主框架、振動系統(tǒng)、動力單元、反擊式破碎機、側(cè)泄料皮帶、主泄料皮帶、行走履帶、安全門、磁性分離器、旁通結(jié)構(gòu)、除塵系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和控制平臺等。由此可見，車載破碎機是機電液綜合一體化的設(shè)備。

車載破碎機的控制系統(tǒng)不僅要求系統(tǒng)能完成各功能部件的基本控制任務(wù)，而且在工藝上要考慮各部件動作的協(xié)調(diào)性，所以要求系統(tǒng)可靠性高，并能工作于惡劣環(huán)境，另外由于工作現(xiàn)場揚塵和噪聲大，所以對控制系統(tǒng)還要求具有遠程控制功能。

1 總體方案設(shè)計

車載破碎機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。本地控制面板用于破碎機的本地控制，可用于破碎機部件的調(diào)試和檢測；遠程控制面板、遠程單片機系統(tǒng)和遠程無線通信模塊組成破碎機的遙控器，在遙控器上設(shè)置相應(yīng)的按鈕、開關(guān)和信號指示等；本地單片機系統(tǒng)與本地?zé)o線通信模塊通過RS232通信完成報文的接收解析和打包發(fā)送，與PLC 的連接是通過硬件I/O 連接完成的，也就是本地單片機系統(tǒng)的開關(guān)量輸入和輸出對應(yīng)于PLC的開關(guān)量輸出和輸入。

圖1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of the control system

2 硬件設(shè)計

2.1 遙控部分

遙控部分的功能選用單片機和無線通信模塊來實現(xiàn)。單片機具有體積小，方便靈活等優(yōu)點，選擇AT89S52 為控制芯片；無線通訊模塊選用深圳華奧通HAC-UM96 系列無線通訊模塊，該模塊采用微功率發(fā)射，最大發(fā)射功率10 mW，433 MHz 標(biāo)準(zhǔn)ISM 頻段，無需申請頻點，基于FSK的調(diào)制方式，采用高效前向糾錯信道編碼技術(shù)，提高了數(shù)據(jù)抗突發(fā)干擾和隨機干擾的能力，在視距情況下，可靠傳輸距離能達到1 000 m，串口接口方式，具有低功耗及休眠功能。

2.1.1 電源供電

遙控器選用市場上廣泛供應(yīng)的儀表用9 V電池來供電。為得到AT89S52 等芯片工作所需的5 V 電壓，選用SPXI117 對供電電壓進行降壓和穩(wěn)壓處理。此外還設(shè)計了1 個欠電壓報警電路，當(dāng)電池電壓下降至SPXI117 的工作電壓下限6.4 V時，報警電路便產(chǎn)生1個信號通知單片機，報警電路采用電壓比較芯片LM393，用來檢測電壓的變化。

2.1.2 輸入輸出端口的擴展

由于單片機的端口數(shù)目有限，本系統(tǒng)的開關(guān)量輸入輸出要求較多，需要借助其他芯片來進行擴展，8255A 芯片是Intel 公司生產(chǎn)的可編程輸入輸出接口芯片，它具有3 個8 位的并行I/O 端口，可以通過程序改變其功能，常用作單片機與多種外圍設(shè)備連接時的端口電路。

2.1.3 開關(guān)量輸入消抖電路

由于遙控器面板上的按鈕和開關(guān)是機械式結(jié)構(gòu)，觸點閉合或斷開時伴有機械抖動，會使輸出信號波形出現(xiàn)振蕩。若將該信號直接輸入到微控制器的接口電路中，會造成錯誤的判斷而導(dǎo)致系統(tǒng)控制混亂。消除抖動干擾可采用軟件和硬件兩種方法，本系統(tǒng)采用如圖2 所示的硬件去抖動RC延時電路，這樣可減少單片機的負擔(dān)。

圖2 去抖動RC延時電路Fig.2 RC delay circuit for anti-shake

RC延時電路是利用電容上的電壓不能突變的原理，使A 點的電位不會隨開關(guān)閉合或斷開時的抖動而急劇變化，于是消除了抖動干擾。施密特反相器7414 的作用是對RC 電路的輸出進行整形。

2.2 PLC部分

本系統(tǒng)選擇的是德國西門子公司的S7-200系列PLC。S7-200是一種小型的可編程控制器，適用于各種場合的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。該系列出色表現(xiàn)在以下幾個方面：極高的可靠性，極豐富的指令集，易于掌握，便捷的操作，豐富的內(nèi)置集成功能，實時特性，強勁的通訊能力和豐富的擴展模塊。

本車載破碎機控制系統(tǒng)的開關(guān)量輸入48點，開關(guān)量輸出34點，模擬量輸入4個，模擬量輸出2個。考慮到輸入輸出要留部分余量，本系統(tǒng)選擇的PLC 機型是CPU224 型，它有14 點輸入，10 點輸出，共24 點開關(guān)量I/O 點，可連接7 個擴展模塊，最大擴展至168 點開關(guān)量I/O 點，而且I/O 端子排可以很容易的整體拆卸，應(yīng)用方便；它還具有PID 控制器，1 個RS485 通訊編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI 通訊協(xié)議和自由方式通訊能力；此外，它有13k字節(jié)程序和數(shù)據(jù)的存儲空間，6路獨立的30 kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20 kHz高速脈沖輸出?？傊摍C型是具有較強控制能力的可編程控制器。根據(jù)控制要求，本控制系統(tǒng)選用了3個開關(guān)量擴展模塊，型號為EM223DC/RELAY；2 個模擬量輸入輸出擴展模塊，型號為EM235，每模塊4個AI和1個AO。

PLC 的開關(guān)量輸入信號有來自本地和遠程控制面板的指令，還有來自履帶、振動系統(tǒng)、皮帶、液壓泵、磁分離、風(fēng)扇等故障報警信號，以及液壓系統(tǒng)的過濾堵塞和高溫報警等；PLC的開關(guān)量輸出信號主要用于控制破碎機各功能部件的啟停和控制面板上的信號指示等。

3 軟件設(shè)計

3.1 遙控軟件設(shè)計

遙控軟件分為遠程遙控器軟件和本地?zé)o線通信軟件，以遠程遙控器為例說明軟件設(shè)計思想。遠程遙控器上有各種按鈕、開關(guān)和指示燈，整合成開關(guān)量是16 個開關(guān)量輸入和8 個開關(guān)量輸出，所以發(fā)送報文的正文是2 個字節(jié)，對應(yīng)16個開關(guān)量輸入狀態(tài)，加上開始標(biāo)志1字節(jié)、校驗2字節(jié)和結(jié)束標(biāo)志1字節(jié)，總共是6個字節(jié)；接收報文是5 個字節(jié)，對應(yīng)8 個開關(guān)量的輸出執(zhí)行命令。為了節(jié)省電能消耗，只有在輸入有變化的時候才發(fā)送報文。單片機的工作流程如圖3所示。

圖3 單片機的工作流程Fig.3 Single-chip microcomputer workflow

3.2 PLC軟件設(shè)計

PLC 編 程 采 用STEP7-Micro/WIN32 編 程 軟件，該軟件是西門子公司專為S7-200 研制開發(fā)的，可以使用個人計算機作為圖形編輯器，用于聯(lián)機或脫機開發(fā)用戶程序，并可在線實時監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。PLC 軟件分為邏輯控制和速度控制兩部分。

3.2.1 邏輯控制軟件

邏輯控制軟件程序不僅實現(xiàn)了車載破碎機各功能部件的啟動和停止，而且考慮了工藝聯(lián)鎖和故障停機。下面以履帶行走為例說明實現(xiàn)方法。

根據(jù)PLC 的I/O 點分配，履帶行走控制程序中遠程控制輸入信號分配為I0.1（右履帶前進），I0.5（右履帶后退），I1.0（左履帶前進），I1.3（左履帶后退）；本地控制輸入信號分配為I2.0（右履帶前進），I2.1（右履帶后退），I4.4（左履帶前進），I4.6（左履帶后退）；PLC 的輸出信號Q2.0，Q2.1，Q2.2，Q2.3則分別接到控制履帶行走方向的液壓電磁閥上。另外設(shè)置I3.1和I5.5分別為禁止遠程控制和禁止本地控制開關(guān)，I4.1 為履帶行走允許工作開關(guān)。

若使用遠程控制方式時，禁止本地控制開關(guān)I5.5動作，禁止遠程控制開關(guān)I3.1開關(guān)未操作，其常閉觸點仍處于閉合，當(dāng)I0.1閉合時，若此時已允許履帶工作，I4.1閉合，則右履帶前進繼電器Q2.0將被驅(qū)動，右履帶前進運行；若使用本地控制方式時，I3.1開關(guān)常閉觸點斷開，I5.5未動作，當(dāng)I2.0閉合時，則同樣實現(xiàn)右履帶前進。相關(guān)程序如圖4所示，該程序?qū)崿F(xiàn)了本地和遠程、前進和后退的互鎖。

圖4 履帶行走PLC控制程序Fig.4 PLC control program of crawler travel

3.2.2 速度控制軟件

振動和行走都需要速度控制。下面以振動來說明速度控制的實現(xiàn)方法。

振動速度控制的硬件連接框圖見圖5。

圖5 速度控制硬件連接圖Fig.5 Hardware block diagram of speed control

S7-200 PLC 輸出一開關(guān)量信號控制振動的啟動和停止。振動速度的調(diào)節(jié)是根據(jù)振動速度變送器送來的0～10 V 的模擬量信號與設(shè)定的速度相比較，計算后輸出4～20 mA 的信號到變頻器，調(diào)節(jié)電機振動的速度。此振動速度控制采用比例積分PI閉環(huán)控制算法，變頻器輸入信號的大小與速度偏差及其積分成比例。軟件流程圖如圖6所示。

圖6 速度控制流程圖Fig.6 Flow diagram of speed control

4 結(jié)論

本文針對破碎機實際控制需求，提出基于PLC 的解決方案，給出了總體設(shè)計方案，介紹了軟硬件實現(xiàn)細節(jié)?，F(xiàn)場調(diào)試結(jié)果表明本系統(tǒng)設(shè)計合理，工作可靠，可供類似的工程機械控制系統(tǒng)參考。

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