PLC在煤矿自动装车系统中的应用研究_图文

1、 资助项目:中国矿业大学科学研究基金(206B008作者简介:袁进南(1983 ,男,辽宁铁岭人,中国矿业大学机电工程学院研究生,研究方向为机电一体化。PLC 在煤矿自动装车系统中的应用研究袁进南,高顶,王仿,程羽(中国矿业大学机电工程学院,江苏徐州221008摘 要:根据现有煤矿装车系统的特点,提出自动化改造方案。采用西门子公司的S7-300系列PLC 和组态软件W i nCC ,实现对整个装车过程的自动控制、手动控制,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、报警、冗余和网络发布等功能。实践证明,装车过程的自动化程度和效率得到了提高,实现了火车的自动定量装载。关键

2、词:装车系统;集控;可编程序控制器;W i nCC中图分类号:TD 63+4 文献标识码:B 文章编号:1671-5276(200901-0137-03Application of PLC in CoalM ine for Auto m atic Loading Syste mYUAN Ji n -nan ,GAO D i ng ,WANG Fang ,CHENG Yu(Ch ina Un ive rsity o fM in i n g and Techno logy ,X uzhou 221008,C hinaAbstrac t :Auto ma ti o n tr ans f or m i

3、ng projec t is proposed based on the charac t eristi c s of t he load i n g sy st em .T he PL C o fS i e mens S 7-300andW in CC is used i n t he load i n g sys t em t o m i p l e ment t he aut o m atic contro l and manua l control of t he entire loading process .The runn i n g process o f l o ading

4、can be r ea-l tm i e mon it ored and recorded ,and t he sys t e m a lso have func tions of inquiring h i s t ory re -cord ,alar m ,syst em r edundancy and web publishing .The practically running result s shows t ha,t t he loading syste m s auto ma ti o n and effic i e ncy are enhanced and the auto m

5、a tica l and quantitative tr a in loading is realized .K ey word s :l o ading sys t e m;centrali z ed contro;l PLC;W inCC0 前言老式的煤矿装车系统多为手动操作,操作人员根据目测电子轨道衡的读数对给煤机、皮带机和绞车进行控制,以实现对火车进行定量装载。由于整个过程均为人为控制,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的经济损失,对工人的健康也产生很大的损害1。因此煤矿火车装车系统自动化程度的高低直接影响到装车精度和速度,是

6、煤矿生产中重要一环。所以,有必要对此过程进行全自动控制,并在远程操作室设置监控和报警装置,对整个装车过程、各给煤机的运行状态及其他故障和意外情况进行实时监控,大大提高老式装车方式的装车质量、精度和速度,给企业带来显著的经济效益和管理效益。1 系统的工作原理与功能要求装车系统的设备主要由煤仓、给煤机、皮带输送机、绞车、皮带秤和电子轨道衡等组成如图1所示。装车系统的工作流程见图22:列车车厢依次进入煤仓下,当有车厢停在电子轨道衡上方时,系统发出控制信号,启动煤仓下带式输送机和给煤机,通过胶带秤检测煤流流量。当火车装满或是质量达到设定值时(根据电子轨道衡读数判断,改变双向溜煤槽挡板方向,使煤流向后一

7、节车厢,使煤顺利通过火车车节,开动绞车,开始对下图1 系统硬件设备组成一节车厢装车,并自动记录车皮的毛重。依此类推,当装最后一节车厢时,待最后一节车厢停在电子轨道衡上方时,以定重或定时方式关闭带式输送机及给煤机,并收回溜煤槽,等待下一次装车。装车系统的整体规划设计应达到以下要求:监视系统内各个皮带、煤仓、给煤机的实时运行状态以及所需要的生产和安全参数,以便进行控制和调度;设备的监视和控制均可在集控室进行,实现装车的管控一体化。为了方便集控室直接观监控生产过程,促进安全生产,拟在集控室安装视频监视与生产现场的广播系统;该监控系统各设备之间存在一定的联锁关系,即系统的启图2 装车系统的工作流程图动

8、、停车以及出现故障时的紧急停车都需要按照一定的顺序;对于每台现场设备均可实现3种控制方式:自动控制方式、手动控制方式、现场就地控制方式;整个系统具有自动生成一些重要数据报表、自动报警及故障诊断功能。并根据以上要求建立一个快捷、安全、先进、可靠,能够满足生产和管理要求的网络系统,为矿井生产信息自动化的建设奠定基石。2 PLC控制系统的硬件组成2.1 PLC的选型可编程控制技术在工业控制中的应用广泛,PLC作为主控制器件,完全能够满足装车系统各种功能的需要。整个控制系统的性能和任务主要是多以开关量控制为主,带有少量的模拟量控制,因此选用带有A/D转换的模拟量输入模块和带有D/A转换的模拟量输出模块

9、,配接相应的传感器、变送器和驱动装置,并且运算能力较强的中型S7-300系列PLC3。SI M AT IC S7-300PLC采用模块化无风扇设计,坚固耐用,具有容易扩展和广泛通讯的能力,其容易实现的分布式结构以及用户友好的操作使SI M AT-I C S7-300成为中、高档性能控制领域中首选的理想解决方案5。经过综合考虑,选用CPU的类型为CPU315-2DP,适用于对程序量大规模要求的应用,对二进制和浮点数运算具有较高的处理性能,带有PROF IBU S D P主站/从站接口,而且可用于大规模的I/O配置。2.2 I/O模块的设计本系统监控的状态量如下:利用料位计对各个煤仓中煤量进行实时

10、检测,并以此实现对给煤机的实时控制;给煤机电动机的轴承温度、绕组温度、电机定子温度和轴温的监测;主回路电压、控制回路电压、工作电流、缺相、过流等,电量状态检测由电机配电系统完成,检测结果通过R S-485通讯接口,传输到主控PLC中;可利用集控系统中的电信号对给煤机、皮带机和绞车的运行状态进行实时监控;电子轨道衡和皮带秤能够准确地称量出装车过程中的煤的质量,并通过各种传感器、变送器和带光电隔离的A/ D模块以及可编程逻辑控制器相关模块等实现数据的可靠、准确、高速传送。根据以上各个数字或模拟的监控量,并考虑到今后设备的调整和扩充,选用的各种模块如表1所示。表1 PLC的模块选择序号名称型号单位数

11、量1CPU CP U315-2DP套1 2Flash卡MM C64K块1 3安装导轨530mm块1 4电源模块PS3075A块2 5A/D模块模拟量SM331(8通道/420mA套1 6I/O模块(输入SM321(32点/DC24V套1 7DO模块(输出SM322(32点/DC24V套1 8通信处理模块CP343-1块1 9闭环控制模块F M355S块110称重模块S I W AREX U块1一般情况下,输入点与输入信号、输出点与输出设备是一一对应的。设计程序前,应按系统配置的通道与接点号,分配给每一个输入信号和输出信号,即进行通道分配。2.3 外部接线设计在PLC选型、I/O模块选择和通道设

12、计结束后,可根据手册的规定和现场实际情况进行外部接线设计,主要包括以下几方面3:a电源:PLC通常采用220V的交流电,可以有一定的波动,但为了提高可靠性应在输入端配置1 1隔离变压器,且应有独立适用的断路器。b接地:PLC在大多数情况下可以不做接地处理,但在条件许可的情况下应尽量设计接地线路,接地能有效地抑制干扰和提高系统的可靠性。一般情况下,为保证接地品量PLC系统应设置独立接地。c输入:PLC可与有触点及电流型输入设备相连,但不能与电压型输入设备相连接。在I/O设计时,应检查所有输入设备的兼容性,并充分考虑漏电流和负载感应电动势的影响。d输出:晶体管或双向晶闸管输出型PLC接上负载后,当

13、漏电流较大有可能造成设备的误动作时,应在负载两端并联一个旁路电阻。当感性负载连到PLC输出端时,同样需要加电涌抑制器或二极管,用以吸收负载产生的反电动势。3 控制系统的软件设计自动化装车系统的软件由PLC软件和上位机软件两部分组成,整个装车系统采用上位机和PLC同时控制的操作方式。3.1 PLC程序编制STEP7是用于S7系列PLC进行编程、调试的全新软件,不仅可以非常方便的使用梯形图和语句表等形式进行离线编程,经过编译后通过转接电缆直接下载入PLC的内存中执行,而且在调试运行时,还可以在线监视程序中各个输入输出或状态点的通断状况,甚至进行在线修改程 序中的变量,给调试工作也带来极大的方便3。

14、S T EP7软件还附带一些控制程序模块,如称量模块、P ID 调节模块,这些模块可以从主控制程序中直接调用,以便实现不同的功能。程序的设计有两种途径,一种是先组态硬件再编写程序块,另一种是先编写程序块再组态硬件。因为本系统是一个输入输出点数多而烦杂的综合系统,所以先组态硬件,这样STEP7自动根据硬件的位置确定好I /0点地址,有利于编程。 本装车系统软件设计主要采用了梯形图与语句表结合的方式。梯形图采用图形语言,沿用了继电器的触点、线圈、串并联等术语和图形符号,并增加了一些继电接触控制没有的符号3。梯形图形象、直观,对于熟悉继电器表示方式的人来说,非常容易掌握。梯形图与语句表的结合使得模块

15、化编程方式的实现成为可能,即将每一个功能归为一个子程序,集中调用,以便于程序的维护和移植,使软件结构清晰,提高软件的执行效率。主要实现功能包括:电动机各个电参数的采集、状态切换、自动定量装车、绞车的自动控制、联锁、手动运行装车等。本装车系统的软件流程图如图3所示。 图3 系统软件控制流程图本装车系统采用模块化编程方式,用文件块的形式管理用户编写的程序及程序运行所需的数据。如果这些文件块是子程序,可以通过调用语句,将它们组成结构化的用户程序,使得PLC 的程序组织明确,结构清晰,易于修改3。在图4中,O B1为组织块,为程序的主循环,根据装车系统的各个过程控制的复杂程度,通过O B1调用功能块F

16、B 和FC ,其中功能块FB1为16台给煤机的启停控制,D B 为FB1的背景块;FC1和FC2为绞车的启停和正反转控制;FC3为皮带机启停控制;FC4FC7为电动机各种电参数的计算采集;FC8为溜煤槽挡板的正反转控制。图4 程序块结构3.2 上位机软件设计上位机界面用西门子系列组态软件W i nCC 设计开发,具备完善的生产监控管理功能,可以对系统中输煤皮带机,给煤机等设备的运行、停止进行控制及各种数据的实时显示,由W i nCC 组态的实时主画面如前面图1所示。在主画面上(即状态监测画面可以实现对整个系统的自动和手动控制、实时显示各个煤仓的煤量及装入火车皮中的煤量;过程趋势显示画面监测装车

17、系统运行时各个位置的煤量,各个工作电机的运行效率、电机电压、电流、功率信号的变化以及轴承温度、定子温度、轴承振动等。数据以直接显示、趋势图、动态图等多种形式显示在图形界面上供用户查看;除此之外此系统还具有报表查询和报警系统的界面4。装车系统具有自动控制方式、手动控制方式、现场就地方式3种控制方式。3种方式下,监控系统都可以显示现场设备运转状况,实现皮带打滑、跑偏等故障的报警,同时还能够显示各煤仓的实时煤位5。上位机采用2台工控机,通过W i nCC 的项目复制器安装相同的W i nCC 项目,均作为服务器使用。其中的一台工控机作为硬件冗余,在其余一台出现故障的时候,可以确保上位监控系统的稳定正

18、常运行6。通过W inCC 的网络信息发布功能,可以把监控画面发布到公司局域网上,把企业的横向通讯(同一层不同节点的通讯和纵向通讯(上下层之间的通讯紧密联系在一起。4 结语此装车系统采用PLC 与上位机联合控制的方式实现了装车系统的定量全自动和手动装车的功能,并且通过上位机在计算机上直观的实时显示,系统经过调试运行比较稳定,装车精度控制在了 10kg 以内,并且装车效率大大(下转第149页电气技术与自动化 周春雷 基于嵌入式控制的门禁系统的设计与研究钟到来时把TCNTBn 的值装入暂存器中; 5在中断服务子程序中,把80(20+60和60分别装入TCNTBn 和TC M PBn ;6当T C

19、NT n 和TCM Pn 的值相等时,TOUT 输出电平由低变高;7当TCNTn=0时,把TCNT Bn 和TC M PBn 的值分别自动装入TCNTn 和TC M Pn ,并触发中断;8在中断服务子程序中,禁止自动重载和中断请求来中止定时器运行;9当T C NT n 和TCM Pn 的值相等时,TOUT 输出电平由低变高;10尽管TCNTn=0,但是定时器停止运行,也不再发生自动重载操作,因为定时器自动重载功能被禁止;11不再产生新的中断。其中,定时器输入时钟频率(f TC L K =f PCLK /(P rescaler+1/分频器分频值P rescaler 为预分频值(0255;分频器的

20、分频值为2,4,8和16。P WM 输出时钟频率=定时器输入时钟频率(f TCL K 定时器计数缓冲寄存器值(TCNTBnP WM 输出信号的占空比=定时器比较缓冲寄存器值(TCMPBn 定时器计数缓冲寄存器值(TCNTBn3 执行机构设计本系统是对机械锁进行改进设计,以符合门禁系统的要求,在A 处安装步进电机,再计算出机械锁的行程来确定步进电机的旋转角度以实现电动门禁功能。在E 处安装门磁模块,用于监控门的实时开关状态。步进电机是一种将电脉冲转化成为角位移的执行机构。就是说当步进驱动器接收到一个脉冲信号时,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(即步进角。可以通过控制脉冲数来控制角位

21、移量,达到准确定位的目的;同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机的转动速度和加速度,达到调速的目的。根据对门锁的不同操作进行控制,驱动电机的正反转,推动门锁上的锁舌进出。步进电机正传,通过齿轮副B 和曲柄机构C 控制锁舌D 退,实现开门动作;步进电机反传,锁舌进,实现关门动作。锁的机型机构示意图如图5所示。图5 锁的结构示意图4 结语本设计实现了基于RAM 微处理器S3C2440为控制系统,完成了对步进电机驱动原理的分析和驱动,同时设计了机械锁的非标改造以达到系统的工作要求。本设计的创新点是采用高性能ARM 芯片SC2440作为主控制,使用TA 8435芯片作为执行控制平台,使用步进电机使整个系统运行起来更可靠更安全,整个系统体现了嵌入式系统的灵活性和可扩展性,便于实现用户定制系统的要求。参考文献:1SA M SUNG 公司.S3C2440_dat as h eetZ.pd.f2田泽.ARM 9嵌入式开发实验与实践M .北京:北京航空航天大学出版社,2006