基于PLC的火车自动装料控制系统设计

摘要：本文对火车自动装料系统作了介绍。从节省人力资源以及安全运行出发，以plc电路控制方式，介绍了自动装料控制系统的工作原理及PLC控制系统。在分析火车自动装料的工作流程的基础上，给出了PLC控制系统的硬件和软件设计。自动装料控制系统的基本控制策略是：采用可编程控制器（PLC）构成控制系统，进行优化控制，完成装料的自动控制。系统的控制过程是：由料位的高度计算出闸门的理想位置，再与反馈的闸门的实际位置进行比较，其差值运算处理后，发出控制指令，控制闸门的开度与动作速度，从而达到整个装料过程的全自动运行。

关键词：PLC 可编程序控制器 自动装料

中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）01-0001-03

1 设计背景

本设计取材于某控制系统工程实例。我们依据火车牵引放矿的工艺，采用超声波料位检测，准确及时反映车厢内的矿石装载情况；配置位置开关，随时掌握火车运行速度和位置。在此基础上设计了液压控制系统，用位移传感器检测闸门开度，用电液比例阀连续的按比例的调节系统参数，使闸门开关速度和开度连续可调，为整个系统实现闭环控制、全自动运行打下了基础。系统中多采用进口元件，满足工矿条件要求。整个控制系统采用PLC实现放矿工艺的控制（包括供电、检测、液压）。

2 工艺流程

整个工艺流程可如图1所示，利用光电传感器对矿车位置进行准确定位，并在开始放矿后，根据火车的运行速度、放矿机与火车的相对位置、放矿机与车厢内矿石的相对高度，找出优化算法，适时调整放矿机闸门开度，实现全自动放矿及整个工作循环。理想状态是三台放矿机同时工作，完成工作循环。

3 控制方案

在本系统中放矿机共有四扇闸门，在正常工作时只有指状闸和辅助闸是动作的。辅助闸由电磁阀控制，也就是说只控制其开度，而不控制其开关闸的速度。指状阀由比例阀控制，所以既要控制其开度，又要控制开闸的速度。这既是我们系统设计的难点，也是关键。根据现场实际情况，以放矿时火车是否在移动，而设计了两种控制方案。简单的讲，一种是“全自动”；另一种是“半自动”。下面对两种控制方案进行介绍。

方案1——全自动。

火车由牵引系统牵引进入放矿点后，由牵引系统送信给PLC。火车不停车，改用低速v前进，光电开关检测到火车后，开始放矿（如图2所示）。由超声波物料检测检测料位，将信号传送至PLC，同PLC还要对火车的速度进行信号采集，根据料位的上升速度和火车的速度来决定放矿机的闸门开度。火车经过结束放矿点后，放矿机停止放矿。这种方式的优点在于整个过程中火车不停，边走边放，效率高。但是控制模型的建立较为复杂，而且需要大量的传感器，硬件成本也过高。

方案2——半自动。

依据实际车厢的长度及相邻两节车厢间的跨度将车厢分为六等份，每一等份与相邻两节车厢间的跨距相同，均为1米。（如图3所示）由牵引系统将火车火车牵引到达指定的放矿点后，把“开始放矿”信号送如PLC。火车停车，然后开始放矿，由超声波检测料位，若达到指定的高度，火车继续前进一个固定的距离，再停车放矿，重复前面的步骤，直到把整节车厢放满后，放矿机闸门关闭。这样边停边放。这种方案的优点在于，控制简单有效，便于维护；缺点在于效率不够高。

在这两种方案中，设计采用了半自动的控制方案，利用料位传感器和位移传感器采集来的信号，通过一定的控制算法，实现工艺要求。依据自动控制原理，画出其系统的结构图，如图4所示。

4 系统硬件设计

本控制系统主机设计，将采用PLC来完成控制，当然也可以采用单片机完成。之所以采用PLC来完成该设计是由于：

（1）PLC更注重于工业应用，对于抗干扰、设备接口、联网、模块化都有完善的技术支撑，使用更简单，可在较恶劣的环境工作。而单片机虽然技术含量高，使用灵活但是工作量很大，对于抗干扰、模块化要求低。单片机更适用于教学和与开发消费电子、商业应用电子、玩具、家用等小功率电子及电器设备。

（2）PLC可以控制大容量的触点，比如电机，灯光，变频器。单片机可以说是一个芯片，基本是控制电子、弱电等方面较多，而本系统属于强电且工作环境恶劣复杂。

从图5中可以看出，PLC是系统硬件的核心。作为控制器，它集信号采集、控制运算和程序执行等功能于一身。PLC工作开始从传感器中读取料位高度、闸门开度等信号，通过算法计算，向液压站发出控制指令，液压站工作并推动指状闸和辅助闸，实现了放矿。同时，PLC还通过压力传感器和温度传感器监测液压站内部的压力与温度，保证液压站的可靠运行。

5 系统软件设计

在本系统中，有3台放矿机，考虑到在有些情况下需要手动运行。所以在PLC运行的开始需要进行手动模式与自动模式选择，在自动模式中设定了六种工作模式，从本质上说，六种工作模式就是三台放矿机不同工作情况的组合，譬如自动模式4是放矿机1和放矿机2同时工作。

在放矿的过程中依据料位高度的变化，而即使调整闸门的开度是软件设计的核心，设计中采用的是比例控制。设料位高度为H，闸门实际位置为L，闸门理想位置为L1，根据工艺流程的要求，我们可以发现在L1和H之间有这样的关系，即L1H，直线与横坐标的交点到坐标（0，0）的这段距离在实际中是放矿机口到车厢顶部的距离，如图6所示。

我们可以将AD模块进行偏移设置，使L1和H得关系变得简单一些，从而易于控制，如图7所示。

这是我们假设当H为最大值时（即车厢为空时），闸门应为全开位置的一半，这是为了便于控制，谨防出现调节失控的现象。依据这一想法，我们可以认为L1和H之间有这样的关系：

同时，我们利用位移传感器可以测得闸门的实际位置L，将实际位置L与理想位置L1做差，会有如下关系：

L1-L>0，表示理想位置大于实际位置，应该开闸

L1-L=0，表示理想位置等于实际位置，应该停止不动

L1-L

在结合电液比例调节阀的工作原理，输入正电压时开闸，输入负电压时关闸，输入为0时停止。并且输入的正电压越大，则开闸的速度越快，输入的负电压越大，则关闸的速度越快。设输入电压为U，那么在U和L1-L只有这样的关系：UL1-L，依据这一想法，我们可以认为L1和H之间有这样的关系：

根据等式1与等式2我们可以推导出这样的结论：

以软件分析为基础，进行了软件编程，依据工艺流程，将程序分成了主程序、自动程序1、自动程序2、自动程序3、报警程序、手动程序等6个部。

6 结语

该系统利用PLC、计算机控制技术、检测传感器，采用先进控制理论，建立动态优化软件包，具有严密的闭锁控制，操作灵活，维护方便，降低操作工人的劳动强度，有效地提高装配煤的效率和精度，通过对检测数据的转换，处理实现生产信息化、管理集中化、控制的可视化，大大提高了煤矿现代化的程度，此外，与国外和国内其他矿区的自动化装车系统相比，大大减少了一次性投资金额，具有很高的普遍推广性。

参考文献

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