基于嵌入式软PLC的带式输送机控制系统设计.pdf

、l 勺 化 基于嵌入式软P S C 的带式输送机控制系统设计 Desi gn o f em bedded so f t PLC f or bel t con vey or con t r ol s ys t em 王彰云 W ANG Zh a n g ． y u n 广西工业职业技术学院，南宁 5 3 0 0 0 1 摘要 根据带式输送机运行要求 ，软P L C 控制系统采用了高性能的S 3 C 2 4 1 0 微处理器 ，使用 I E C 6 1 1 3 1 3 标准的编程语言设计控制系统梯形图程序。本文重点阐述了带式输送机软P L C 控 制系统的硬件结构以及软P L C 编程系统和运行系统的设计思路。该控制系统跟传统的硬P L C 控制系统比较，具有维护简单、开发效率高、成本低等特点。 关键词 带式输送机；软P L C ； 3 0 2 4 1 0 ；I E 06 1 1 3 1 3 标准 中图分类号 T P 2 7 3 文献标识码 B 文章编号1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 2 1 2 上 一 0 1 3 9 - 0 3 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 - 0 1 3 4 ． 2 0 1 2 ． 1 2 七 ． 4 4 0 引言 带 式输 送机 因具 有运送 距离长 、结构 简单、 运输量大 以及连 续运输 等特点，被广泛应用在煤 炭、矿 山、糖 厂等企业。随着矿 山生产规模的变 大，带式输送机 已经成为其重要 的输送 工具 。为 了保 障带 式输送机 运行稳定可靠、效率 高，国内 外很 多企业投入了大量的人力、物力对带式输送 机控 制系统 进行研 究。虽然 国外研制的带式输送 机技术比较先进 ，其运行速度高。但因其 成本高 ， 售后服 务滞后等原因，大 多企业仍采用 国产 的带 式输送机 。国产 的带式输送机控制 系统主要采用 硬 P L C控 制 器，在矿 企 中有 较 广泛 的应 用。但 是传 统 的 P L C有许 多弊端 ，每 个 厂家 的所 生产 的 P L C寻址方式、语言结构 都不相 同。并且传统 的 P L C的构架是封 闭的 ，系统 的扩展性 和移植性 比较差 ，不利于控制 系统的分散化和个性化发展。 为解决这些 问题 ，采用软 P L C控制技术的带式输 送机控制 系统则具有十分重要的现实意义 。 1 带式输送机控制系统硬件结构 带式输送机 由输送带、伺服电机 、驱动装置、 传动滚筒、拉紧装置、制动装置 以及保 护装置 等 设备组成。经过 尾部 滚筒和传动滚筒，输送带形 成一个封 闭的环形带。由托辊支撑 传输 带 ，传输 带工作时所需要的拉紧力 由拉紧装置提供。电动 机驱动滚筒 ，带动 传输带 ，使传输带在带式输送 机 中连续运动 ] 。过去的带式输送机控制 系统大 多采用硬 P L C做控制器。传统的硬 P L C采用的是 封 闭式 的硬件 结构 ，而软 P L C结构是 开放式 的。 在 系统 的设计过程 中，不仅要保证控制 系统 的稳 定性 、可靠性 ，还要考虑系统 以后的扩展性、二 次开放性 、开放性。所 以嵌 入式的控制 系统能很 好满足上述要求。并且 基于嵌入式的软 P L C具有 丰 富的外 围接 口以太网接 口、US B接 口、串行 接 口、C A N 总线接 口以及人机接 口等。这样能满 足更多控制要求的需要 ，也缩短 了系统开发周期。 根据带式输送机 的结构 以及煤矿对带 式输送机 的 工作要求 ，设计的带式输送机控制系统结构如图 2 所示 。主要 包括三个部分 软 P L C控制器核心电 路、输入信号部分和输出信号部分 J 。 跑 撕 烟 速 拉 温 断 给 辅 给 给 煤 偏 裂 雾 度 绳 度 带 煤 送 煤 闸 电 仓 检 检 检 检 检 硷 检 机 机 机 煤 状 启 启 奏 i 位 测 测 测 测 渊 羽 测 态 停 停 检 测 软P LC控制器 【 3 C 2 4 1 0 微处理器 L 图 霰l 输 离 以太网通it 紧 给 5翥l 豫 急 攥 停 机 控 萼 上位机 机 监控中心 制 ⋯．一⋯⋯ ⋯ 一⋯J 图 1 带式输送机控制 系统结构 1 ． 1带式输送机控制系统核心电路结构 控 制 器 核 心 电 路 主 要 包 括 三 星 公 司 的 3 C 2 4 1 0微 处 理 器 、S D RA M 和 NA ND F l a s h 存 储系统 、最小 系统、外围扩展部分以及人机接 口。 3 C 2 4 1 0因为具有低 功耗、高性 能、工作 频率高 收稿日期2 0 1 2 0 9 2 0 作者简介王彰云 1 9 7 6 一，男，湖南邵阳人，讲师，硕士，主要从事工业自动化和传感器技术研究。 第3 4 卷第1 2 期2 0 1 2 1 2 上 [ 1 3 9 ] 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务l 匐 似 以及 内部集成了触摸 屏接 口等特点 ，在本 系统 中 采用 3 C 2 4 1 0作 为软 P L C的处理器。核心电路中 设计了 L C D与触摸屏 ，方便用户现场查看系统运 行状况和修改相关参数 。扩展了 C A N总线、以太 网等通讯接 口，能 更好 的实现对带式输 送机控制 系统进行远程监控 J 。 1 ． 2带式输送机控制系统输入与输出信号 软 P L C控制 器 的输 入 信号 主要 为输 送机保 护 装置 的检 测信号 以及带 式输送机 的状 态信号 。 1 跑偏检 测开关 当输 送带位 置跑 偏时 ，皮带 的作用使跑偏开关 向控制器输 出开关量 ，该信号 为 5 V的直 流电压 ，控 制器监测到该信 号时 ，就 会对带式输送机进行有效处理 。2 撕裂检测传感 器 异常情况下 ，皮带在外力作用下会 出现撕裂 现象 ，此时撕裂传感器会向控制器发送一个开关 信号 ，控制系统将 作出紧急停车处理 。3 速度检 测 在输送带运行 中，如果速 度过低或过高 ，输 送带 会出现异常情况 ，为保证其 正常工作 ，必须 保证输送带运行在一定速度范围内。采用计数编 码器 的脉冲个数来获得皮带速 度。4 拉绳检 测 当巡 检人 员发现输送带 出现异 常时 ，可 以通过设 置的拉绳 ，给控制 系统一个开关量 ，控制室能马 上确 定故障所在地 ，并指挥现场维护人 员前往该 处 解决故 障。带式输送机控制 系统输 出信号主要 为紧急停机开关信号 、给煤机控制信号、输送机 闸门开关信号、输送机带速控制信号 。 2 带式输送机控制系统软件组成 2 ． 1带式输送机的软件系统结构 软 P L C控制 系统 ，是一种基 于 P C开 放式构 架，利用嵌入式硬件资源和软件资源，来实现传 统硬 P L C基 本 功能 的控 制 系统。它既 具有 传统 P L C的可靠性、快速性 、故障查找等优 点，又具 有计算机 良好的兼 容性 、开放性 ，处理数据 的能 力和网络通讯能力。软 P L C控制系统的结构 包含 图2 带式输送机 的软件系统 结构 [ 1 4 0 | 第3 4 卷第1 2 期2 0 1 2 1 2 上 两 个部分 编程 系统 和运 行 系统。如 图 2所示 ， 编程 系统 的工作环境为 p c 机 的操作系统。在编程 系统 中，结合 I E C 6 1 1 3 1 3标准 规定 的编程语 言， 运用 O p e n P C S编程工具 ，编写带式输送机应用控 制程 序，然后编译生成 目标 代码 ，再进行资源配 置和与运行 系统的通信 。 2 ．2带式输送机软P L C 编程系统软件设计 1 控制系统功能模块原型的定义 为提高程 序的可读性 以及方便用 户维护 ，系 统应用程序采用模块化设计方法。分成数据采集、 通 讯以及数据输 出等功能模块。以数据采集模块 为例，阐述其实现过程。因为带式输送机需要采 集的模拟信号 由油箱温度、输送带速度 、电机电 流、给煤 仓煤位 ，所 以硬件 中选 用 AD7 8 7 4模数 转换芯 片，在编程 系统 中设计 一个 AD7 8 7 4数据 采集模块 。而编程系统 中主 要是定义数据采集模 块的原型，具体实现部分需要 由运行 系统来完成。 AD7 8 7 4数据采集模块接 口定义如下 G L O B A L _ P R OT O T YP B E G I N F UNC T I O N B L OC K A D7 8 7 4 功能块名 为 AD 7 8 7 4 V AR I NP U 变量类型为 i n p u t E N B OO L ； E N 表示启动或停止数 据采集模块，可由脉冲信号控制 E ND V AR 变量类型结束 V AR OUT P U T 变量类型为 o u t p u t E NO BOOL； T n u m r e a l ； 温度 V n u m r e a l ； 速度 I n u m r e a l ； 电流 P n u m r e a l ； 煤位 E ND V AR 变量类型结束 END FUNCTI ON BLOCK GL0BAL PROTOTYP END 2 带式输送机程序流程图 完成相应功能模块的原型后 ，根据带式输送机 控制要求 ，其主程序流程图如图 3所示。系统开始 启动时，通过 l c d界面显示系统正在启动初始化中 以及通过发出铃声，告知操作员，带式传送机即将 启动。同时检测输送机电闸、是否撕裂、给煤机等 状态参数是否正常 ，否则报警 ，并对异常情况进行 处理。启动完毕后 ，延时一段时间，检测输送带速 度以及运煤量 ，根据运煤量来调节最佳速度。根据 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l lI8 化 带式输送机程序流程 ，结合定义好的功能块 ，编写 带式输送机梯形 图程序 ，并编译生成 目标代码，通 过以太 网下载到 3 C 2 4 1 0微处理器中。 图3主程序流程图 2 ．3带式输送机软P L C 运行系统软件设计 软 P L C具 有 传统 P L C的 特 点，按 照 输入 采 用 、程序执行和输 出刷新三个阶段 周期扫描。软 P L C运 行系统被作 为 v x wo r k s 操作 系统 上的一个 任务来执 行。所 以运行 系统设计过程 中，先需完 成 v x wo r k s 操作 系统 在 3 C 2 4 1 0微处理器 中的移 植 ，然后编写功能模块 的驱动程序。在编程 系统 中定义的某些地址的物理 I ／ O变量 ，可以通过 I ／ O 过程映像 ，映射到段表 的某一个地址 ，这样实现 外 围硬件 与映像 区的数 据存取 。具体通过修改 函 数 E n v R e a d P r o c I mg 和函数 E n v Wr i t e P r o c I mg 。 A D7 8 7 4功能模块的实现 i f d e f L ZS DS AL I G NME N￡2 d e fi n e O UT P UT 1 0 x 0 6 ／ ／ 温度 d e fi n e O UT P UT 1 0 x 0 b ／ ／ 速度 d e fi n e O UT P UT 1 0 x 0 b ／ ／ 电流 d e fi n e O UT P UT 1 0 x 1 4 ／ ／ 煤位 e n d i f L Z S B YT E AD7 8 7 4 F B F u n c t i o n v o i d ／ ／ 功 能块 函数 { ⋯⋯ ． R e a d f d l ， b u ff e r , s e 1 ； ／ ／ 读取采集数据 S E T DI NT OU T P UT 1 ， b u ff e r ； ／ ／ 把数 据放入 I ／ O映像表输 出段 S E T DI NT O UT P UT 2 ， b u f f e r 4 ； S E T DI NT O UT P UT 3 ， b u ff e r 8 ； S E T DI NT O UT P UT 4 ， b u ff e r 1 2 ； R e t u m k l e c o k ； } 3 测试结果 基 于嵌入式软 P L C的带式输送机控制 系统在 实验室完成功能模块测试 后，又在煤矿现场对该 控制 系统中的每个模块进行验证。在验证测试中， AD7 8 7 4采集 到的温 度、速度 、电流、煤 位所 对 应的电压信 号，经过 以太 网通信传输到编程系统 的调试 与输 出窗 口，其显示的数据与传感器输 出 的实际电压值是一致 的。在通讯模块验证试验中， 收发的数据 都很正常。 目前 ，带 式输 送机控 制系 统现已在龙江煤矿投入使用 ，运行效果良好。 4 结束语 基于嵌入式软 P L C的带式输送机控制 系统 由 于采用 了高性能 的 3 C 2 4 1 0微处理器以及使用了 I E C 6 1 1 3 1 3标准的编程语言 ，其 系统具 有较 高的 开放性和兼容性 ，跟传统的 P L C比较具有较高的 性价 比。该控制 系统 已经在煤矿、矿 山等企业中 得到较好应用。 参考文献 [ 1 】宋伟刚． 通用带式输送机设计[ M] ． 北京 机械工业出版 社 ． 2 0 0 6 ． [ 2 ]杨凌霄， 崔永涛 ． 基于C AN总线 的带 式输送机实时 综合 检测和保护系统[ J ] ． 制造业自动化， 2 0 1 0 ， 4 ． [ 3 ]贺无 名， 余 强国． 基于嵌 入式软P L C的矿井 提升机控 制 系统设 计[ J ] _ 煤矿机械， 2 0 1 1 ． 6 2 4 4 2 4 6 ． [ 4 ]江连海 ． 嵌入 式挖制 系统 开发平 台上软P L C的实现[ D] ． 武汉 华 中科技大 学， 2 0 0 5 ． 童‘ 岛‘ 岛‘ ，{出 {盘‘ 重‘ 曼● {量I 蠢‘ 矗‘ ‘ ． 岛‘ 蠡‘ {矗‘ 出 {蠢‘ 矗{盘● 重‘ {岛‘ ， ．． } 【 上接第1 3 5 页】 [ J ] _ 长 春师范学院学报 自然科学版 ， 2 0 1 1 ， 2 4 5 4 7 ． [ 6 ]朱军伟， 基于模糊 自适应P I D算法的饮料灌装温度与液 位控制 【 D】 ． 东华大学， 2 0 1 1 ． [ 7 ]陶永华， 尹怡欣， 葛芦生． 新型P I 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