PLC控制的自動裝車系統設計

茹艷軍

【摘要】根據現有煤礦裝車系統的特點，提出自動化改造方案。采用S7-200系列PLC和PC機實現對整個裝車過程的自動控制。通過PC機與PLC、PC機與工控以及PC機與現場儀表的通信實現PC對PLC裝車系統的實時控制。通過對整個裝車流程的分析，用梯形圖程序編寫了通信模塊、數據轉換、加煤過程、狀態代碼傳送過程以及裝車精度控制等程序。實驗室的仿真結果證明了此裝車系統的設計可以達到提出的技術指標要求，能夠可靠、準確地實時監測和記錄裝車過程中的運行狀況，并具有記錄、查詢等功能，解決了放料、傳輸、裝載等環節的問題。實踐證明：裝車過程的效率和自動化程度都達到了提高，成功實現了對裝車系統的自動控制。自動化控制領域的飛速發展給煤碳、電力、通信等行業帶來了很大的經濟效益。

【關鍵詞】PLC;裝車系統;S7-200

According：to the characteristics of the existing coal loading systems，automation proposed reform program. With S7-200 series PLC and PC，to achieve automatic control of the entire loading process. Through the PC，and PLC，PC and PC-machine and industrial communication with field instrumentation to achieve PC loading system on the PLC real-time control. Through the analysis of the entire loading process，with the Ladder written communication module，data conversion，adding coal，a status code of the transmission process and the loading accuracy control procedures. Labs Simulation results show that loading system of the design can meet the technical index requirements，can be as accurate as real-time tests and accuracy of loadingsystem. The Function and have accuracy，searching so，solve the discharge，transmission，load and other aspects of the problem. Practice has proved that： loading process efficiency and automation have reached the higher loading was achieved on Automatic Control. The rapid development of the field of automatic control for coal，electricity，telecommunications and other industries has brought great economic benefits.

Keywords：PLC;Loadingsystem;S7-200

1.背景的提出

1.1 課題的來源

老式的煤礦裝車系統多為手動操作，操作人員根據目測軌道的讀數進行對裝煤車的控制。整個裝車過程均為人為控制，所以裝車虧載和過載現象嚴重、速度慢、系統操作復雜、勞動強度大、勞動環境差，不但給企業帶來了巨大經濟損失，對工人的健康也產生了很大的損害。因此，煤礦裝車系統的自動化程度高低直接影響裝車的精度和速度，是煤礦生產中重要的一個環節。科學技術的發展帶動了裝車系統的改進。目前，可以通過單片機、PLC、FPGA實現自動控制系統的設計。綜合單片機、PLC、FPGA的設計特點，從成本講：用單片機系統設計便宜，從檢修角度講：用PLC更方便，因為單片機需要懂C語言的人，一般人就是會編程也不容易讀懂，而且有的單片機系統設置了密碼，根本看不到內容。PLC是通用控制器，懂得人很多，檢修調試都方便。PLC的通用性、可靠性、檢修快速性、抗干擾能力強、安全性都很好。因此，用PLC來設計自動控制裝車系統，解決了放料、傳輸、裝載等環節的問題，實現了自動化。通過PLC實現自動裝車系統的設計比較好。

1.2 相關領域的國內外發展現狀和趨勢

PLC相對單片機自行開發的系統而言，首先在軟件上多了一套可編程邏輯語言，方便將梯形圖轉換為控制指令，其次在硬件上集成了電源電路，加強了抗干擾措施，更適合工業環境使用。小型PLC技術發展趨勢：小型PLC從產生到現在，實現了接線邏輯到存儲邏輯的飛躍;其功能從弱到強，實現了邏輯控制到數字控制的進步;如今的小型PLC在編程，IO擴展，通訊接口，開關量和模擬量的調節以及一些特殊功能模塊如高速計數輸入和脈沖輸出的應用上已經能基本滿足用戶的需求。但隨著應用需求及關聯產品技術性能的提升（如步進驅動的脈沖響應頻率及精度，HMI及關聯系統的通訊功能），PLC將繼續得以完善和發展。未來幾年，各廠商會應客戶要求，針對小型PLC，將從運動控制功能和通訊功能等方面進行功能強化。

2.需求分析及硬件設計

2.1 需求分析

根據某煤礦提出的的技術改進項目，做出設計。通過PLC控制自動裝車系統。指標如下：（1）每輛車裝煤25噸，裝煤精度達到千分之四;（2）裝車系統的設計應滿足現場的需求，現場有前后紅外柵欄，通過傳感器實現對加煤車位置的監測。并通過現場交通控制燈的亮滅情況顯示加煤車位置和裝車進度。（3）控制系統自動化程度要高，通過PC機和工控、PC機和稱重儀表之間的實時通信使整個裝車的運行均在程序控制下進行。系統上電后即可進入全自動控制的運行狀態，煤礦技術人員只需實時觀察PC機上的數據就可明白現場的裝車狀態;（4）在不影響煤礦安全生產的前提下，每輛車的加煤控制時間要盡可能的短;（5）裝車控制系統檢測和排查系統的故障能力要高，能夠對裝車現場各種可能的人為或非人為的因素導致的裝車系統的干擾進行實時、巧妙地監控、排除，減少現場的突發事故給企業帶來的損失。

2.2 基本硬件結構框圖分析

圖2-1 基本硬件結構原理框圖

基本硬件結構原理框圖如圖2-1所示。

（1）輸入部分

輸入信號包括通過RS-485數據線傳輸的信號和通過技術人員輸入的數據。通過RS-485數據線傳輸的信號包括：稱重儀表數據、紅外柵欄傳感器信號通過端口0實現信號傳輸。通過技術人員輸入的數據包括：裝車數據和裝車狀態請求信號。

（2）輸出信號

輸出信號包括：交通燈控制信號、開關打開控制信號以及關閉開關控制信號。

（3）工控機和PC機通信

工控機和PC機之間是通過端口1進行的雙向通訊方式，裝車系統啟動后工控發送每輛車的加煤數據和裝車狀態請求信號給PC機。PC機接收到公控發來的數據后，經過檢測、計算后通過XMT指令將數據傳送給工控機。

（4）S7-200供電

提供直流供電和交流供電兩種CPU模塊的連線方式。在安裝和拆除任何電氣設備之前必須確認該設備的電源已斷開。

3.軟件設計

S7-200用戶程序中包括了位邏輯、計數器、定時器、復雜數學運算以及其它智能模塊通訊等指令內容，從而使它能夠監視輸入狀態，改變輸出狀態以達到控制目的。

3.1 程序設計部分

整個裝車過程的流程控制如圖3-1所示：啟動上電開關后，裝煤車開始前進，當經過紅外柵欄1時，通過1號顯示燈顯示車的位置，當車經過紅外柵欄2時，2號燈亮起。當加煤車到達加煤位置時，三號燈亮，同時啟動T34的10秒定時。當定時到時，在確定要執行加煤操作后啟動加煤開關，執行加煤精度控制部分。當儀表上顯示的數字達到預定值時，關閉加煤開關，并啟動新的定時器T33。當T33的十秒定時到時，裝車完畢的指示燈亮，裝煤車此時離開加煤位置，同時關閉1號、2號和三號燈，下一步判斷是否進行連續加煤裝車的操作，在相應的判斷條件下執行相應的操作。整個裝車控制過程要求每輛加煤車裝煤25噸，裝車精度達到千分之四，并且能夠實現安全可靠的自動裝車控制。程序設計部分按照分塊設計的思想，將裝車控制過程分成：PC機與儀表及PC機與工控之間的通訊、裝車過程、數據轉換、狀態代碼傳送過程、裝車精度控制五個程序塊。

圖3-1 整個裝車過程流程圖

圖3-2 裝車過程部分程序

3.2 PC機與儀表及PC機與工控之間通信

使用自由口模式控制串行通訊口，可以實現PC機與工控和PC機與儀表之間的實時通信。通信設置說明：初始化自由口，選擇9600波特、8位數據位、無校驗。初始化RCV信息控制字節，RCV使能、忽略中斷檢測起始字符、檢測信息結束字符、檢測空閑線信息條件。設定信息結束字符為16#3D（=）。設置空閑線超時為5ms、設置字符數為16。通過設置連接中斷0、中斷1還有中斷2，允許執行中斷，實現接收和發送的分時執行功能，接收緩沖區指向VB100。

3.3 裝車過程

裝車過程梯形圖程序如圖3-2所示。程序通過相應的控制位的狀態實現對加煤裝置的控制，裝車狀態共四個：等待加煤Q0.7、啟動加煤Q0.4、正在加煤Q1.0、完成加煤Q0.6。

3.4 數據轉換

通過端口1接收并處理工控發來的數據。通過端口1從VB100開始接收從工控發來的16位數據，如果接收到的數據中VB104地址中的數值是狀態請求代碼值24，則程序進入發送裝車狀態的數據發送狀態。當接收到的VB114地址中的數值不是24，則根據程序設計控制過程，通過對V179.0地址位的置1操作，執行對工控發來的加煤重量的計算和回傳發送。為了避免內存在變換數值時對存儲地址中數值的影響，程序將對從VB109開始到VB114接收到的數據通過WAND_B指令后得到所需的數據，再通過B_I、MUL_I、MOV_B、I_DI指令分別將數據進行相關運算后存入VD500、VD600、VD700、VD800、VD900中。最后通過加法指令ADD_I將要顯示的最終數據送入VD1111中。這就完成了從接收數據到數據轉換并顯示的全過程。通過端口0接收并處理儀表發來的數據，數據存入VD940中。

圖3-3 裝車系統狀態代碼傳送指令

圖3-4 裝車精度控制部分

3.5 狀態代碼傳送過程

代碼傳送過程如圖3-3所示，VB71中存裝好煤狀態10代碼表示。VB72中存是否等待裝車狀態20代碼表示。VB73中存緊急停止狀態否30代碼表示。VB74中存開關走向閉合40代碼表示。VB75中存開關走向打開50代碼表示。

3.6 裝車精度控制

裝車精度控制部分的程序如圖3-4所示，裝車精度控制部分的重點是在控制程序部分合理的選擇精度控制數據，表3-1給出了以每輛車裝煤25噸，精度控制在千分之四內（即精度在50千克以內）的裝車控制過程中計算比較的數據。

表4-1中的1.7指的是當開關在當前X系數決定的加煤量的情況下執行關閉開關至完全閉合時，此段時間內加煤量大約在1.7噸左右。在精度控制過程中，選擇了VD1115、VD1119、VD1123三個存儲地址。VD1115中存X等于2.0時對應的12.50噸、VD1119中存X等于1.3時對應的19.23噸、VD1123中存X等于1.073時對應的23.299噸。當加煤質量小于VD1115中的數值時，開關處于往大的開狀態。當加煤質量大于VD1115且小于VD1119中的數值時，開關處于往小關的狀態。當加煤質量大于VD1119且小于VD1123中的數值時，開關大小保持不變。當加煤質量大于VD1123中的數值時，開關關閉至完全合閉。通過理論計算得出控制精度可達到1千克。