基于PLC的小車(chē)自動(dòng)配料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

延 龍 石憲紅 張凱麗 吝偉偉 張 月

（濱州職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，山東濱州 256600）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，自動(dòng)控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，基于西門(mén)子PLC的自動(dòng)控制系統(tǒng)獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展與應(yīng)用。利用PLC控制技術(shù)[1]、觸摸屏組態(tài)技術(shù)[2]以及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)[3]，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的大集成，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)小系統(tǒng)的獨(dú)立控制。

自動(dòng)運(yùn)料、配料等功能在很多工業(yè)生產(chǎn)中都有應(yīng)用。近年來(lái)，對(duì)小車(chē)運(yùn)料控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)層出不窮，錢(qián)巍設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種小車(chē)自動(dòng)運(yùn)料往返的功能[4]，張強(qiáng)采用西門(mén)子1200 PLC實(shí)現(xiàn)了小車(chē)自動(dòng)運(yùn)料的功能[5]。雖然對(duì)小車(chē)運(yùn)料的研究眾多，但是對(duì)用料自動(dòng)檢測(cè)的自動(dòng)配料系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究還不夠全面和深入。本文所述小車(chē)自動(dòng)配料系統(tǒng)是一種基于西門(mén)子S7-1500 PLC的過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全自動(dòng)完成工作任務(wù)、自動(dòng)報(bào)警等諸多功能，提高了生產(chǎn)效率。

1 小車(chē)自動(dòng)配料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

小車(chē)自動(dòng)配料控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)主要由運(yùn)料小車(chē)、儲(chǔ)料箱、卸料電磁閥KG、卸料箱、按鈕SB1～SB5、行程開(kāi)關(guān)SQ1～SQ6、限位開(kāi)關(guān)X1～X4以及料位計(jì)LW1～LW3等部分組成。

圖1 小車(chē)自動(dòng)配料控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 小車(chē)自動(dòng)配料控制系統(tǒng)的功能

1.1.1 自動(dòng)模式

操作啟動(dòng)按鈕SB1，投入系統(tǒng)自動(dòng)模式。

（1）用料需求檢測(cè)：通過(guò)卸料箱的下限位開(kāi)關(guān)X2或X4來(lái)檢測(cè)卸料箱內(nèi)的物料。當(dāng)物料低于下限位開(kāi)關(guān)后，下限位開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，同時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)系統(tǒng)裝料。

（2）裝料：當(dāng)卸料箱1或卸料箱2有用料需求且小車(chē)停在SQ1處時(shí)，打開(kāi)電磁閥KG進(jìn)行裝料。

（3）小車(chē)右移：裝料完成后，電磁閥關(guān)閉，然后自動(dòng)啟動(dòng)小車(chē)向右移動(dòng)。

（4）小車(chē)卸料：卸料分三種情況，如果卸料箱1發(fā)出用料需求，那么小車(chē)會(huì)停在SQ2處進(jìn)行卸料；如果卸料箱2發(fā)出用料請(qǐng)求，那么小車(chē)會(huì)停在SQ3處進(jìn)行卸料；如果卸料箱1和2均有用料請(qǐng)求，那么小車(chē)會(huì)首先完成卸料箱2的用料請(qǐng)求，然后再響應(yīng)卸料箱1的用料請(qǐng)求。

（5）小車(chē)左移：當(dāng)小車(chē)完成卸料后，自動(dòng)返回SQ1處停止。如果卸料箱物料沒(méi)有超過(guò)上限位開(kāi)關(guān)，則繼續(xù)運(yùn)料，否則停止運(yùn)料，等待下一次用料請(qǐng)求。

（6）小車(chē)吹洗：當(dāng)小車(chē)左移經(jīng)過(guò)SQ6時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)吹洗功能，完成小車(chē)不停車(chē)的車(chē)斗和車(chē)身清潔功能。

1.1.2 手動(dòng)模式

操作按鈕SB1切除自動(dòng)模式。按下按鈕SB3，小車(chē)可以手動(dòng)左移；按下按鈕SB4，小車(chē)可以手動(dòng)右移。當(dāng)小車(chē)故障，未停在SQ1處時(shí)，選用手動(dòng)模式讓小車(chē)歸位。

1.1.3 安全保護(hù)功能

當(dāng)SQ1故障時(shí)，小車(chē)會(huì)越過(guò)SQ1在SQ4處停止，SQ4被用作左移超限保護(hù)。當(dāng)SQ3故障時(shí)，小車(chē)會(huì)越過(guò)SQ3在SQ5處停止，SQ5被用作右移超限保護(hù)。料位計(jì)LW1、LW2和LW3可以分別實(shí)時(shí)顯示儲(chǔ)料箱、卸料箱1和2的物料多少，運(yùn)行人員可以及時(shí)查看，以防卸料箱下限位或上限位故障，導(dǎo)致卸料箱物料缺失或溢出。

1.1.4 停止和急停

按下停止按鈕SB2，小車(chē)回到原位SQ1處后停止系統(tǒng)運(yùn)行。按下急停按鈕SB5，系統(tǒng)斷電，立即全部停止運(yùn)行。

1.2 硬件選型

本系統(tǒng)使用西門(mén)子CPU1516-3PN/DP作為控制器，數(shù)字量輸入、輸出模塊和模擬量輸入模塊分別為DI16×24V DC HF、DQ16×24V DC/0.5A HF和AI8×U/I HF，可以滿足工業(yè)級(jí)的生產(chǎn)環(huán)境要求。選用西門(mén)子觸摸屏7寸精智版本TP700 Comfort進(jìn)行畫(huà)面組態(tài)仿真，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行人員查看和操作的功能，分辨率高，實(shí)時(shí)性好。料位計(jì)選用高頻雷達(dá)固體料位計(jì)。行程開(kāi)關(guān)SQ1～SQ6選用金屬感應(yīng)接近開(kāi)關(guān)，限位開(kāi)關(guān)X1～X4選用物體感應(yīng)接近開(kāi)關(guān)。系統(tǒng)硬件設(shè)備尤其是輸入、輸出模塊要留有備用通道，便于后期的檢修維護(hù)和系統(tǒng)功能擴(kuò)展。用工業(yè)以太網(wǎng)線和交換機(jī)將工控機(jī)PC、PLC和觸摸屏連接成一個(gè)局域網(wǎng)。

1.3 PLC硬件IO設(shè)備地址分配和連接

S7-1500 PLC輸入、輸出變量地址分配如表1所示，按照表1進(jìn)行線路連接，數(shù)字量輸入設(shè)備連接到模塊DI16×24V DC HF，數(shù)字量輸出設(shè)備連接到模塊DQ16×24V DC/0.5A HF，模擬量輸入料位計(jì)LW1～LW3連接到PLC模擬量輸入模塊AI8×U/I HF。

表1 S7-1500 PLC變量表

2 控制程序設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)使用博途TIA Portal軟件進(jìn)行編程，博途軟件不僅適合S7-1200和S7-1500系列PLC程序的編寫(xiě)，而且可以進(jìn)行觸摸屏的畫(huà)面組態(tài)。

小車(chē)自動(dòng)配料程序按照順序編程法進(jìn)行梯形圖程序的編寫(xiě)。按照控制功能進(jìn)行模塊化程序劃分，程序主要包括手自動(dòng)切換子程序、兩個(gè)卸料箱用料需求檢測(cè)子程序、裝料子程序、右移子程序、卸料子程序、左移子程序、吹洗子程序和數(shù)值顯示子程序等，主要子程序如圖2、圖3 和圖4所示。程序通過(guò)調(diào)試，編譯下載至S7-1500 PLC即可自動(dòng)運(yùn)行。

圖2 手自動(dòng)切換和兩個(gè)卸料箱用料需求檢測(cè)子程序

圖3 小車(chē)裝料和右移子程序

圖4 小車(chē)卸料、左移和吹洗子程序

3 仿真結(jié)果

通過(guò)觸摸屏進(jìn)行控制系統(tǒng)的仿真，使用博途軟件進(jìn)行畫(huà)面組態(tài)，仿真畫(huà)面如圖5所示。仿真中，小車(chē)裝料、卸料、左移、右移和吹洗等均用指示燈表示，系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止、手動(dòng)左移、手動(dòng)右移按鈕以及行程開(kāi)關(guān)SQ1～SQ6用觸摸屏中的按鈕表示，按下接通一次，松開(kāi)自動(dòng)斷開(kāi)。系統(tǒng)的急停按鈕按下后始終保持接通狀態(tài)。卸料箱的上下限位開(kāi)關(guān)分為接通和斷開(kāi)兩部分，點(diǎn)擊接通會(huì)保持接通，點(diǎn)擊斷開(kāi)會(huì)保持?jǐn)嚅_(kāi)。

圖5 小車(chē)配料控制系統(tǒng)仿真畫(huà)面

使用博途軟件啟動(dòng)S7-1500 PLC的仿真，啟動(dòng)觸摸屏的畫(huà)面仿真，仿真結(jié)果如下：

仿真1：小車(chē)向卸料箱1配料模擬仿真。

假設(shè)卸料箱1物料高度在下限位之下（手動(dòng)強(qiáng)制卸料箱1下限位開(kāi)關(guān)斷開(kāi)），點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕投入自動(dòng)模式，系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)到卸料箱1缺少物料，進(jìn)而啟動(dòng)裝料，裝料指示燈變紅，然后小車(chē)右移，右移指示燈變紅，點(diǎn)擊SQ2閉合一次，開(kāi)始卸料，卸料指示燈變紅。卸料完成小車(chē)左移，左移指示燈變紅。小車(chē)左移過(guò)程中，小車(chē)觸發(fā)SQ6閉合一次，可以進(jìn)行車(chē)斗的吹洗。小車(chē)循環(huán)往復(fù)運(yùn)行，直到物料料位高于上限位開(kāi)關(guān)（手動(dòng)強(qiáng)制卸料箱1上限位接通），小車(chē)回原位SQ1處停止，等待新的用料請(qǐng)求。

仿真2：小車(chē)向卸料箱2配料模擬仿真。

假設(shè)卸料箱2物料高度在下限位之下（手動(dòng)強(qiáng)制卸料箱2下限位開(kāi)關(guān)斷開(kāi)），點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕投入自動(dòng)模式，系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)到卸料箱2缺少物料，進(jìn)而啟動(dòng)小車(chē)裝料，其他工作原理同仿真1。

仿真3：兩個(gè)卸料箱同時(shí)缺料模擬仿真。

當(dāng)兩個(gè)卸料箱同時(shí)出現(xiàn)缺料情況，小車(chē)會(huì)首先響應(yīng)卸料箱2的用料請(qǐng)求，然后再完成卸料箱1的用料請(qǐng)求。通過(guò)仿真，可以實(shí)現(xiàn)所有的控制功能，自動(dòng)快速，節(jié)省人力，提高生產(chǎn)效率。

另外，應(yīng)根據(jù)實(shí)際用料速度，選擇合適位置合理安裝卸料箱的限位開(kāi)關(guān)。兩個(gè)卸料箱的下限位開(kāi)關(guān)安裝位置不宜過(guò)低，上限位開(kāi)關(guān)不宜過(guò)高，以免出現(xiàn)小車(chē)給卸料箱2配料過(guò)程中卸料箱1已經(jīng)徹底缺料的情況，影響其他工序的進(jìn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、編程和仿真，實(shí)現(xiàn)了小車(chē)自動(dòng)配料的控制功能，節(jié)省了人力，提高了生產(chǎn)效率。小車(chē)配料系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)普通的配料需要，還具有擴(kuò)展功能，可以推廣到火力發(fā)電廠自動(dòng)配煤等系統(tǒng)中使用。卸料箱改造成原煤倉(cāng)，裝料箱儲(chǔ)存煤粉，通過(guò)程序的修改調(diào)試，便可用于原煤倉(cāng)自動(dòng)配煤系統(tǒng)。