基于嵌入式軟PLC的帶式輸送機控制系統設計

馮曉莉

摘要：根據帶式輸送機運行要求，軟PLC控制系統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梯形圖程序。本文通過對軟PLC系統的優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的軟硬件組成進行了相關探討。

關鍵詞：PLC控制系統;帶式輸送機;控制系統

引言

帶式輸送機因具有結構簡單、運送距離長、運輸量大以及連續運輸等特點，被廣泛應用在礦山、煤炭、糖廠等企業。國產傳統帶式輸送機控制系統主要采用硬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，控制系統比較分散，而且傳統的PLC構架是封閉的，系統的擴展性和移植性比較差，不利于控制系統的分散化和個性化發展。現在最先進的技術就是使用PLC（可編程控制器）控制系統完成自動化生產環節中設備的科學調度，PLC技術在煤礦帶式輸送機控制系統中的設計融合了系統自動化控制、設備監測及故障提醒的功能，目的在于提高煤炭的生產自動化，為安全高效生產提供了幫助。因此，為了改善傳統帶式輸送機的缺陷，采用軟PLC控制技術提高系統的自動化控制、設備監測及故障提醒等的功能。

一、軟PLC控制系統的優點

近年來，隨著計算機技術的迅猛發展以及PLC方面國際標準的制定，一項打破傳統PLC局限性的新興技術發展起來了，這就是軟PLC技術。

軟PLC的硬件體系結構不再封閉，用戶可以自己選擇合適的硬件組成滿足要求的軟PLC。

傳統PLC的指令集是固定的，而實際工業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PLC限制在幾家廠商生產，具有私有性，因此很難適應現有標準計算機網絡，常常是PLC與計算機處在不同類型的網絡中。軟PLC不僅能加入到已存在的私有PLC網絡中，而且可以加入到標準計算機網絡中。這使得現有計算機網絡的很多研究成果很容易地應用到PLC控制技術中。

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

二、PLC控制系統設計步驟

設計PLC應用系統時，首先是進行PLC應用系統的功能設計，即根據被控對象的功能和工藝要求，明確系統必須要做的工作和因此必備的條件。然后是進行PLC應用系統的功能分析，即通過分析系統功能，提出PLC控制系統的結構形式，控制信號的種類、數量，系統的規模、布局。最后根據系統分析的結果，具體的確定PLC的機型和系統的具體配置。

（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控制系統的控制要求。

（二）確定I/O設備。根據系統的控制要求，確定用戶所需的輸入（如行程開關、按鈕、選擇開關等）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。

（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。根據生產設備現場需要，確定控制按鈕，選擇開關、電磁閥、接觸器、信號指示燈等各種輸入輸出設備的型號、數量、規格;根據所選的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控制系統的設計周期，而對于繼電器系統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）聯機調試。聯機調試是指將模擬調試通過的程序進行在線統調。開始時，先不帶上輸出設備（信號指示燈、接觸器線圈等負載）進行調試。利用編程器的監控功能，分段調試。各部分都調試正常后，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整。通常只需修改部分程序即可，全部調試完畢后，交付試運行。經過一段時間運行，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的工作原理

（一）手動控制操作

采取手動控制操作，系統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，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工作，這就是正常啟動操作，在檢測到輸送帶上有煤的狀態時，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，控制人員能夠在控制機上啟動、停止設備。在系統進入自動控制操作后，自動開啟設備或者停止帶式輸送機，根據分布在監測點的數據匯總分析，對信號自動實現報警，在發生故障時，自動控制系統能發出維修警報，自動停止工作，同時在組態系統中創建維修日志，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，變頻器實現電機的開啟和關停，這些都能夠在主控界面顯示出來，在遇到輸送機控制系統出現故障和報警時，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硬件與軟件組成

（一）硬件組成

帶式輸送機控制系統硬件結構帶式輸送機由伺服電機、輸送帶、傳動滾筒、驅動裝置、制動裝置、拉緊裝置以及保護裝置等設備組成。經過尾部滾筒和傳動滾筒，輸送帶形成一個封閉的環形帶。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。電動機驅動滾筒，帶動傳輸帶，使傳輸帶在帶式輸送機中連續運動。過去的帶式輸送機控制系統大多采用硬PLC做控制器。傳統的硬PLC采用的是封閉式的硬件結構，而軟PLC結構是開放式的。在系統的設計過程中，不僅要保證控制系統的穩定性、可靠性，還要考慮系統以后的擴展性、二次開放性、開放性。所以嵌入式的控制系統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，也縮短了系統開發周期。根據帶式輸送機的結構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結構主要包括三個部分：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結構

軟PLC控制系統，是一種基于PC開放式構架，利用嵌入式硬件資源和軟件資源，來實現傳統硬PLC基本功能的控制系統。它既具有傳統PLC的快速性、可靠性、故障查找等優點，又具有計算機良好的開放性、兼容性，網絡通訊能力與處理數據的能力。軟PLC控制系統的結構包含兩個部分：編程系統和運行系統。編程系統的工作環境為pc機的操作系統。在編程系統中，結合IEC61131-3標準規定的編程語言，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的通信。

2、帶式輸送機軟PLC編程系統軟件設計

為提高程序的可讀性以及方便用戶維護，系統應用程序采用模塊化設計方法。分成數據采集、通訊以及數據輸出等功能模塊。以數據采集模塊為例，闡述其實現過程。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模數轉換芯片，在編程系統中設計一個AD7874數據采集模塊。而編程系統中主要是定義數據采集模塊的原型，具體實現部分需要由運行系統來完成。

3、帶式輸送機軟PLC運行系統軟件設計

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

任務來執行。因此運行系統設計過程中，先需完成vxworks操作系統在S3C2410微處理器中的移植，然后編寫功能模塊的驅動程序。在編程系統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，這樣實現外圍硬件與映像區的數據存取。

結束語

帶式輸送機通過應用PLC控制技術運行，簡化了設備運行的控制系統，整套系統運行穩定，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的沖擊影響。該控制系統已在多條井上和井下的帶式輸送機上使用，運行情況表明，控制系統安全可靠。

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