前言

運(yùn)料小車在煤礦、倉庫、港口車站、礦井等行業(yè)中被廣泛應(yīng)用，而其控制系統(tǒng)就是一種典型的PLC系統(tǒng)。傳統(tǒng)的運(yùn)料小車大多是繼電器控制，而繼電器控制有著接線復(fù)雜、易出故障、維護(hù)維修不易等缺點(diǎn)。為了降低運(yùn)料小車的運(yùn)行成本,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，應(yīng)用可編程控制技術(shù)作為小車的控制系統(tǒng)。本課題主要介紹一種基于三菱FX1N系列的運(yùn)料小車PLC控制方案。PLC（可編程控制器）是20世紀(jì)60年代開始發(fā)展起來的用于取代繼電器控制系統(tǒng)的一種新型工業(yè)裝置。它以微處理器為核心，并將計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)以及自動(dòng)化技術(shù)結(jié)合為一體。由于其編程簡單、可靠、體積小、功能完善，被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。

20世紀(jì)60、70年代，PLC技術(shù)便被一些企業(yè)運(yùn)用到運(yùn)料小車的控制中。由于可編程控制技術(shù)還處于起步階段，發(fā)展不夠成熟，機(jī)器的控制只能通過手動(dòng)完成。而且早期的控制系統(tǒng)大多比較復(fù)雜，都是由接觸器和繼電器組成的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)成本高、體積大、設(shè)計(jì)周期長，基本上沒有數(shù)據(jù)處理功能和通信功能，而且操作復(fù)雜，必須有專人負(fù)責(zé)操作。

20世紀(jì)80年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)的價(jià)格有了一定下降。部分工控企業(yè)為了減少成本、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。通過機(jī)器人技術(shù)和自動(dòng)化設(shè)備，將PLC與計(jì)算機(jī)充分地結(jié)合在一起。將PLC技術(shù)充分運(yùn)用到運(yùn)料小車的控制系統(tǒng)當(dāng)中。

現(xiàn)階段，隨著PLC技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)料小車控制系統(tǒng)不斷完善，大型PLC不斷向高性能、高速度和大容量等方向全面發(fā)展。PLC運(yùn)料小車自動(dòng)控制系統(tǒng)的完善給工業(yè)生產(chǎn)帶來了諸多便宜。例如新的控制系統(tǒng)價(jià)格低，為大型工控企業(yè)節(jié)約生產(chǎn)成本。由于新的系統(tǒng)具有連線簡單，控制速度快，精度高，維修、改造方便等優(yōu)點(diǎn)深受廠家歡迎。

1 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1運(yùn)料小車的運(yùn)動(dòng)流程

某生產(chǎn)線上用運(yùn)料小車將生產(chǎn)原料運(yùn)送至10個(gè)作業(yè)點(diǎn)上，供設(shè)備與生產(chǎn)人員使用，要求小車能夠響應(yīng)生產(chǎn)作業(yè)點(diǎn)的呼叫，并迅速準(zhǔn)確地?？扛鱾€(gè)生產(chǎn)作業(yè)點(diǎn)，使生產(chǎn)過程順利進(jìn)行。小車的控制機(jī)構(gòu)有啟動(dòng)按鈕和停止按鈕。每個(gè)作業(yè)點(diǎn)分別編號(hào)、配備呼叫按鈕和用于監(jiān)視小車是否準(zhǔn)確停靠的行程開關(guān)。運(yùn)料小車工作示意圖如圖1所示。

1.2設(shè)備控制要求

運(yùn)料小車能滿足下面的控制要求：按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)開始工作；按下停止按鈕，小車立即停止動(dòng)作；呼叫按鈕有互鎖功能，當(dāng)一個(gè)或多個(gè)呼叫按鈕被按下后，系統(tǒng)能準(zhǔn)確識(shí)別出按鈕位置，響應(yīng)最先按下的按鈕。若小車?？康奈恢镁幪?hào)小于呼叫按鈕的編碼值，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，小車向右運(yùn)動(dòng)到作業(yè)點(diǎn)?？浚环粗?，則向左運(yùn)動(dòng)到作業(yè)點(diǎn)?？俊Ｈ粜≤囃？康奈恢镁幪?hào)等于呼叫按鈕的編碼值，小車保持不動(dòng)。若行程開關(guān)和電動(dòng)機(jī)正反繼電器出現(xiàn)故障，小車能及時(shí)停機(jī)，防止事故發(fā)生。

1.3運(yùn)料小車運(yùn)動(dòng)分析

根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，設(shè)計(jì)出小車在運(yùn)料過程中的速度變化情況如圖2所示。

　　圖2運(yùn)料小車速度變化圖

1.4控制系統(tǒng)圖

整個(gè)系統(tǒng)控制點(diǎn)數(shù)比較多，有數(shù)據(jù)處理、運(yùn)料車位置顯示、故障停止等?？刂葡到y(tǒng)圖如圖3所示：

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

在PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)時(shí)，首先要確定控制方案，然后根據(jù)具體要求進(jìn)行PLC選型。設(shè)計(jì)選型的主要依據(jù)就是工藝特點(diǎn)和應(yīng)用要求。所選擇的PLC硬件配置、軟件配置及功能應(yīng)該和裝置規(guī)模及控制要求相適應(yīng)。熟悉可編控制器、相關(guān)程序語言及功能表圖可以縮短編程的時(shí)間。所以PLC選型時(shí)，應(yīng)該先分析工藝特點(diǎn)和要求、明確任務(wù)和范圍、確定操作和動(dòng)作，然后根據(jù)控制要求，估算I/O點(diǎn)數(shù)、存儲(chǔ)器容量、確定PLC功能以及外部設(shè)備的型號(hào)等。

2.1PLC機(jī)型選擇

根據(jù)系統(tǒng)I/O信號(hào)的性質(zhì)和數(shù)量,本論文選用FX1N-40MR主機(jī)。該型號(hào)的主機(jī)由AC24V供電，自帶24點(diǎn)數(shù)字量輸入，16點(diǎn)數(shù)字量輸出，可滿足系統(tǒng)I/O信號(hào)要求，完成運(yùn)料小車的控制任務(wù)。

(1)輸入/輸出模塊的選擇

對輸入模塊，應(yīng)考慮信號(hào)傳遞距離、信號(hào)電平、信號(hào)供電方式、信號(hào)隔離等應(yīng)用要求。

模塊電源:在選擇交流輸入、輸出模塊時(shí)，供電電源為隔離變壓器，可防止外部電路故障對模塊電源造成一定的損傷。電源采用雙絞線，絞距為1～2CM。隔離變壓器的容量為電源組件容量的1.5～2倍。選擇直流模塊時(shí)，其外接電源的波紋值應(yīng)該滿足模塊的要求。若選擇模擬量模塊，應(yīng)該備用一個(gè)電源它的作用就是穩(wěn)定電壓。

電壓等級(jí):電壓等級(jí)在選擇時(shí)是一個(gè)重要的參考數(shù)據(jù)，選擇電壓等級(jí)的主要依據(jù)是模塊與現(xiàn)場設(shè)備的距離。距離較長時(shí)，可選用220V模塊；距離短并且控制集中時(shí)可選擇優(yōu)24V模塊。

對輸出模塊，應(yīng)考慮輸出模塊類型。通常繼電器輸出模塊價(jià)格便宜使用的范圍也比較廣泛，但是壽命很短而且響應(yīng)時(shí)間長?？煽毓栎敵瞿K價(jià)格貴，過載能力差但能適應(yīng)開關(guān)頻繁的場合。輸出模塊還有直流輸出、交流輸出、模擬量輸出等。

(2)存儲(chǔ)器的選擇

由于計(jì)算機(jī)集成芯片技術(shù)的發(fā)展，存儲(chǔ)器的價(jià)格已下降。為保證應(yīng)用項(xiàng)目的正常投資，一般要求存儲(chǔ)器的容量，256個(gè)I/O點(diǎn)至少選用8k存儲(chǔ)器。本系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)少于256個(gè)，因此8k存儲(chǔ)器足夠使用。

(3)冗余功能的選擇

控制單元冗余：CPU（包括存儲(chǔ)器）及電源均應(yīng)1：1冗余。

I/O接口冗余：控制回路的多點(diǎn)I/O卡應(yīng)冗余配置、重點(diǎn)監(jiān)測點(diǎn)的多點(diǎn)I/O卡應(yīng)冗余配置、根據(jù)需要對重要的I/O信號(hào)，可選用2重化或3重化接口單元。

(4)抗干擾措施

由于產(chǎn)生干擾的因素復(fù)雜多樣，因此采用的抗干擾要根據(jù)情況而定。PLC的供電電源一般為85V～220V左右，它的適應(yīng)電源范圍較寬。為了防止干擾，在電源引入端安裝一個(gè)隔離變壓器，可以減少設(shè)備與地面的干擾。該隔離變壓器帶有一個(gè)變比為1:1的屏蔽

2.2三相異步電動(dòng)機(jī)選型

使用電壓：AC24～380V；輸出功率：2～100W；轉(zhuǎn)速等級(jí)：500～6000r/min；連續(xù)可輸出轉(zhuǎn)矩10～600N·m；用于運(yùn)料小車。

2.3繼電器

在電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)繼電器中所運(yùn)用的微處理器智能控制技術(shù)為SMT工藝。它不僅可以在輸入端設(shè)置硬件、軟件正反互鎖，還可以在強(qiáng)電輸出端也設(shè)置互鎖。當(dāng)撤銷A路控制信號(hào)而A路晶閘管該斷開卻未斷開時(shí)，B路晶閘管即使有信號(hào)也不會(huì)立即接通。在380V強(qiáng)電未接入情況下，即使輸入端有控制信號(hào)也不會(huì)觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通?？刂齐妷篋C12～24V，工作電流25～45mA。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于CPU模塊有24點(diǎn)數(shù)字輸入，16點(diǎn)數(shù)字輸出，所以不需要輸入輸出模塊。I/O地址分配采用自動(dòng)分配方式，模塊上的輸入端子對應(yīng)的輸入地址是X000－X031，輸出端子對應(yīng)的輸出地址是Y000-Y017。

3.1數(shù)字量輸出部分

本控制系統(tǒng)所要控制的外部設(shè)備只有控制小車運(yùn)動(dòng)的三相電動(dòng)機(jī)一個(gè)。但是電機(jī)有正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩個(gè)狀態(tài)，分別都對應(yīng)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)繼電器，所以輸出點(diǎn)應(yīng)有兩個(gè)具體輸出，分配如下表1所示。

　　表1輸出地址分配表

3.2數(shù)字量輸入部分

本控制系統(tǒng)有啟動(dòng)按鈕開關(guān)、停止按鈕開關(guān)、10個(gè)呼叫按鈕開關(guān)、10個(gè)行程開關(guān)共22個(gè)輸入點(diǎn)。

3.3軟件流程圖

系統(tǒng)的工作過程是：流程開始，首先按下開始按鈕，判斷此時(shí)小車是否發(fā)生故障，如果發(fā)生故障則小車停止運(yùn)行，如果沒有故障小車開始運(yùn)行并把當(dāng)前位置編碼輸入數(shù)據(jù)寄存器中；然后按下呼叫按鈕開關(guān)，比較小車當(dāng)前位置編碼與呼叫按鈕位置編碼，若小車當(dāng)前位置編碼大于呼叫作業(yè)點(diǎn)的編碼，小車向右行駛并判斷小車是否到達(dá)呼叫站臺(tái)如果到達(dá)則小車停止運(yùn)行，如果沒有到達(dá)則小車?yán)^續(xù)向右運(yùn)行；反之小車向左行駛并判斷小車是否到達(dá)呼叫站臺(tái)如果到達(dá)則小車停止運(yùn)行，如果沒有到達(dá)則小車?yán)^續(xù)向左運(yùn)行，若二者相等小車則停在當(dāng)前位置不動(dòng)；工作完成后按下停止按鈕，流程結(jié)束。如圖4所示為軟件設(shè)計(jì)流程圖。

　　圖4軟件流程圖

3.4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.4.1小車啟?？刂?/p>

當(dāng)按下小車啟動(dòng)按鈕時(shí)，常開觸點(diǎn)X000得電，輔助繼電器M0得電，小車開始運(yùn)動(dòng)；按下停止按鈕時(shí)，常閉出點(diǎn)X001得電，輔助繼電器M0失電，小車停止運(yùn)動(dòng)。

3.4.2呼叫按鈕

在該段程序中，有10個(gè)作業(yè)點(diǎn)，分別分配代碼“0～9”。由于10個(gè)呼叫按鈕開關(guān)之間是互鎖的，先按下者優(yōu)先，所以需要10個(gè)輔助繼電器M1～M10。當(dāng)有呼叫按鈕按下時(shí)，相應(yīng)的呼叫按鈕開關(guān)得電，該站點(diǎn)的輔助繼電器M得電，同時(shí)把該作業(yè)點(diǎn)的代碼送到數(shù)據(jù)寄存器D1中，以供判斷小車下一步行動(dòng)時(shí)使用。例如，1作業(yè)點(diǎn)呼叫，X002得電，M1得電，代碼“0”送入數(shù)據(jù)寄存器D1中。

3.4.3行程開關(guān)

當(dāng)小車運(yùn)動(dòng)到10個(gè)站點(diǎn)的某一個(gè)時(shí)，對應(yīng)的行程開關(guān)得電，并將相應(yīng)的代碼送入數(shù)據(jù)寄存器D0中，以供判斷小車下一步的運(yùn)動(dòng)方向。例如，小車運(yùn)動(dòng)到1號(hào)作業(yè)點(diǎn)的時(shí)候，行程開關(guān)X012得電，代碼“0”送入數(shù)據(jù)寄存器D0中。

3.4.4比較

當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕，如果有呼叫按鈕被按下，系統(tǒng)開始對存有小車當(dāng)前位置編碼的數(shù)據(jù)寄存器D0和呼叫按鈕代碼的數(shù)據(jù)寄存器D1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。當(dāng)（D0＞D1）即小車當(dāng)前位置編碼大于呼叫作業(yè)點(diǎn)的編碼時(shí)時(shí)，M11得電，小車向左運(yùn)行。當(dāng)（D0=D1）即小車當(dāng)前位置編碼等于呼叫按鈕的編碼時(shí)，M12得電，小車不動(dòng)。當(dāng)（D0＜（D1）即小車當(dāng)前位置編碼小于呼叫按鈕的編碼時(shí)時(shí)，M13得電，小車向右運(yùn)行。

3.4.5故障判斷及處理

正常情況下只有一個(gè)行程開關(guān)得電，電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)繼電器由于互鎖，也只有一個(gè)接通。如果因?yàn)槟承┰?，出現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上的行程開關(guān)得電的情況，或者出現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)繼電器中的兩個(gè)繼電器同時(shí)接通的情況，說明系統(tǒng)出現(xiàn)故障。此時(shí)小車行駛輔助繼電器M0將被復(fù)位，小車停止運(yùn)動(dòng)。

4 結(jié)論

早期的運(yùn)料小車大多采用繼電器控制，而采用繼電器控制存在諸多缺點(diǎn)。隨著科技的發(fā)展，可編程控制技術(shù)不斷成熟并逐漸被工業(yè)生產(chǎn)所應(yīng)用。本論文主要介紹的內(nèi)容有論文研究的背景；運(yùn)料小車的發(fā)展過程及對運(yùn)料小車的功能要求；分析被控對象和明確系統(tǒng)控制要求；控制流程設(shè)計(jì)；確定系統(tǒng)的I/O設(shè)備的數(shù)量及種類；PLC選型；控制程序設(shè)計(jì)等。為了解決繼電器控制接線復(fù)雜、易出故障、維護(hù)維修不易等缺點(diǎn)，采用PLC控制。在方導(dǎo)師的指導(dǎo)下，實(shí)現(xiàn)了10個(gè)呼叫站的呼叫要求，故障停車，小車能正確無誤的應(yīng)答各呼叫站的呼叫；解決了許多問題例如控制系統(tǒng)硬件電路的正確設(shè)計(jì)及連接，優(yōu)化配置，節(jié)約成本等。

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