前言

運料小車在煤礦、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、維護維修不易等缺點。為了降低運料小車的運行成本,實現(xiàn)自動化控制，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，并將計算機技術(shù)、通信技術(shù)以及自動化技術(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)運用到運料小車的控制中。由于可編程控制技術(shù)還處于起步階段，發(fā)展不夠成熟，機器的控制只能通過手動完成。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，計算機技術(shù)迅速發(fā)展，計算機的價格有了一定下降。部分工控企業(yè)為了減少成本、實現(xiàn)自動化控制。通過機器人技術(shù)和自動化設(shè)備，將PLC與計算機充分地結(jié)合在一起。將PLC技術(shù)充分運用到運料小車的控制系統(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運料小車自動控制系統(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)點深受廠家歡迎。

1 控制系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1運料小車的運動流程

某生產(chǎn)線上用運料小車將生產(chǎn)原料運送至10個作業(yè)點上，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)點的呼叫，并迅速準(zhǔn)確地?？扛鱾€生產(chǎn)作業(yè)點，使生產(chǎn)過程順利進行。小車的控制機構(gòu)有啟動按鈕和停止按鈕。每個作業(yè)點分別編號、配備呼叫按鈕和用于監(jiān)視小車是否準(zhǔn)確?？康男谐涕_關(guān)。運料小車工作示意圖如圖1所示。

1.2設(shè)備控制要求

運料小車能滿足下面的控制要求：按下啟動按鈕，系統(tǒng)開始工作；按下停止按鈕，小車立即停止動作；呼叫按鈕有互鎖功能，當(dāng)一個或多個呼叫按鈕被按下后，系統(tǒng)能準(zhǔn)確識別出按鈕位置，響應(yīng)最先按下的按鈕。若小車?？康奈恢镁幪栃∮诤艚邪粹o的編碼值，電動機正轉(zhuǎn)，小車向右運動到作業(yè)點?？浚环粗?，則向左運動到作業(yè)點?？?。若小車停靠的位置編號等于呼叫按鈕的編碼值，小車保持不動。若行程開關(guān)和電動機正反繼電器出現(xiàn)故障，小車能及時停機，防止事故發(fā)生。

1.3運料小車運動分析

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

　　圖2運料小車速度變化圖

1.4控制系統(tǒng)圖

整個系統(tǒng)控制點數(shù)比較多，有數(shù)據(jù)處理、運料車位置顯示、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

在PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計時，首先要確定控制方案，然后根據(jù)具體要求進行PLC選型。設(shè)計選型的主要依據(jù)就是工藝特點和應(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間。所以PLC選型時，應(yīng)該先分析工藝特點和要求、明確任務(wù)和范圍、確定操作和動作，然后根據(jù)控制要求，估算I/O點數(shù)、存儲器容量、確定PLC功能以及外部設(shè)備的型號等。

2.1PLC機型選擇

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

(1)輸入/輸出模塊的選擇

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

模塊電源:在選擇交流輸入、輸出模塊時，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，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)該備用一個電源它的作用就是穩(wěn)定電壓。

電壓等級:電壓等級在選擇時是一個重要的參考數(shù)據(jù)，選擇電壓等級的主要依據(jù)是模塊與現(xiàn)場設(shè)備的距離。距離較長時，可選用220V模塊；距離短并且控制集中時可選擇優(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)時間長?？煽毓栎敵瞿K價格貴，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)存儲器的選擇

由于計算機集成芯片技術(shù)的發(fā)展，存儲器的價格已下降。為保證應(yīng)用項目的正常投資，一般要求存儲器的容量，256個I/O點至少選用8k存儲器。本系統(tǒng)I/O點數(shù)少于256個，因此8k存儲器足夠使用。

(3)冗余功能的選擇

控制單元冗余：CPU（包括存儲器）及電源均應(yīng)1：1冗余。

I/O接口冗余：控制回路的多點I/O卡應(yīng)冗余配置、重點監(jiān)測點的多點I/O卡應(yīng)冗余配置、根據(jù)需要對重要的I/O信號，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變比為1:1的屏蔽

2.2三相異步電動機選型

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

2.3繼電器

在電動機的正反轉(zhuǎn)繼電器中所運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，還可以在強電輸出端也設(shè)置互鎖。當(dāng)撤銷A路控制信號而A路晶閘管該斷開卻未斷開時，B路晶閘管即使有信號也不會立即接通。在380V強電未接入情況下，即使輸入端有控制信號也不會觸發(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

由于CPU模塊有24點數(shù)字輸入，16點數(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)備只有控制小車運動的三相電動機一個。但是電機有正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩個狀態(tài)，分別都對應(yīng)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)繼電器，所以輸出點應(yīng)有兩個具體輸出，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)有啟動按鈕開關(guān)、停止按鈕開關(guān)、10個呼叫按鈕開關(guān)、10個行程開關(guān)共22個輸入點。

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，判斷此時小車是否發(fā)生故障，如果發(fā)生故障則小車停止運行，如果沒有故障小車開始運行并把當(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)點的編碼，小車向右行駛并判斷小車是否到達呼叫站臺如果到達則小車停止運行，如果沒有到達則小車?yán)^續(xù)向右運行；反之小車向左行駛并判斷小車是否到達呼叫站臺如果到達則小車停止運行，如果沒有到達則小車?yán)^續(xù)向左運行，若二者相等小車則停在當(dāng)前位置不動；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)計流程圖。

　　圖4軟件流程圖

3.4系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.4.1小車啟?？刂?/p>

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

3.4.2呼叫按鈕

在該段程序中，有10個作業(yè)點，分別分配代碼“0～9”。由于10個呼叫按鈕開關(guān)之間是互鎖的，先按下者優(yōu)先，所以需要10個輔助繼電器M1～M10。當(dāng)有呼叫按鈕按下時，相應(yīng)的呼叫按鈕開關(guān)得電，該站點的輔助繼電器M得電，同時把該作業(yè)點的代碼送到數(shù)據(jù)寄存器D1中，以供判斷小車下一步行動時使用。例如，1作業(yè)點呼叫，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)小車運動到10個站點的某一個時，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動方向。例如，小車運動到1號作業(yè)點的時候，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)點的編碼時時，M11得電，小車向左運行。當(dāng)（D0=D1）即小車當(dāng)前位置編碼等于呼叫按鈕的編碼時，M12得電，小車不動。當(dāng)（D0＜（D1）即小車當(dāng)前位置編碼小于呼叫按鈕的編碼時時，M13得電，小車向右運行。

3.4.5故障判斷及處理

正常情況下只有一個行程開關(guān)得電，電動機正反轉(zhuǎn)繼電器由于互鎖，也只有一個接通。如果因為某些原因，出現(xiàn)兩個或兩個以上的行程開關(guān)得電的情況，或者出現(xiàn)了電動機正反轉(zhuǎn)繼電器中的兩個繼電器同時接通的情況，說明系統(tǒng)出現(xiàn)故障。此時小車行駛輔助繼電器M0將被復(fù)位，小車停止運動。

4 結(jié)論

早期的運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。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；運料小車的發(fā)展過程及對運料小車的功能要求；分析被控對象和明確系統(tǒng)控制要求；控制流程設(shè)計；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)計等。為了解決繼電器控制接線復(fù)雜、易出故障、維護維修不易等缺點，采用PLC控制。在方導(dǎo)師的指導(dǎo)下，實現(xiàn)了10個呼叫站的呼叫要求，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)計及連接，優(yōu)化配置，節(jié)約成本等。

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