矿用隔爆组合开关的设计——大学生创新计划

张庆贺 焦昆 丁军伟

中国矿业大学（北京） 信电系 10083

矿用隔爆组合开关的设计
——大学生创新计划

张庆贺 焦昆 丁军伟

中国矿业大学（北京） 信电系 10083

基于PLC与单片机的特点，文章提出了一种矿用组合开关主控单元设计的新思路，并对其软硬件设计和它们之间的通讯进行了详细叙述，最后是作者对此次实验的心得体会。

PLC控制；单片机；煤矿；组合开关

PLC control；comal ine；combinaswtioitnc h；singl echip machine

引言

矿用组合开关是将多台用于控制采煤机、转载机、破碎机、运输机等用电设备的开关控制回路以及设备检测信号（包括电压电流等模拟信号）的监控主控制回路集中起来的矿用设备，[1]台组合开关的功能相当于多台单体开关的功能[1]，具有简化电缆连接、减少占地面积、减少供电线路的电压降损耗、提高生产效率和可靠性等优点[2]， 在煤矿上的应用越来越广泛，所以对矿用组合开关的研究非常具有现实意义。因此基于大学生创新计划这个平台，我们对矿用组合开关进行了研究和设计。由于PLC具有可靠性高、抗干扰性强、体积小、能耗低、维修工作量小维修方便的特点，我们选用PLC作为中央控制单元，但PLC又有模拟通道少的不足，因此我们采用了单片机来解决PLC与外界模拟信号交换的问题，弥补了PLC的不足。基于这点我们进行了矿用组合开关主控单元的设计，并在实验室条件下得到了实现。

1 控制对象和控制功能的描述

1.1 控制对象的描述

井下采煤过程一般为采煤机将煤炭从煤层上割下，落入刮板运输机，再由刮板运输机运至转载机，转载机将煤转载至皮带运输机，然后运至井外，采煤流程图如图1所示：

图1

我们设计的开关控制对象有采煤机、刮板运输机、转载机、皮带运输机等设备。

1.2 控制功能的描述

该矿用组合开关的控制功能包括正常工作时的控制功能和发生故障时的保护功能。正常工作时的控制功能为在采煤系统正常的情况下人通过开关对设备实施的手动和自动控制，而发生故障时的保护功能是当设备出现故障时组合开关装置对设备实施的反馈控制。组合开关系统框图如图2所示。

图2

1.2.1 正常工作时的控制功能的描述组合开关的具体控制功能如表1所示：

表1

该矿用组合开关正常工作时的控制功能有手动和自动两种控制功能。

手动控制情况下通过按键可实现对采煤机、刮板运输机、转载机、皮带运输机1、2的单机控制；自动控制情况下通过按键可实现对采煤机、转载机的单机控制，对刮板运输机的自动低高速转换，对皮带机1、2的顺序启停。

1.2.2 发生故障时的保护功能的描述

作为矿用组合开关不但要能实现对采煤设备的主动控制功能，还要能实现对采煤系统进行实时监测，和在采煤系统出现故障（一般有短路、过载、断相、漏电、欠压、过压等情况）时立即作出相应反应的功能。

由图2看出，采煤系统检测模拟信号经A/D转换后，送到单片机，由单片机进行数据处理后再送到PLC，PLC可对采煤系统进行实时监测，并在发生故障时作出相应的控制动作。

触摸屏可实现故障显示、记忆和复位的功能。

2 组合开关硬件设计

矿用组合开关主控单元的硬件部分主要由西门子S7-200PLC、TPC7062KS触摸屏、51单片机、A/D PCF8591、MAX485以及外部电路组成，其硬件系统结构图如图3所示。

2.1 组合开关硬件描述

如引言所述本组合开关主控单元设计的特点是以PLC作为中央信号处理单元，以单片机作为模拟信号处理单元。相比于其它主PLC与子PLC集中与分散控制方式节约了成本，提高了速度；相比于其它以单片机作为中央信号处理单元的开关提高了稳定性，可靠性[3]。其中对于单片机串行输出口和PLC自由口输出电平不匹配（单片机串行口输出的是TTL 电平，而PLC自由口输出的是RS -485信号）的问题，只需在单片机和PLC之间使用MAX485芯片进行电平转换，单片机即可通过RS485接口与S7—200系列PLC进行通讯[4]。另外本设计采用了TPC7062K触摸屏作为人机交互界面，方便了用户实时监测整体的运行状态，用户也可对运行参数进行整定修改；至于设备检测模拟信号转换芯片本设计采用的是PCF8591，它通过I2C总线和单片机交换数据。

图3

3 组合开关软件设计

组合开关主控单元的软件设计主要包括PLC控制程序，单片机程序，通讯设计3个部分。

3.1 PLC控制程序

PLC控制程序采用模块化设计，包括硬件配置及参数设置、通信定义、用户程序的编写等[5]。其程序流程如图4所示。

图4

3.2 单片机程序

单片机程序也采用模块化设计主要包括初始化、通信定义、数据处理等，其程序流程如图5所示。

图5

3.3 通讯软件设计

包括PLC和屏、PLC和单片机、单片机和A/D PCF8591之间的通讯。

3.3.1 PLC和屏之间的通讯

PLC与MCGS屏通讯时，首先需要在屏的组态软件设备窗口中，添加通用串口父设备+子PLC设备，然后必须要使画面控制寄存器与PLC一致，即将他们的操作地址相互关联。

3.3.2 PLC和单片机之间的通讯

PLC和单片机之间的通讯程序在3.1、3.2已述及，其中单片机的通讯程序主要包括工作方式和波特率的设置，PLC的通讯程序包括波特率的设置（用到自由端口控制寄存器SMB30和SMB130）、接受信息控制设置(用到寄存器SMB86到SMB94和SMB186到SMB194)[6]，它们之间的详细连接图如图6所示。

图6

3.3.3 A/D PCF8591和单片机之间的通讯

如2.1所述PCF8591是通过I2C总线和单片机进行通信，它们之间的具体接线图如图7所示。

图7

4 结语

在本次实验中总结的一条经验：在进行单片机和PLC的通讯调试时借助一些工具可以加快调试的进程，例如借助串口调试助手软件可以监测单片机发送数据是否正确，借助PLC自带的状态监测窗口可以判断PLC接收数据是否正确，若两者都正确则它们之间通讯正常。最后，此开关主控单元的设计实现了矿用组合开关的所有任务，解决了PLC模拟通道少的问题，解决了单片机和PLC通信电平不匹配的问题，并在实验室条件下进行了模拟，且工作可靠、稳定、快速，非常具有应用价值，为矿用组合开关的设计提供了一条新思路。

[1]黄静波,牟龙华.矿用组合开关主控单元的设计.[J].工矿自动化，2007:74-77.

[2]郁青林,王东.基于PLC的矿用组合开关的设计.工矿自动化，2011.3:19-21.

[3]朱敏静.基于ARM9嵌入式系统的矿用组合开关研究.安徽理工大学硕士论文，2010.5.

[4]杨志刚，钱俊磊.西门子S7_200系列PLC与单片机之间的自由口通信.河北理工学院学报，2005.11.

[5] S7-200 PLC 编程及应用/廖常初主编.北京：机械工业出版社，2007.8.

[6]单片机中级教程：原理与应用/张俊谟主编.—2版.北京.北京航空航天大学出版社，2006.10.

In this article ,a new methofd or the design of the main control departmeonft the mine-useid ntellig ent combinatsiowni tchi s proposebda sed on the characteristic of PLC and the single chip ,also the design of its hardwarae nd software and the communicabtieotn ween PLC and the single chip are explaineind detail.Att he last is what the writer has learned from this experiment.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.13.078

张庆贺(1989- )，男，中国矿业大学（北京）本科生，所学专业为电气工程与自动化;

指导教师：魏幼平 副教授 中国矿业大学（北京）机电学院。