基于嵌入式軟PLC的帶式輸送機控制系統(tǒng)設計

馮曉莉

摘要：根據(jù)帶式輸送機運行要求，軟PLC控制系統(tǒng)采用了高性能的微處理器，使用標準的編程語言設計控制系統(tǒng)梯形圖程序。本文通過對軟PLC系統(tǒng)的優(yōu)點及其設計步驟進行簡單介紹，進而對帶式輸送機的工作原理和基于嵌入式軟PLC的帶式輸送機控制系統(tǒng)的軟硬件組成進行了相關(guān)探討。

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

引言

帶式輸送機因具有結(jié)構(gòu)簡單、運送距離長、運輸量大以及連續(xù)運輸?shù)忍攸c，被廣泛應用在礦山、煤炭、糖廠等企業(yè)。國產(chǎn)傳統(tǒng)帶式輸送機控制系統(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，相對獨立，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)的擴展性和移植性比較差，不利于控制系統(tǒng)的分散化和個性化發(fā)展?，F(xiàn)在最先進的技術(shù)就是使用PLC（可編程控制器）控制系統(tǒng)完成自動化生產(chǎn)環(huán)節(jié)中設備的科學調(diào)度，PLC技術(shù)在煤礦帶式輸送機控制系統(tǒng)中的設計融合了系統(tǒng)自動化控制、設備監(jiān)測及故障提醒的功能，目的在于提高煤炭的生產(chǎn)自動化，為安全高效生產(chǎn)提供了幫助。因此，為了改善傳統(tǒng)帶式輸送機的缺陷，采用軟PLC控制技術(shù)提高系統(tǒng)的自動化控制、設備監(jiān)測及故障提醒等的功能。

一、軟PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)點

近年來，隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展以及PLC方面國際標準的制定，一項打破傳統(tǒng)PLC局限性的新興技術(shù)發(fā)展起來了，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，而實際工業(yè)應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準的操作指令。

PC機廠家的激烈競爭使得基于PC機的軟PLC的性價比得以提高。

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

軟PLC的技術(shù)是基于IEC61131-3標準的，因此在掌握標準語言后開發(fā)就比較容易。

二、PLC控制系統(tǒng)設計步驟

設計PLC應用系統(tǒng)時，首先是進行PLC應用系統(tǒng)的功能設計，即根據(jù)被控對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。然后是進行PLC應用系統(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的機型和系統(tǒng)的具體配置。

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

（二）確定I/O設備。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）和輸出設備（如電磁閥、接觸器、信號指示燈等）由此確定PLC的I/O點數(shù)。

（三）選擇PLC時主要包括PLC機型、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)設備現(xiàn)場需要，確定控制按鈕，選擇開關(guān)、電磁閥、接觸器、信號指示燈等各種輸入輸出設備的型號、數(shù)量、規(guī)格;根據(jù)所選的PLC的型號列出輸入/輸出設備與PLC輸入輸出端子的對照表，以便繪制PLC外部I/O接線圖和編制程序。

（五）設計軟件及硬件，進行PLC程序設計，進行控制柜（臺）等硬件的設計及現(xiàn)場施工。因為程序與硬件設計可同時進行，所以，可大大縮短PLC控制系統(tǒng)的設計周期，而對于繼電器系統(tǒng)必須先設計出全部的電氣控制線路后才能進行施工設計。

（六）聯(lián)機調(diào)試。聯(lián)機調(diào)試是指將模擬調(diào)試通過的程序進行在線統(tǒng)調(diào)。開始時，先不帶上輸出設備（信號指示燈、接觸器線圈等負載）進行調(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，再帶上實際負載運行。若不符合要求，則對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，交付試運行。經(jīng)過一段時間運行，如果工作正常、程序不需要修改則應將程序固化到EPROM中，以防程序丟失。

（七）整理技術(shù)文件包括設計說明書、電氣元件明細表、電氣安裝圖及使用說明書等。

三、帶式輸送機控制系統(tǒng)的工作原理

（一）手動控制操作

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

（二）自動控制操作

自動控制操作主要通過程序軟件實現(xiàn)，控制人員能夠在控制機上啟動、停止設備。在系統(tǒng)進入自動控制操作后，自動開啟設備或者停止帶式輸送機，根據(jù)分布在監(jiān)測點的數(shù)據(jù)匯總分析，對信號自動實現(xiàn)報警，在發(fā)生故障時，自動控制系統(tǒng)能發(fā)出維修警報，自動停止工作，同時在組態(tài)系統(tǒng)中創(chuàng)建維修日志，方便維修人員對設備的檢測和維修工作。

（三）變頻控制圖

輸送帶的電機使用變頻控制技術(shù)，變頻器實現(xiàn)電機的開啟和關(guān)停，這些都能夠在主控界面顯示出來，在遇到輸送機控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障和報警時，記錄設備故障地點時間與故障信息。

四、帶式輸送機控制系統(tǒng)硬件與軟件組成

（一）硬件組成

帶式輸送機控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)帶式輸送機由伺服電機、輸送帶、傳動滾筒、驅(qū)動裝置、制動裝置、拉緊裝置以及保護裝置等設備組成。經(jīng)過尾部滾筒和傳動滾筒，輸送帶形成一個封閉的環(huán)形帶。由托輥支撐傳輸帶，傳輸帶工作時所需要的拉緊力由拉緊裝置提供。電動機驅(qū)動滾筒，帶動傳輸帶，使傳輸帶在帶式輸送機中連續(xù)運動。過去的帶式輸送機控制系統(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)的設計過程中，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)帶式輸送機的結(jié)構(gòu)以及煤礦對帶式輸送機的工作要求，設計的帶式輸送機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括三個部分：軟PLC控制器核心電路、輸入信號部分和輸出信號部分。

（二）軟件組成

1、帶式輸送機的軟件系統(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，來實現(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，又具有計算機良好的開放性、兼容性，網(wǎng)絡通訊能力與處理數(shù)據(jù)的能力。軟PLC控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包含兩個部分：編程系統(tǒng)和運行系統(tǒng)。編程系統(tǒng)的工作環(huán)境為pc機的操作系統(tǒng)。在編程系統(tǒng)中，結(jié)合IEC61131-3標準規(guī)定的編程語言，運用OpenPCS編程工具，編寫帶式輸送機應用控制程序，然后編譯生成目標代碼，再進行資源配置和運行系統(tǒng)的通信。

2、帶式輸送機軟PLC編程系統(tǒng)軟件設計

為提高程序的可讀性以及方便用戶維護，系統(tǒng)應用程序采用模塊化設計方法。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，闡述其實現(xiàn)過程。因為帶式輸送機需要采集的模擬信號有輸送帶速度、油箱溫度、給煤倉煤位、電機電流，所以硬件中選用AD7874模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，在編程系統(tǒng)中設計一個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，具體實現(xiàn)部分需要由運行系統(tǒng)來完成。

3、帶式輸送機軟PLC運行系統(tǒng)軟件設計

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

任務來執(zhí)行。因此運行系統(tǒng)設計過程中，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地址，這樣實現(xiàn)外圍硬件與映像區(qū)的數(shù)據(jù)存取。

結(jié)束語

帶式輸送機通過應用PLC控制技術(shù)運行，簡化了設備運行的控制系統(tǒng)，整套系統(tǒng)運行穩(wěn)定，設備操作方便，提高了控制的可靠性，確保了帶式輸送機運行過程的安全性，降低了啟動和停止過程對輸送帶、機械傳動設備及電網(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上使用，運行情況表明，控制系統(tǒng)安全可靠。

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