基于PLC的車載破碎機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京210094）

破碎機(jī)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(gè)重要的新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。

車載破碎機(jī)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(jī)、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(jī)是機(jī)電液綜合一體化的設(shè)備。

車載破碎機(jī)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(yáng)塵和噪聲大，所以對控制系統(tǒng)還要求具有遠(yuǎn)程控制功能。

1 總體方案設(shè)計(jì)

車載破碎機(jī)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(jī)的本地控制，可用于破碎機(jī)部件的調(diào)試和檢測；遠(yuǎn)程控制面板、遠(yuǎn)程單片機(jī)系統(tǒng)和遠(yuǎn)程無線通信模塊組成破碎機(jī)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(jī)系統(tǒng)與本地?zé)o線通信模塊通過RS232通信完成報(bào)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(jī)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(jì)

2.1 遙控部分

遙控部分的功能選用單片機(jī)和無線通信模塊來實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)具有體積小，方便靈活等優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)，基于FSK的調(diào)制方式，采用高效前向糾錯(cuò)信道編碼技術(shù)，提高了數(shù)據(jù)抗突發(fā)干擾和隨機(jī)干擾的能力，在視距情況下，可靠傳輸距離能達(dá)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(jìn)行降壓和穩(wěn)壓處理。此外還設(shè)計(jì)了1 個(gè)欠電壓報(bào)警電路，當(dāng)電池電壓下降至SPXI117 的工作電壓下限6.4 V時(shí)，報(bào)警電路便產(chǎn)生1個(gè)信號通知單片機(jī)，報(bào)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(kuò)展

由于單片機(jī)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(jìn)行擴(kuò)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(gè)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(jī)與多種外圍設(shè)備連接時(shí)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(jī)械式結(jié)構(gòu)，觸點(diǎn)閉合或斷開時(shí)伴有機(jī)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(cuò)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(shí)電路，這樣可減少單片機(jī)的負(fù)擔(dān)。

圖2 去抖動RC延時(shí)電路Fig.2 RC delay circuit for anti-shake

RC延時(shí)電路是利用電容上的電壓不能突變的原理，使A 點(diǎn)的電位不會隨開關(guān)閉合或斷開時(shí)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(jìn)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(gè)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(shí)時(shí)特性，強(qiáng)勁的通訊能力和豐富的擴(kuò)展模塊。

本車載破碎機(jī)控制系統(tǒng)的開關(guān)量輸入48點(diǎn)，開關(guān)量輸出34點(diǎn)，模擬量輸入4個(gè)，模擬量輸出2個(gè)?？紤]到輸入輸出要留部分余量，本系統(tǒng)選擇的PLC 機(jī)型是CPU224 型，它有14 點(diǎn)輸入，10 點(diǎn)輸出，共24 點(diǎn)開關(guān)量I/O 點(diǎn)，可連接7 個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至168 點(diǎn)開關(guān)量I/O 點(diǎn)，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(gè)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(dú)立的30 kHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20 kHz高速脈沖輸出?？傊?，該機(jī)型是具有較強(qiáng)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(gè)開關(guān)量擴(kuò)展模塊，型號為EM223DC/RELAY；2 個(gè)模擬量輸入輸出擴(kuò)展模塊，型號為EM235，每模塊4個(gè)AI和1個(gè)AO。

PLC 的開關(guān)量輸入信號有來自本地和遠(yuǎn)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(bào)警信號，以及液壓系統(tǒng)的過濾堵塞和高溫報(bào)警等；PLC的開關(guān)量輸出信號主要用于控制破碎機(jī)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(jì)

3.1 遙控軟件設(shè)計(jì)

遙控軟件分為遠(yuǎn)程遙控器軟件和本地?zé)o線通信軟件，以遠(yuǎn)程遙控器為例說明軟件設(shè)計(jì)思想。遠(yuǎn)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(gè)開關(guān)量輸入和8 個(gè)開關(guān)量輸出，所以發(fā)送報(bào)文的正文是2 個(gè)字節(jié)，對應(yīng)16個(gè)開關(guān)量輸入狀態(tài)，加上開始標(biāo)志1字節(jié)、校驗(yàn)2字節(jié)和結(jié)束標(biāo)志1字節(jié)，總共是6個(gè)字節(jié)；接收報(bào)文是5 個(gè)字節(jié)，對應(yīng)8 個(gè)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(shí)候才發(fā)送報(bào)文。單片機(jī)的工作流程如圖3所示。

圖3 單片機(jī)的工作流程Fig.3 Single-chip microcomputer workflow

3.2 PLC軟件設(shè)計(jì)

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(gè)人計(jì)算機(jī)作為圖形編輯器，用于聯(lián)機(jī)或脫機(jī)開發(fā)用戶程序，并可在線實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)了車載破碎機(jī)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(jī)。下面以履帶行走為例說明實(shí)現(xiàn)方法。

根據(jù)PLC 的I/O 點(diǎn)分配，履帶行走控制程序中遠(yuǎn)程控制輸入信號分配為I0.1（右履帶前進(jìn)），I0.5（右履帶后退），I1.0（左履帶前進(jìn)），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(jìn)），I2.1（右履帶后退），I4.4（左履帶前進(jìn)），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(yuǎn)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(yuǎn)程控制方式時(shí)，禁止本地控制開關(guān)I5.5動作，禁止遠(yuǎn)程控制開關(guān)I3.1開關(guān)未操作，其常閉觸點(diǎn)仍處于閉合，當(dāng)I0.1閉合時(shí)，若此時(shí)已允許履帶工作，I4.1閉合，則右履帶前進(jìn)繼電器Q2.0將被驅(qū)動，右履帶前進(jìn)運(yùn)行；若使用本地控制方式時(shí)，I3.1開關(guān)常閉觸點(diǎn)斷開，I5.5未動作，當(dāng)I2.0閉合時(shí)，則同樣實(shí)現(xiàn)右履帶前進(jìn)。相關(guān)程序如圖4所示，該程序?qū)崿F(xiàn)了本地和遠(yuǎn)程、前進(jìn)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(shí)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(jì)算后輸出4～20 mA 的信號到變頻器，調(diào)節(jié)電機(jī)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(jī)實(shí)際控制需求，提出基于PLC 的解決方案，給出了總體設(shè)計(jì)方案，介紹了軟硬件實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。現(xiàn)場調(diào)試結(jié)果表明本系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，工作可靠，可供類似的工程機(jī)械控制系統(tǒng)參考。

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