本文選用西門子公司的SIMATIC S7-200 CPU224可編程控制器，基于順序控制方法對挖掘機(jī)的電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。實踐證明，這種方法不僅增強(qiáng)了電氣控制系統(tǒng)的可靠性，而且提高了PLC編程與電氣控制系統(tǒng)調(diào)試的效率。

挖掘機(jī)是一種廣泛使用的大型工程機(jī)械，它主要由電氣控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、鉆臂、行走機(jī)構(gòu)、扒雜運輸機(jī)等組成。工作時，先啟動蜂鳴器，讓工作人員離開生產(chǎn)現(xiàn)場；再啟動冷卻泵穩(wěn)定工作后，起動液壓泵電機(jī)，再起動鉆頭電機(jī)開始工作。停機(jī)順序與起動順序正好相反。挖掘機(jī)的電氣控制系統(tǒng)主要控制鉆頭電機(jī)、冷卻泵電機(jī)、液壓泵電機(jī)按事先設(shè)定的順序起停，按設(shè)定的時間運轉(zhuǎn)，同時系統(tǒng)溫度超過設(shè)定值時產(chǎn)生報警。

PLC的控制系統(tǒng)程序設(shè)計方法有梯形圖的經(jīng)驗設(shè)計法與順序控制設(shè)計法，經(jīng)驗設(shè)計法是用設(shè)計繼電器電路圖的方法來設(shè)計比較簡單的數(shù)字量控制系統(tǒng)的梯形圖，有時需要多次反復(fù)地調(diào)試和修改梯形圖，增加一些中間編程元件和觸點，最后才能得到一個較為滿意的結(jié)果。

這種設(shè)計方法沒有普遍的規(guī)律可以遵循，具有很大的試探性和隨意性，最后的結(jié)果不是惟一的，設(shè)計所用的時間、設(shè)計的質(zhì)量與設(shè)計者的經(jīng)驗有很大的關(guān)系。順序設(shè)計法是一種先進(jìn)的設(shè)計方法，很容易被初學(xué)者接受，對于有經(jīng)驗的工程師，也會提高設(shè)計的效率，程序的調(diào)試、修改和閱讀也很方便。

考慮到編程與程序調(diào)試的靈活性，選用西門子公司的SIMATIC S7-200 CPU224可編程控制器對挖掘機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計方法采用順序控制設(shè)計。

1　主電路設(shè)計

控制系統(tǒng)主電路圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)主電路圖

圖1中鉆頭電機(jī)采用Y-△起動，由KM1、KM4、KM5控制；液壓泵電機(jī)和冷卻泵電機(jī)分別由KM2、KM3直接起動即可。接觸器KM0作急停用，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)緊急情況時，斷開KM0。FR1、FR2、FR3為熱繼電器，用于對電機(jī)進(jìn)行過載保護(hù)。FR4為溫度傳感器，當(dāng)鉆頭電機(jī)超過設(shè)定值時，控制HA2進(jìn)行聲光報警。

根據(jù)工藝要求，PLC控制系統(tǒng)首先必須保證三臺電機(jī)按指定的順序起動和停止；其次，系統(tǒng)必須有自動和手動兩種工作方式。正常工作時各電機(jī)連續(xù)自動運轉(zhuǎn)，系統(tǒng)調(diào)試與維修時采用手動工作方式。此外，系統(tǒng)還應(yīng)設(shè)置互鎖、短路和過載保護(hù)。當(dāng)液壓泵電機(jī)和冷卻泵電機(jī)中有一臺過載時，系統(tǒng)必須停止工作；鉆頭電機(jī)過載時，只停止其本身的工作，不影響其他電機(jī)的工作。當(dāng)鉆頭電機(jī)超過設(shè)定溫度時，必須停止運行。系統(tǒng)還應(yīng)設(shè)有急停開關(guān)以及必要的抗干擾措施，以確保挖掘機(jī)安全可靠地工作。

2 PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)主電路的控制要求，系統(tǒng)實際輸入點數(shù)為12點，輸出點數(shù)為8；其硬件連線如圖2所示。

圖2　PLC接線圖

圖2中SA為手動/自動工作方式的轉(zhuǎn)換開關(guān)；SB1為緊急停止按鈕；KM1和KM5同時得電時，鉆頭電機(jī)Y型起動；KM1和KM4同時得電時，鉆頭電機(jī)△型運行。因此，KM5與KM4的線圈必須由軟件實現(xiàn)互鎖，以確保不同時得電。由于系統(tǒng)的輸出控制設(shè)備主要為交流感性負(fù)載，為保護(hù)挖掘機(jī)可靠地工作，在交流接觸器KM0~KM6的兩端各并接了一個CR浪涌吸收器。浪涌吸收器的C、R值分別為0.47uF、47Ω，連接時，C、R愈靠近交流接觸器，抗干擾效果愈好。

3程序設(shè)計

挖掘機(jī)PLC控制系統(tǒng)主程序結(jié)構(gòu)如圖3所示，公用程序的梯形圖如圖4所示。手動程序設(shè)計較簡單，本文重點介紹自動程序的設(shè)計方法。自動程序的順序功能圖如圖5所示，梯形圖如圖6所示。

圖3　OB1程序結(jié)構(gòu)

圖4　公用程序

圖5　自動程序順序功能圖

圖6　以轉(zhuǎn)換為中心的自動程序順序梯形圖

由圖5可知，I0.2按鈕首先啟動蜂鳴器，此時才能起動其他電機(jī)。順序控制設(shè)計方法清楚地顯示了電機(jī)起動順序：冷卻泵電機(jī)→液壓泵電機(jī)→鉆頭電機(jī)。同時只要冷卻泵電機(jī)或者液壓泵電機(jī)停止運行，則所有電機(jī)立即停止運行，而鉆頭電機(jī)停止不影響其他電機(jī)工作。

當(dāng)冷卻泵電機(jī)和液壓泵電機(jī)均起動后，才允許鉆頭電機(jī)起動。鉆頭電機(jī)起動時，KM1、KM5得電，鉆頭電機(jī)Y型起動；8S后，KM1、KM4得電，電機(jī)轉(zhuǎn)為△型運行。當(dāng)鉆頭電機(jī)工作溫度超過設(shè)定值時，I1.4常開觸點閉合，Q0.7（控制HA2）進(jìn)行閃爍報警，同時將鉆頭電機(jī)控制回路（KM1的控制回路）斷開。

4系統(tǒng)調(diào)試

將編制好的程序輸入到PLC，先進(jìn)行模擬調(diào)試，然后再進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。在模擬調(diào)試時，實際的輸入元件和輸出元件一般都不接，通常用小的板動開關(guān)來模擬輸入，而輸出可以通過輸出端發(fā)光二極管來判斷，反饋信號如過載、超溫信號等可由扳動開關(guān)模擬。模擬調(diào)試程序要檢查程序是否完全符合預(yù)定要求，所以必須考慮各種可能的情況，要對控制系統(tǒng)的工藝流程進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)問題及時修正控制程序。程序的模擬調(diào)試完成后，就可以進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試。

本系統(tǒng)調(diào)試時應(yīng)將手動操作與自動操作獨立分開。手動操作時先在低壓下進(jìn)行，檢查各電機(jī)的運轉(zhuǎn)方向是否正確，蜂鳴器、報警器是否能正確工作。待各部分調(diào)試成功后，再轉(zhuǎn)入自動控制方式，最后連接整個系統(tǒng)試運行。由于PLC可靈活、方便時通過編程來改變控制過程，使調(diào)試變得較為簡單。

5系統(tǒng)運行結(jié)果

由于PLC面向控制過程、面向用戶，適應(yīng)工業(yè)環(huán)境，操作方便、可靠性高，所以目前這種控制裝置在大型工程機(jī)械的自動控制中獲得了廣泛的應(yīng)用。在實際應(yīng)用中，我們要對PLC采取一定的保護(hù)措施。如本系統(tǒng)中，由于執(zhí)行元件中交流接觸器數(shù)量較多，為防止電磁干擾，在交流接觸器線圈并聯(lián)了阻容濾波電路。

實踐證明，這種抗干擾效果明顯。本系統(tǒng)經(jīng)過一段時間運行表明，系統(tǒng)性能可靠、自動化程度高，完全能滿足生產(chǎn)工藝要求，大大提高了生產(chǎn)效率。

（摘編自《電氣技術(shù)》，原文標(biāo)題為“基于順序控制的PLC電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計”，作者為叢國進(jìn)。）