礦用隔爆組合開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)
——大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃

張慶賀 焦昆 丁軍偉

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京） 信電系 10083

礦用隔爆組合開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)
——大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃

張慶賀 焦昆 丁軍偉

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京） 信電系 10083

基于PLC與單片機(jī)的特點(diǎn)，文章提出了一種礦用組合開(kāi)關(guān)主控單元設(shè)計(jì)的新思路，并對(duì)其軟硬件設(shè)計(jì)和它們之間的通訊進(jìn)行了詳細(xì)敘述，最后是作者對(duì)此次實(shí)驗(yàn)的心得體會(huì)。

PLC控制；單片機(jī)；煤礦；組合開(kāi)關(guān)

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

引言

礦用組合開(kāi)關(guān)是將多臺(tái)用于控制采煤機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、運(yùn)輸機(jī)等用電設(shè)備的開(kāi)關(guān)控制回路以及設(shè)備檢測(cè)信號(hào)（包括電壓電流等模擬信號(hào)）的監(jiān)控主控制回路集中起來(lái)的礦用設(shè)備，[1]臺(tái)組合開(kāi)關(guān)的功能相當(dāng)于多臺(tái)單體開(kāi)關(guān)的功能[1]，具有簡(jiǎn)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(chǎn)效率和可靠性等優(yōu)點(diǎn)[2]， 在煤礦上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，所以對(duì)礦用組合開(kāi)關(guān)的研究非常具有現(xiàn)實(shí)意義。因此基于大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃這個(gè)平臺(tái)，我們對(duì)礦用組合開(kāi)關(guān)進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。由于PLC具有可靠性高、抗干擾性強(qiáng)、體積小、能耗低、維修工作量小維修方便的特點(diǎn)，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(jī)來(lái)解決PLC與外界模擬信號(hào)交換的問(wèn)題，彌補(bǔ)了PLC的不足?；谶@點(diǎn)我們進(jìn)行了礦用組合開(kāi)關(guān)主控單元的設(shè)計(jì)，并在實(shí)驗(yàn)室條件下得到了實(shí)現(xiàn)。

1 控制對(duì)象和控制功能的描述

1.1 控制對(duì)象的描述

井下采煤過(guò)程一般為采煤機(jī)將煤炭從煤層上割下，落入刮板運(yùn)輸機(jī)，再由刮板運(yùn)輸機(jī)運(yùn)至轉(zhuǎn)載機(jī)，轉(zhuǎn)載機(jī)將煤轉(zhuǎn)載至皮帶運(yùn)輸機(jī)，然后運(yùn)至井外，采煤流程圖如圖1所示：

圖1

我們?cè)O(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)控制對(duì)象有采煤機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、皮帶運(yùn)輸機(jī)等設(shè)備。

1.2 控制功能的描述

該礦用組合開(kāi)關(guān)的控制功能包括正常工作時(shí)的控制功能和發(fā)生故障時(shí)的保護(hù)功能。正常工作時(shí)的控制功能為在采煤系統(tǒng)正常的情況下人通過(guò)開(kāi)關(guān)對(duì)設(shè)備實(shí)施的手動(dòng)和自動(dòng)控制，而發(fā)生故障時(shí)的保護(hù)功能是當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)組合開(kāi)關(guān)裝置對(duì)設(shè)備實(shí)施的反饋控制。組合開(kāi)關(guān)系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2

1.2.1 正常工作時(shí)的控制功能的描述組合開(kāi)關(guān)的具體控制功能如表1所示：

表1

該礦用組合開(kāi)關(guān)正常工作時(shí)的控制功能有手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制功能。

手動(dòng)控制情況下通過(guò)按鍵可實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、皮帶運(yùn)輸機(jī)1、2的單機(jī)控制；自動(dòng)控制情況下通過(guò)按鍵可實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)的單機(jī)控制，對(duì)刮板運(yùn)輸機(jī)的自動(dòng)低高速轉(zhuǎn)換，對(duì)皮帶機(jī)1、2的順序啟停。

1.2.2 發(fā)生故障時(shí)的保護(hù)功能的描述

作為礦用組合開(kāi)關(guān)不但要能實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤設(shè)備的主動(dòng)控制功能，還要能實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，和在采煤系統(tǒng)出現(xiàn)故障（一般有短路、過(guò)載、斷相、漏電、欠壓、過(guò)壓等情況）時(shí)立即作出相應(yīng)反應(yīng)的功能。

由圖2看出，采煤系統(tǒng)檢測(cè)模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，送到單片機(jī)，由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后再送到PLC，PLC可對(duì)采煤系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并在發(fā)生故障時(shí)作出相應(yīng)的控制動(dòng)作。

觸摸屏可實(shí)現(xiàn)故障顯示、記憶和復(fù)位的功能。

2 組合開(kāi)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

礦用組合開(kāi)關(guān)主控單元的硬件部分主要由西門(mén)子S7-200PLC、TPC7062KS觸摸屏、51單片機(jī)、A/D PCF8591、MAX485以及外部電路組成，其硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

2.1 組合開(kāi)關(guān)硬件描述

如引言所述本組合開(kāi)關(guān)主控單元設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是以PLC作為中央信號(hào)處理單元，以單片機(jī)作為模擬信號(hào)處理單元。相比于其它主PLC與子PLC集中與分散控制方式節(jié)約了成本，提高了速度；相比于其它以單片機(jī)作為中央信號(hào)處理單元的開(kāi)關(guān)提高了穩(wěn)定性，可靠性[3]。其中對(duì)于單片機(jī)串行輸出口和PLC自由口輸出電平不匹配（單片機(jī)串行口輸出的是TTL 電平，而PLC自由口輸出的是RS -485信號(hào)）的問(wèn)題，只需在單片機(jī)和PLC之間使用MAX485芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，單片機(jī)即可通過(guò)RS485接口與S7—200系列PLC進(jìn)行通訊[4]。另外本設(shè)計(jì)采用了TPC7062K觸摸屏作為人機(jī)交互界面，方便了用戶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整體的運(yùn)行狀態(tài)，用戶也可對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行整定修改；至于設(shè)備檢測(cè)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片本設(shè)計(jì)采用的是PCF8591，它通過(guò)I2C總線和單片機(jī)交換數(shù)據(jù)。

圖3

3 組合開(kāi)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

組合開(kāi)關(guān)主控單元的軟件設(shè)計(jì)主要包括PLC控制程序，單片機(jī)程序，通訊設(shè)計(jì)3個(gè)部分。

3.1 PLC控制程序

PLC控制程序采用模塊化設(shè)計(jì)，包括硬件配置及參數(shù)設(shè)置、通信定義、用戶程序的編寫(xiě)等[5]。其程序流程如圖4所示。

圖4

3.2 單片機(jī)程序

單片機(jī)程序也采用模塊化設(shè)計(jì)主要包括初始化、通信定義、數(shù)據(jù)處理等，其程序流程如圖5所示。

圖5

3.3 通訊軟件設(shè)計(jì)

包括PLC和屏、PLC和單片機(jī)、單片機(jī)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(shí)，首先需要在屏的組態(tài)軟件設(shè)備窗口中，添加通用串口父設(shè)備+子PLC設(shè)備，然后必須要使畫(huà)面控制寄存器與PLC一致，即將他們的操作地址相互關(guān)聯(lián)。

3.3.2 PLC和單片機(jī)之間的通訊

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

圖6

3.3.3 A/D PCF8591和單片機(jī)之間的通訊

如2.1所述PCF8591是通過(guò)I2C總線和單片機(jī)進(jìn)行通信，它們之間的具體接線圖如圖7所示。

圖7

4 結(jié)語(yǔ)

在本次實(shí)驗(yàn)中總結(jié)的一條經(jīng)驗(yàn)：在進(jìn)行單片機(jī)和PLC的通訊調(diào)試時(shí)借助一些工具可以加快調(diào)試的進(jìn)程，例如借助串口調(diào)試助手軟件可以監(jiān)測(cè)單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)是否正確，借助PLC自帶的狀態(tài)監(jiān)測(cè)窗口可以判斷PLC接收數(shù)據(jù)是否正確，若兩者都正確則它們之間通訊正常。最后，此開(kāi)關(guān)主控單元的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了礦用組合開(kāi)關(guān)的所有任務(wù)，解決了PLC模擬通道少的問(wèn)題，解決了單片機(jī)和PLC通信電平不匹配的問(wèn)題，并在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行了模擬，且工作可靠、穩(wěn)定、快速，非常具有應(yīng)用價(jià)值，為礦用組合開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)提供了一條新思路。

[1]黃靜波,牟龍華.礦用組合開(kāi)關(guān)主控單元的設(shè)計(jì).[J].工礦自動(dòng)化，2007:74-77.

[2]郁青林,王東.基于PLC的礦用組合開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì).工礦自動(dòng)化，2011.3:19-21.

[3]朱敏靜.基于ARM9嵌入式系統(tǒng)的礦用組合開(kāi)關(guān)研究.安徽理工大學(xué)碩士論文，2010.5.

[4]楊志剛，錢(qián)俊磊.西門(mén)子S7_200系列PLC與單片機(jī)之間的自由口通信.河北理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2005.11.

[5] S7-200 PLC 編程及應(yīng)用/廖常初主編.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.8.

[6]單片機(jī)中級(jí)教程：原理與應(yīng)用/張俊謨主編.—2版.北京.北京航空航天大學(xué)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(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）本科生，所學(xué)專業(yè)為電氣工程與自動(dòng)化;

指導(dǎo)教師：魏幼平 副教授 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電學(xué)院。