基于顺序控制的PLC电气控制系统的设计

本文选用西门子公司的SIMATIC S7-200 CPU224可编程控制器，基于顺序控制方法对挖掘机的电气控制系统进行设计。实践证明，这种方法不仅增强了电气控制系统的可靠性，而且提高了PLC编程与电气控制系统调试的效率。

挖掘机是一种广泛使用的大型工程机械，它主要由电气控制系统、液压系统、冷却系统、钻臂、行走机构、扒杂运输机等组成。工作时，先启动蜂鸣器，让工作人员离开生产现场；再启动冷却泵稳定工作后，起动液压泵电机，再起动钻头电机开始工作。停机顺序与起动顺序正好相反。挖掘机的电气控制系统主要控制钻头电机、冷却泵电机、液压泵电机按事先设定的顺序起停，按设定的时间运转，同时系统温度超过设定值时产生报警。

PLC的控制系统程序设计方法有梯形图的经验设计法与顺序控制设计法，经验设计法是用设计继电器电路图的方法来设计比较简单的数字量控制系统的梯形图，有时需要多次反复地调试和修改梯形图，增加一些中间编程元件和触点，最后才能得到一个较为满意的结果。

这种设计方法没有普遍的规律可以遵循，具有很大的试探性和随意性，最后的结果不是惟一的，设计所用的时间、设计的质量与设计者的经验有很大的关系。顺序设计法是一种先进的设计方法，很容易被初学者接受，对于有经验的工程师，也会提高设计的效率，程序的调试、修改和阅读也很方便。

考虑到编程与程序调试的灵活性，选用西门子公司的SIMATIC S7-200 CPU224可编程控制器对挖掘机的控制系统进行设计，设计方法采用顺序控制设计。

1　主电路设计

控制系统主电路图如图1所示。

图1　系统主电路图

图1中钻头电机采用Y-△起动，由KM1、KM4、KM5控制；液压泵电机和冷却泵电机分别由KM2、KM3直接起动即可。接触器KM0作急停用，当系统出现紧急情况时，断开KM0。FR1、FR2、FR3为热继电器，用于对电机进行过载保护。FR4为温度传感器，当钻头电机超过设定值时，控制HA2进行声光报警。

根据工艺要求，PLC控制系统首先必须保证三台电机按指定的顺序起动和停止；其次，系统必须有自动和手动两种工作方式。正常工作时各电机连续自动运转，系统调试与维修时采用手动工作方式。此外，系统还应设置互锁、短路和过载保护。当液压泵电机和冷却泵电机中有一台过载时，系统必须停止工作；钻头电机过载时，只停止其本身的工作，不影响其他电机的工作。当钻头电机超过设定温度时，必须停止运行。系统还应设有急停开关以及必要的抗干扰措施，以确保挖掘机安全可靠地工作。

2 PLC控制系统硬件设计

根据主电路的控制要求，系统实际输入点数为12点，输出点数为8；其硬件连线如图2所示。

图2　PLC接线图

图2中SA为手动/自动工作方式的转换开关；SB1为紧急停止按钮；KM1和KM5同时得电时，钻头电机Y型起动；KM1和KM4同时得电时，钻头电机△型运行。因此，KM5与KM4的线圈必须由软件实现互锁，以确保不同时得电。由于系统的输出控制设备主要为交流感性负载，为保护挖掘机可靠地工作，在交流接触器KM0~KM6的两端各并接了一个CR浪涌吸收器。浪涌吸收器的C、R值分别为0.47uF、47Ω，连接时，C、R愈靠近交流接触器，抗干扰效果愈好。

3程序设计

挖掘机PLC控制系统主程序结构如图3所示，公用程序的梯形图如图4所示。手动程序设计较简单，本文重点介绍自动程序的设计方法。自动程序的顺序功能图如图5所示，梯形图如图6所示。

图3　OB1程序结构

图4　公用程序

图5　自动程序顺序功能图

图6　以转换为中心的自动程序顺序梯形图

由图5可知，I0.2按钮首先启动蜂鸣器，此时才能起动其他电机。顺序控制设计方法清楚地显示了电机起动顺序：冷却泵电机→液压泵电机→钻头电机。同时只要冷却泵电机或者液压泵电机停止运行，则所有电机立即停止运行，而钻头电机停止不影响其他电机工作。

当冷却泵电机和液压泵电机均起动后，才允许钻头电机起动。钻头电机起动时，KM1、KM5得电，钻头电机Y型起动；8S后，KM1、KM4得电，电机转为△型运行。当钻头电机工作温度超过设定值时，I1.4常开触点闭合，Q0.7（控制HA2）进行闪烁报警，同时将钻头电机控制回路（KM1的控制回路）断开。

4系统调试

将编制好的程序输入到PLC，先进行模拟调试，然后再进行系统调试。在模拟调试时，实际的输入元件和输出元件一般都不接，通常用小的板动开关来模拟输入，而输出可以通过输出端发光二极管来判断，反馈信号如过载、超温信号等可由扳动开关模拟。模拟调试程序要检查程序是否完全符合预定要求，所以必须考虑各种可能的情况，要对控制系统的工艺流程进行测试，发现问题及时修正控制程序。程序的模拟调试完成后，就可以进行联机调试。

本系统调试时应将手动操作与自动操作独立分开。手动操作时先在低压下进行，检查各电机的运转方向是否正确，蜂鸣器、报警器是否能正确工作。待各部分调试成功后，再转入自动控制方式，最后连接整个系统试运行。由于PLC可灵活、方便时通过编程来改变控制过程，使调试变得较为简单。

5系统运行结果

由于PLC面向控制过程、面向用户，适应工业环境，操作方便、可靠性高，所以目前这种控制装置在大型工程机械的自动控制中获得了广泛的应用。在实际应用中，我们要对PLC采取一定的保护措施。如本系统中，由于执行元件中交流接触器数量较多，为防止电磁干扰，在交流接触器线圈并联了阻容滤波电路。

实践证明，这种抗干扰效果明显。本系统经过一段时间运行表明，系统性能可靠、自动化程度高，完全能满足生产工艺要求，大大提高了生产效率。

（摘编自《电气技术》，原文标题为“基于顺序控制的PLC电气控制系统的设计”，作者为丛国进。）