PLC控制的自动装车系统设计

【摘要】根据现有煤矿装车系统的特点，提出自动化改造方案。采用S7-200系列PLC和PC机实现对整个装车过程的自动控制。通过PC机与PLC、PC机与工控以及PC机与现场仪表的通信实现PC对PLC装车系统的实时控制。通过对整个装车流程的分析，用梯形图程序编写了通信模块、数据转换、加煤过程、状态代码传送过程以及装车精度控制等程序。实验室的仿真结果证明了此装车系统的设计可以达到提出的技术指标要求，能够可靠、准确地实时监测和记录装车过程中的运行状况，并具有记录、查询等功能，解决了放料、传输、装载等环节的问题。实践证明：装车过程的效率和自动化程度都达到了提高，成功实现了对装车系统的自动控制。自动化控制领域的飞速发展给煤碳、电力、通信等行业带来了很大的经济效益。

【关键词】PLC;装车系统;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 课题的来源

老式的煤矿装车系统多为手动操作，操作人员根据目测轨道的读数进行对装煤车的控制。整个装车过程均为人为控制，所以装车亏载和过载现象严重、速度慢、系统操作复杂、劳动强度大、劳动环境差，不但给企业带来了巨大经济损失，对工人的健康也产生了很大的损害。因此，煤矿装车系统的自动化程度高低直接影响装车的精度和速度，是煤矿生产中重要的一个环节。科学技术的发展带动了装车系统的改进。目前，可以通过单片机、PLC、FPGA实现自动控制系统的设计。综合单片机、PLC、FPGA的设计特点，从成本讲：用单片机系统设计便宜，从检修角度讲：用PLC更方便，因为单片机需要懂C语言的人，一般人就是会编程也不容易读懂，而且有的单片机系统设置了密码，根本看不到内容。PLC是通用控制器，懂得人很多，检修调试都方便。PLC的通用性、可靠性、检修快速性、抗干扰能力强、安全性都很好。因此，用PLC来设计自动控制装车系统，解决了放料、传输、装载等环节的问题，实现了自动化。通过PLC实现自动装车系统的设计比较好。

1.2 相关领域的国内外发展现状和趋势

PLC相对单片机自行开发的系统而言，首先在软件上多了一套可编程逻辑语言，方便将梯形图转换为控制指令，其次在硬件上集成了电源电路，加强了抗干扰措施，更适合工业环境使用。小型PLC技术发展趋势：小型PLC从产生到现在，实现了接线逻辑到存储逻辑的飞跃;其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步;如今的小型PLC在编程，IO扩展，通讯接口，开关量和模拟量的调节以及一些特殊功能模块如高速计数输入和脉冲输出的应用上已经能基本满足用户的需求。但随着应用需求及关联产品技术性能的提升（如步进驱动的脉冲响应频率及精度，HMI及关联系统的通讯功能），PLC将继续得以完善和发展。未来几年，各厂商会应客户要求，针对小型PLC，将从运动控制功能和通讯功能等方面进行功能强化。

2.需求分析及硬件设计

2.1 需求分析

根据某煤矿提出的的技术改进项目，做出设计。通过PLC控制自动装车系统。指标如下：（1）每辆车装煤25吨，装煤精度达到千分之四;（2）装车系统的设计应满足现场的需求，现场有前后红外栅栏，通过传感器实现对加煤车位置的监测。并通过现场交通控制灯的亮灭情况显示加煤车位置和装车进度。（3）控制系统自动化程度要高，通过PC机和工控、PC机和称重仪表之间的实时通信使整个装车的运行均在程序控制下进行。系统上电后即可进入全自动控制的运行状态，煤矿技术人员只需实时观察PC机上的数据就可明白现场的装车状态;（4）在不影响煤矿安全生产的前提下，每辆车的加煤控制时间要尽可能的短;（5）装车控制系统检测和排查系统的故障能力要高，能够对装车现场各种可能的人为或非人为的因素导致的装车系统的干扰进行实时、巧妙地监控、排除，减少现场的突发事故给企业带来的损失。

2.2 基本硬件结构框图分析

图2-1 基本硬件结构原理框图

基本硬件结构原理框图如图2-1所示。

（1）输入部分

输入信号包括通过RS-485数据线传输的信号和通过技术人员输入的数据。通过RS-485数据线传输的信号包括：称重仪表数据、红外栅栏传感器信号通过端口0实现信号传输。通过技术人员输入的数据包括：装车数据和装车状态请求信号。

（2）输出信号

输出信号包括：交通灯控制信号、开关打开控制信号以及关闭开关控制信号。

（3）工控机和PC机通信

工控机和PC机之间是通过端口1进行的双向通讯方式，装车系统启动后工控发送每辆车的加煤数据和装车状态请求信号给PC机。PC机接收到公控发来的数据后，经过检测、计算后通过XMT指令将数据传送给工控机。

（4）S7-200供电

提供直流供电和交流供电两种CPU模块的连线方式。在安装和拆除任何电气设备之前必须确认该设备的电源已断开。

3.软件设计

S7-200用户程序中包括了位逻辑、计数器、定时器、复杂数学运算以及其它智能模块通讯等指令内容，从而使它能够监视输入状态，改变输出状态以达到控制目的。

3.1 程序设计部分

整个装车过程的流程控制如图3-1所示：启动上电开关后，装煤车开始前进，当经过红外栅栏1时，通过1号显示灯显示车的位置，当车经过红外栅栏2时，2号灯亮起。当加煤车到达加煤位置时，三号灯亮，同时启动T34的10秒定时。当定时到时，在确定要执行加煤操作后启动加煤开关，执行加煤精度控制部分。当仪表上显示的数字达到预定值时，关闭加煤开关，并启动新的定时器T33。当T33的十秒定时到时，装车完毕的指示灯亮，装煤车此时离开加煤位置，同时关闭1号、2号和三号灯，下一步判断是否进行连续加煤装车的操作，在相应的判断条件下执行相应的操作。整个装车控制过程要求每辆加煤车装煤25吨，装车精度达到千分之四，并且能够实现安全可靠的自动装车控制。程序设计部分按照分块设计的思想，将装车控制过程分成：PC机与仪表及PC机与工控之间的通讯、装车过程、数据转换、状态代码传送过程、装车精度控制五个程序块。

图3-1 整个装车过程流程图

图3-2 装车过程部分程序

3.2 PC机与仪表及PC机与工控之间通信

使用自由口模式控制串行通讯口，可以实现PC机与工控和PC机与仪表之间的实时通信。通信设置说明：初始化自由口，选择9600波特、8位数据位、无校验。初始化RCV信息控制字节，RCV使能、忽略中断检测起始字符、检测信息结束字符、检测空闲线信息条件。设定信息结束字符为16#3D（=）。设置空闲线超时为5ms、设置字符数为16。通过设置连接中断0、中断1还有中断2，允许执行中断，实现接收和发送的分时执行功能，接收缓冲区指向VB100。

3.3 装车过程

装车过程梯形图程序如图3-2所示。程序通过相应的控制位的状态实现对加煤装置的控制，装车状态共四个：等待加煤Q0.7、启动加煤Q0.4、正在加煤Q1.0、完成加煤Q0.6。

3.4 数据转换

通过端口1接收并处理工控发来的数据。通过端口1从VB100开始接收从工控发来的16位数据，如果接收到的数据中VB104地址中的数值是状态请求代码值24，则程序进入发送装车状态的数据发送状态。当接收到的VB114地址中的数值不是24，则根据程序设计控制过程，通过对V179.0地址位的置1操作，执行对工控发来的加煤重量的计算和回传发送。为了避免内存在变换数值时对存储地址中数值的影响，程序将对从VB109开始到VB114接收到的数据通过WAND_B指令后得到所需的数据，再通过B_I、MUL_I、MOV_B、I_DI指令分别将数据进行相关运算后存入VD500、VD600、VD700、VD800、VD900中。最后通过加法指令ADD_I将要显示的最终数据送入VD1111中。这就完成了从接收数据到数据转换并显示的全过程。通过端口0接收并处理仪表发来的数据，数据存入VD940中。

图3-3 装车系统状态代码传送指令

图3-4 装车精度控制部分

3.5 状态代码传送过程

代码传送过程如图3-3所示，VB71中存装好煤状态10代码表示。VB72中存是否等待装车状态20代码表示。VB73中存紧急停止状态否30代码表示。VB74中存开关走向闭合40代码表示。VB75中存开关走向打开50代码表示。

3.6 装车精度控制

装车精度控制部分的程序如图3-4所示，装车精度控制部分的重点是在控制程序部分合理的选择精度控制数据，表3-1给出了以每辆车装煤25吨，精度控制在千分之四内（即精度在50千克以内）的装车控制过程中计算比较的数据。

表4-1中的1.7指的是当开关在当前X系数决定的加煤量的情况下执行关闭开关至完全闭合时，此段时间内加煤量大约在1.7吨左右。在精度控制过程中，选择了VD1115、VD1119、VD1123三个存储地址。VD1115中存X等于2.0时对应的12.50吨、VD1119中存X等于1.3时对应的19.23吨、VD1123中存X等于1.073时对应的23.299吨。当加煤质量小于VD1115中的数值时，开关处于往大的开状态。当加煤质量大于VD1115且小于VD1119中的数值时，开关处于往小关的状态。当加煤质量大于VD1119且小于VD1123中的数值时，开关大小保持不变。当加煤质量大于VD1123中的数值时，开关关闭至完全合闭。通过理论计算得出控制精度可达到1千克。