机场行李系统输送线PLC硬件和程序设计.pdf

电气 自动化 2 0 1 4年第 3 6卷 第 6期 自动控制系统与装 Au t o ma t ic Co n t r o I S y s t e ms＆ E q u i p me n 机场行李 系统输送线 P L C硬件和程序设计 刘忻 北京博维航空设施管理有限公司。 北京 1 0 0 6 2 1 摘要在北京首都国际机场三号航站楼行李处理系统中， 承担主要行李传送任务的皮带输送线 ， 使用 P L C和分布式 I ／ O、 D P从站， 应 用 P r o fi b u s 和 A S I 两种总线结构， 并通过软件编程， 对现场输送机进行控制， 在保证行李高效传输要求的同时， 实现了输送机运 行控制、 行李间隙控制、 行李 自动跟踪等要求。同时， 通过将安检设备、 A T R行李条码扫描设备集成在 P L C的 P r o fi b u s 网络中， 实现机场托运行李的后端安检、 自 动分拣等功能要求。经过实际测试和运行， 证明网络系统构成灵活、 数据读写传输实时性 好、 可靠性强， 便于系统升级和扩展。 关键词P L C ； A S I ； P rofi b u s ； 分布式 I ／ O； 行李处理系统 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j i s s n ． 1 0 0 0- 3 8 8 6 ． 2 0 1 4 ． 0 6 ． 0 3 4 [ 中图分类号]T P 2 7 2 [ 文献标志码]A [ 文章编号]1 0 0 0 3 8 8 6 2 0 1 4 0 6 0 1 0 0 0 3 PL C Ha r d war e a n d Pr O g r a m De s i g n f o r t h e Co n v e y o r L i n e o f t h e Ai r p o r t L u g g a g e Ha n d l in g Sy s t e m LI U Xi n B e ij i n g B o w e i A i r p o r t S u p p o rt C o ． ， L t d ． ， B e ij i n g 1 0 0 6 2 1 ， C h i n a Ab s t r a c t P L C a n d d i s t r i b u t e d I ／ O a n d D P s l a v e r ， u s e d o n t h e b e l t c o n v e y o r l i n e i n t h e l u g g a g e h a n d l i n g s y s t e m a t T e r m i n a l 3 o f B e i j i n g C a p i t a l I n t e r n a t i o n a l Ai r p o r t ，a p p l y P r o fi b u s a n d AS I b u s s t r u c t u r e s -a n d r e ali z e c o n v e y o r c o n t r o l t h r o u g h p r o g r a mmi n g ，S O t h a t c o n v e y o r o p e r a t i o n c o n t ml 。l u g g a g e c l e a r a n c e c o n t r o l a n d a u t o ma t i c l u g g a g e t r a c k a r e r e a l i z e d wh i l e e ffic i e n t l u g g a g e t r a n s mi s s i o n i s g u ara n t e e d ．I n t h e me a n w h i l e，s e c u ri t y i n s p e c t i o n d e v i c e an d AT R l u g g a g e b a r c o d e s c a n n i n g e q u i p me n t a r e i n t e g r a t e d i n t o t h e P L C P r o fi b u s n e t wo r k t o me e t t h e f u n c t i o n a l r e q u i r e me n t s f o r b a c k e n d s e c u ri t y i n s p e c t i o n a n d a u t o ma t e d s o r t i n g o f r e g i s t e r e d l u g g a g e ．As p r o v e d i n t h e t e s t s a n d o p e r a t i o n ，t h e n e t w o r k s y s t e m h a s a fl e x i b l e s t r u c t u r e a n d a r e a l t i me r e a d i n g ／ w ri t i n g a n d d a t a t r a n s mi s s i o n， a n d i t i s h i g h l y r e l i a b l e a n d c o n v e n i e n t f o r s y s t e m u p gra d i n g a n d e x p an s i o n ． Ke y wo r d s P L C；AS I ；P r o fi b u s ；d i s t rib u t e d I ／ 0；l u g g a g e h a n d l i n g s y s t e m 0 引 言 随着信息技术的飞速发展， 以 P L C为核心、 以网络为主干的 自动化分布式控制系统成为行业趋势， 并在工厂、 物流自动化业 务领域得到广泛应用。其中， P rofi b u s 是用于工厂 自动化车间级 监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线标准， 主要 由三个 兼容的协议类型组成 P r o fi b u s F MS 现场总线报文规范 、 P r o fi ． b u s D P 分散化外围设备 和 P r o fi b u s P A 过程 自动化 。P r o ． fi b u s D P协议是专门为现场级控制系统与分散 I ／ O的高速通信 而设计的， 数据传输速率范围在9 ． 6 k b p s 至 1 2 M b p s 之间， 每次 可传输的数据量为 2 4 4个字节， 采用周期通信方式 ， 响应时间较 高， 适合于大多数工业控制场合⋯。 近年来， 随着我国经济的快速发展和人民生活水平的提高， 民用机场建设速度不断加快， 机场 自动化行李分拣和处理系统也 得到广泛应用。本文针对首都机场 航站楼行李处理系统中的 皮带输送线系统 ， 结合民用机场对行李分拣和处理系统实际运行 方式 和控 制 方 式 的 要 求 ， 通 过 设 计 和采 用 了一 套 基 于 s 7 4 0 0 P L C的软硬件控制系统， 实现了设备 自动控制、 故障报警、 自 动节能等功能性需求 ； 并通过将第三方的安检设备 、 A T R条码扫 定稿 日期 2 0 1 40 3一 O 7 1 0 0 E l e c t r ic a I A u t o ma t io n 描矩阵设备集成到系统中， 实现了行李的后端安检等机场安全要 求和自动分拣要求。 1 行李处理系统工艺简介 民用机场的行李处理系统 ， 就是要对旅客办理值机手续时交 运的托运行李 ， 进行传输、 安检、 分拣的系统。行李从旅客办理完 值机手续、 打印并贴好行李条码后开始， 进入行李处理系统的传 输过程。在 r乃 航站楼行李系统中， 行李经由主输送皮带向物流 下游传送， 并依次通过 A T R行李条码 自动扫描矩阵， 一 、 二级安 检机， 分拣机， 三级安检机 ， 最后到达出港行李集散转盘 ， 由工作 人员装运到专用集装箱中并装进飞机货仓。 2 项 目介绍 本文是以首都机场三号航站楼行李处理系统中的主皮带输 送线设计开发项 目为背景的， 该项 目的规模 设计高峰行李处理 量为每小时 1 9 2 0 0件。系统采用后端安检模式， 行李办理完托 运手续、 进入系统后， 首先经过主传送带的传送 ， 主传送带上安装 有 A T R行李条码 自动扫描矩阵、 水平摆臂式分流器、 安检 x光 机 ， 之后导入分拣机 进行 分拣 。从 A T R行 李条码 自动扫描 矩 阵 开始 ， 行李的位置要求实时跟踪定位， P L C需要记录行李在此位 置之后得到的一切信息， 包括从安检 x光机得到的安检结果。 动控制系统与装置 皇 苎 竺 兰竺 A u t o ma t ic C on t r o l S y s t e ms＆ Eq u ip me n 3 网络构 建 在整个行李系统中， 主皮带输送线共有 8条 ， 每一条除电机 台数、 长度不同外， 控制系统结构和外部设备种类、 数量完全相 同， 因此， 以一条主皮带输送线为例， 论述其控制系统硬件的构 建、 P L C 程序设计方案。 主皮带输送线名称 C A K1 0 ． D P M 0 0 8 ， 总电机 台数 8 3台， 输 送线总长度 3 9 2 m， 输送机速度为每秒 0 ． 5 m至 1 ． 2 m， 电机功率 0 ． 7 5 k W 至2 ． 2 k W， 视具体位置和功能而定。根据工艺要求， 系 统中集成了 A T R条码自动扫描矩阵和 x光安检机。项目选用西 门子 s 7 4 0 0型 P L C， C P U选用 4 1 4 3型， C P模块采用 4 4 31 型， 以实现与高端 I T系统的工业以太网连接。整个系统划分为 管理层 、 现场层和执行器层。网络拓扑结构图如图 1 所示。 图1 网络拓扑结构图 3 ． 1 管理层 本系统中， P L C与上位机之 间采用工业 以太 网结构， 符合 I E E E 8 0 2 ． 3标 准 ， 采 用标 准化 数 据通 讯协 议 I S OO NT C P协 议， 通讯速率 1 0 0 Nb i t ／ s 。 3 ． 2 现 场层 考虑到现场设备分布比较分散， 外部设备种类比较复杂， 采 用导线进行硬链接会产生工作量大、 成本高 、 可扩展性差等问题， 因此 ， 设计采用开放的、 标准化的现场总线来完成设备 的集成。 自P L C以下采用两层总线结构， P L C与现场设备、 外部第三方提 供设备之间的数据交换采用 P r o fi b u s D P网络， 以可靠、 快速地 完成控制层与现场层的集成。 系统设计采用 1 ． 5 Mb i t ／ s 的通讯速率， 考虑到需要连接的设 备总长度超过3 0 0 m， 因此采用 P C F光纤用于主控柜 P L C 与分 控柜 D P从站 之间的连接 J 。 同时 ， 可 以利用 P r o fi b u s D P网络 的开放性 ， 将 A T R和安 检 机等第三方设备的 G S D文件导入到 P L C程序 的硬件组态中， 以 完成对现场设备的集成。 硬件上， 利用 R S 2 3 2转 R S 4 8 5转换模块 ， 将 A T R主控制器开 放出的 R S 2 3 2口转换为支持 P r o fi b u s D P的 R S A 5 8口， 实现对 A T R设备的集成。 另外， 硬件上利用 E T 2 0 0 S模块的串行通讯模块 S I 模块 和 标准 D I 、 D O模块， 实现对安检机的集成。其中， 标准 D I 、 D O模块 用于传递安检机和皮带输送机状态位 ， 串行通讯模块 s I 模块 用于传输行李号和安检结果等信息。 E T 2 0 0 S模块作为 P r o fi b u s D P网络的从站， 连接到网络中， 实现安检机的集成。 3 ． 3执行器层 由于同一 P r o fi b u s D P总线上最多连接 1 2 6个站点 ， 本项 目 中设备众多， 而每台输送机所需要的控制点数较少， 为节约资源 ， 本项目采用两层总线结构 ， 采用 D P ／ A S I L i n k连接 P r o fi b u sD P 总线和 A S I 总线， 采用集成了四输入、 四输出点的 A S I 模块， 将 A S I 总线数据转换为 I ／ O信号， 用于控制电机和收集现场输送机 状态 。 采用这种设计后， P r o fi b u s D P总线由总控制柜布线到每一个 分控柜， 系统共采用四个分控柜， 每个分控柜内安装两个 D P ／ A S I L i n k模块 ， 再对分控柜到现场电机控制盒或 I ／ O控制站之间进行 A S I 总线布线 ， 不仅避免了硬接线带来的布线工作量大、 维护困 难等问题， 还节约了P r o fi b u s ． D P总线资源， 使系统具有良好的可 扩展性 J 。 4 程序设计 4 ． 1 P L C软件程序整体设计 在 P L C软件程序中， O B 1是循环执行的组织块 J 。其优先 级为最低。P L C在运行时将反复循环执行 O B 1中的程序， 当有 优先级较高的事件发生时， C P U将 中断当前的任务， 去执行优先 级较高的组织块， 执行完成 以后， C P U将 回到断点处继续执行 O B 1中的程序 ， 并反复循环下去， 直到停机或者是下一个中断发 生。因此用户主程序写在 O B 1中。行李系统皮带输送线 P L C软 件结构就是将用户主程序写在 O B 1中， 在 O B 1主循环里调用各 个 程序块 J 。 O B 1中的各功能块主要分为两种， 一是完成现场设备的动作 控制， 包括皮带运行、 分合流等， 另外就是组织数据 ， 为 I T提供信 息 ， 包括行李条码 、 安检信息、 设备状态、 故障信息等。P L C程序 内或 P L C之间也会有信息状态的读取和交换。程序使 P L C能够 通过现场传感器或其它第三方设备收集信息数据 、 从 I T下载路 由或指令， 然后做逻辑判断和数据整理工作， 实现控制设备运行 和为系统提供信息的目的。 4 ． 2 输送机逻辑控制 F B 2 3是实现输送机基本逻辑控制的功能块 ， 涵盖 了各类输 送机的控制， 是程序中的重点。根据功能分为几类， 当输送机需 要什么功能， 就调用相应的功能块。主要的块有 F B 1 5 0 ， 控制具 有一个传感器的普通输送机； F B 1 5 2 ， 控制具有二个传感器的普 通输送机； F B 7 0 ， 控制行李之间的间隔； F B 1 7 2 ， 控制从动输送机； F B 1 7 3 ， 控制主动输送机； F B 1 6 9是控制高速水平分流器的功能 块。从软件程序的结构上讲 ， F B 2 3功能的结构调用是根据所需 输送机的功能而进行调用。 F B 2 3首先是对于分配给各输送机的临时存储空间进行初始 化、 归零。然后按照行李流的方向， 依次对于各输送机所需要的 功能， 调用不同的功能块。 部分输送机调用 了 F B 7 0 G a p C o n t r o 1 ， 此功能块是进行行 李之间的间隙控制的。在系统中需要控制正常行李间距， 通过传 Ele c t r ic a f A u t o ma t io n 1 0 1 电气 自动化} 2 0 1 4年第 3 6卷 第 6期 自 动控制 系统与装置 Au t o ma t ic Co n t r o l S v s t e ms＆ E c lu iP me n 感器来实现此功能。被检测的行李间隙如果小于预设的间隙， 将 暂停该输送机 ， 一直等到检测的行李间隙恢复正常后 自动重新启 动电机， 使行李运行。该功能块主要有三个作用， 一是根据轴编 码器计算行李或者窗口的间隔， 二是计算所需要的间隔， 三是在 间隔不够的情况下控制输送机停止。 程序中应用了窗口的概念 ， 窗口的大小就是行李的长度加上 间隔。窗 口的大小还与皮带机的运行速度有关。 间隙控制功能块一般在特殊设备前的一段输送机上附加。 它的输入量有 本节输送机的传感器 B 1 1 1 的信号， 本节输送机的 轴编码器 B 1 5 5信号 ， 下游输送机的轴编码器 B 1 5 5信号， 还有常 量参数 。 输出 B A G G A P O N这个 B O O L信号， 控制输送机停止一段 时问。很多输送机没有轴编码器， 程序用 E n c即只要输送机运 行 ， 就产生一个 1 0 0 m s的脉冲， 模拟轴编码器信号。程序里也是 用这个信号来测量行李长度， 测量行李间隙。当B 1 1 1光电传感 器被经过的行李触发时， 开始计数 E n e ， 记的这个数模拟为行李 长度 ， 当行李离开 B 1 1 1 后， 用从行李离开到下个行李再次触发光 电传感器之间的、 下游输送机的E n c 脉冲计数作为测量的实际间 隙， 来计算间隙长度， 以保证行李到下游输送机上后实际运动的 距离与计算距离相同。 当测量的实际间隙小于设定间隙时， 用设定间隙减去实际间 隙， 就是 B A G G A P O N要输出的 E n e数， 即输送机要停止的脉 冲数。 整个的控制块附加在一个输送机上， 即控制间隙的输送机， 行李之问的问隙控制程序的流程如图2所示 ， 其中新行李的出现 是根据光电传感器 B 1 1 1 来检测的。停止测距输送机的时间是根 据下游输送机的脉冲个数来进行测量的。 图 2间隙控制程序 流程 图 1 0 2 E le c t r i c a I Au t o ma t io n F B I 5 0是控制有一个光电传感器的输送机的基本功能块。 这类输送机在系统中占绝大多数。此功能块涉及到输送机的逆向 停止、 故障停止、 节 电停止、 唤醒启动、 光眼堵 塞停止等情况。 F B 1 5 1 是控制有二个光电传感器 B 1 1 1 和 B 1 1 2 的输送机的功能 块， 此类输送机数量不多， 功能和 F B 1 5 0相类似涉及到输送机的逆 向停止、 故障停止、 节电停止、 唤醒启动、 光眼堵塞停止等情况。 在控制输送机的功能块中都包括了逆向停止和行李堵塞的 控制逻辑。这些功能是各类输送机所具备的共有基本功能， 下面 就针对这两个功能进行说明。 根据工艺要求， 当皮带系统中的某段输送机由于故障原因停 止时， 该段输送机的上游输送机在当行李到达该输送机时， 也应 当停止， 这种由物流下游到物流上游的依次停止称为逆向停止。 从控制逻辑上讲， 当下游的输送机因为某种原因停止而本段输送 机的光电传感器被遮挡， 则停止程序将停止本段输送机。当下游 输送机启动后， 本段输送机将 自动重新启动。输送机重新启动前 会有一个短暂的延迟时间， 以确保行李之间有最小间距。图 3为 逆向停止控制的流程图。 图 3 逆 向停止控制流程图 关于堵塞停止的控制要求 除了检查行李超高的光电传感器 外， 安装在直行输送机、 转弯输送机、 汇流输送机的光 电传感器都 具有检测行李堵塞的功 能 。当光 电传感器 被遮挡 时间超 过预 设 的时间 取决于输送机的速度 时发出行李堵塞信号。如果发生 行李堵塞的地点在输送机的后侧， 则该输送机和上游输送机同时 停止； 如果发生行李堵塞的地点在输送机的首端， 则该输送机和 下游输送机同时停止。 5 结束语 通过分析首都机场 T 3航站楼行李处理系统皮带输送线 P L C 软硬件设计和开发的过程 ， 利用当前工业控制行业先进的控制系 统、 先进的总线技术 、 先进的网络集成方式，开发了一套完整、 先 下转 第 1 0 5页 电子电路设计 E l e c t r o n ic Cir c u it De s i 口 l 动电流△ 条件下， 席 满足 ≥ ≥ 。 1 1 其中 为开关频率， D为占空比。 2 输出滤波电容 c ， 的选择 蒜 1 12 其中 △ 为输出电压纹波分量。 3 谐振电感 的选择 首先 L ， 不应取得过大， 否则会使 ， 和 C 的谐振时间变长， 对 P WM控制产生影响， 同样也限制 了开 关频率的提高； 同时 ， 也不能取得太小， d , T会造成 ． 变得很 大， 这样会使开关管开关损耗增大。这里定义谐振频率与开关频 率的关系为 N 。 1 3 根据式 1 0 和式 1 3 有 W i n 1 4 式中Ⅳ一般取值为41 0 。 4 谐振电容 C 的选择 为了使 V 3 2 , 在 Z C S 条件下关闭， 储存在 C 上的能量必须全部转移到 ￡ ， 上， 同时为了满足 V T 1 也 在零电流条件下关闭， 根据式 5 和式 9 有 c 。 糍 墨 霎 } ⋯ * ⋯ 0 ⋯ ⋯ ⋯ ．I ． ； _， } ll ]F }建 ． H二_-f ] r_{ - I ⋯⋯- ’ _l _ ‘ r t ／ u s 2 0 u s格 l 网 a V TI 、 V T 2 , 搴 g 量 每 ， ⋯ ‘r ⋯ 。。 ⋯ r 一 ． L j 一 I v T i i t ／ u s 1 O u s格 图4 ‘ b V T l 两端电流电压波形 一 瀚蠢 ⋯ 一≥ -一 ； ㈠ ⋯ l ． 娥墨 U ， ．L ． 豳4 c V T 2 m电流电 压波形 躺 d D两端电 压电流波形 图 4实验波形 上接第 1 0 2页 进 、 可靠、 扩展性强的控制系统， 并且进行了实际测试和安装， 并 投人生产运行。通过长时间的实际运行测试， 该系统表现出良好 的运行性能， 可靠性高、 稳定性强 、 行李处理效率优。因此 ， 该系 统的硬件设计和软件开发思路在机场行李处理系统和物流 自动 控制系统中具有很好的推广应用价值。 参考文献 [ 1 ]张凤登． 现场总线技术与应用[ M] ． 北京 科学出版社， 2 0 0 8 ． [ 2 ]崔坚． 西门子工业网络通信指南[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 6 ． 电气自动化 2 0 1 4年第3 6 卷 第6 期 3 实验结果及分析 基于上述的理论分析， 在 P a p i c e l 0 ． 5环境下对该电路进行仿 真研究， 结果表明输出结果与理论分析一致。 此外还对该电路在感应加热电源上进行了实验验证。其 中 输入电压为 3 8 0 V ／ 5 0 H z 三相交流电源， 经过全桥整流输出直流 电压作为软斩 波 电路 的输入 ， 斩波环 节主辅 开关 管均采 用 B S M2 0 0 G A R 1 2 0 D N 2型 I G B T ， I G B T驱动芯片则采用 2 S D 3 1 5 A I ， 工作频率为 2 0 k H z ， 其中 D 为并联在 V T 2两端的快速恢复二极 管。实验参数为 U i 5 0 0 V， u o3 0 0 V， D0 ． 6 ， L ， 4 H， C 。 4 0 n F， 1 ． 4 mH， c ， 4 7 ， R 5 Q， 开关管驱动脉冲如图 4 a 所示 ， V 于 V T 1 关断前优先导通； 图4 b 为主开关管 Ⅵ’ 1 零电流开通和零 电压零电流关断波形； 图 4 c 为辅助开关管 V 零电流开通和零电流关断波形， 其中一段电流为负是因为电 流流过 V 反并联二极管给 C 。 冲电的原因； 图 4 d 是主二极管 D零电压开通和零电流关断波形。实验结果和理论分析相吻合 ， 验证了分析的正确性。 4 结束语 本文提出了一种改进型软开关 B U C K变换器， 适用于以 I G ． B T为功率管的感应加热电源系统， 并详细分析了电路的拓扑结 构， 并给出参数设计原则。最后通过实验验证① 该电路实现 了主开关管和主二极管的零电流开通和关断， 提高了转化电路的 输出效率； ② 开关管的电压、 电流应力小 ， 有助于保护开关管； ③ 结构简单， 控制方便； ④ 该电路满足负载变化范围大以及占 空比调节宽等要求。 参考文献 [ 1 ]戚宗刚， 柳鹏， 陈辉明． 感应加热调功方式的探讨 [ J ] ． 金属热处理， 2 0 0 3， 2 8 7 5 4 5 7 ． [ 2 ]冯佳佳， 李明， 陈彦鹏， 等． 一种新型软开关 B U C K电路[ J ] ． 电力电子 技术 ， 2 0 1 3， 4 7 4 7 6 7 8 ． [ 3 ]贾贵玺 ， 张春雁 ， 肖有文 ， 等． 新 型 B U C K软开 关电路 的设 计与 仿真 [ J ] ． 电工技术学报 ， 2 0 1 2 ， 2 7 2 3 33 7 ． [ 4 ]张卫平， 张晓强， 陈振更， 等． 一种新型软开关 B U C K变换器[ J ] ． 中国 电机工程学报， 2 0 0 7 ， 2 7 2 2 1 1 0 1 1 5 ． [ 5] E h s a n A d i b ， H o s e i n F a r z a n e h f a r d ．N e w z e m C u r - r e n t t r a n s i t i o n P WM c o n v e e r s [ C] ．I E E E I C I T I n t e rna t i o n a l C o n f e r e n c e ， Mu m b a i 。 I n d i a ． 2 0 0 6 21 3 12 1 3 6 ． [ 6 ]C h i e n Mi n g Wa n g ． A N e w f a mi l y o f z e r o c u r r e n t s w i t c h i n g P WM c o n v e r t e r s[ J ] ． I E E E T r a n s ． o n I n d u s t r i a l E l e c t r o n i c ， 2 0 0 5， 5 2 4 1 1 1 7 1 1 2 5． 【 作者简介】倪曼 1 9 8 8一 ， 男， 江苏人， 硕士研究生， 专业 电气工程。 [ 3 ]沈世斌． 基于P L C自由通信的应用[ J ] ． 仪表技术与传感器， 2 0 0 4 ， 4 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