基於順序控制的PLC電氣控制系統的設計
本文選用西門子公司的SIMATIC S7-200 CPU224可程式設計控制器，基於順序控制方法對挖掘機的電氣控制系統進行設計。實踐證明，這種方法不僅增強了電氣控制系統的可靠性，而且提高了PLC程式設計與電氣控制系統調試的效率。
挖掘機是一種廣泛使用的大型工程機械，它主要由電氣控制系統、液壓系統、冷卻系統、鑽臂、行走機構、扒雜運輸機等組成。工作時，先啟動蜂鳴器，讓工作人員離開生產現場；再啟動冷卻泵穩定工作後，起動液壓泵電機，再起動鑽頭電機開始工作。停機順序與起動順序正好相反。挖掘機的電氣控制系統主要控制鑽頭電機、冷卻泵電機、液壓泵電機按事先設定的順序起停，
PLC的控制系統程式設計方法有梯形圖的經驗設計法與順序控制設計法，經驗設計法是用設計繼電器電路圖的方法來設計比較簡單的數位量控制系統的梯形圖，有時需要多次反復地調試和修改梯形圖，增加一些中間程式設計元件和觸點，最後才能得到一個較為滿意的結果。
這種設計方法沒有普遍的規律可以遵循，具有很大的試探性和隨意性，最後的結果不是惟一的，設計所用的時間、設計的品質與設計者的經驗有很大的關係。順序設計法是一種先進的設計方法，很容易被初學者接受，對於有經驗的工程師，也會提高設計的效率，程式的調試、修改和閱讀也很方便。
考慮到程式設計與程式調試的靈活性，選用西門子公司的SIMATIC S7-200 CPU224可程式設計控制器對挖掘機的控制系統進行設計，
控制系統主電路圖如圖1所示。
圖1 系統主電路圖
圖1中鑽頭電機採用Y-△起動，由KM1、KM4、KM5控制；液壓泵電機和冷卻泵電機分別由KM2、KM3直接起動即可。接觸器KM0作急停用，當系統出現緊急情況時，
根據工藝要求，PLC控制系統首先必須保證三台電機按指定的順序起動和停止；其次，系統必須有自動和手動兩種工作方式。正常工作時各電機連續自動運轉，系統調試與維修時採用手動工作方式。此外，系統還應設置互鎖、短路和超載保護。當液壓泵電機和冷卻泵電機中有一台超載時，
根據主電路的控制要求，系統實際輸入點數為12點，輸出點數為8；其硬體連線如圖2所示。
圖2 PLC接線圖
圖2中SA為手動/自動工作方式的轉換開關；SB1為緊急停止按鈕；KM1和KM5同時得電時，鑽頭電機Y型起動；KM1和KM4同時得電時，鑽頭電機△型運行。因此，KM5與KM4的線圈必須由軟體實現互鎖，以確保不同時得電。由於系統的輸出控制設備主要為交流感性負載，為保護挖掘機可靠地工作，在交流接觸器KM0~KM6的兩端各並接了一個CR浪湧吸收器。浪湧吸收器的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程式設計挖掘機PLC控制系統主程序結構如圖3所示，公用程式的梯形圖如圖4所示。手動程式設計較簡單，本文重點介紹自動程式的設計方法。自動程式的順序功能圖如圖5所示，梯形圖如圖6所示。
圖3 OB1程式結構
圖4 公用程式
圖5 自動程式順序功能圖
圖6 以轉換為中心的自動程式順序梯形圖
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。順序控制設計方法清楚地顯示了電機起動順序：冷卻泵電機→液壓泵電機→鑽頭電機。同時只要冷卻泵電機或者液壓泵電機停止運行，則所有電機立即停止運行，而鑽頭電機停止不影響其他電機工作。
當冷卻泵電機和液壓泵電機均起動後，才允許鑽頭電機起動。鑽頭電機起動時，KM1、KM5得電，鑽頭電機Y型起動；8S後，KM1、KM4得電，電機轉為△型運行。當鑽頭電機工作溫度超過設定值時，I1.4常開觸點閉合，Q0.7（控制HA2）進行閃爍報警，同時將鑽頭電機控制回路（KM1的控制回路）斷開。
4系統調試將編制好的程式輸入到PLC，先進行模擬調試，然後再進行系統調試。在模擬調試時，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來類比輸入，而輸出可以通過輸出端發光二極體來判斷，回饋信號如超載、超溫信號等可由扳動開關類比。類比偵錯工具要檢查程式是否完全符合預定要求，所以必須考慮各種可能的情況，要對控制系統的工藝流程進行測試，發現問題及時修正控制程式。程式的類比調試完成後，就可以進行連線調試。
本系統調試時應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行，檢查各電機的運轉方向是否正確，蜂鳴器、報警器是否能正確工作。待各部分調試成功後，再轉入自動控制方式，最後連接整個系統試運行。由於PLC可靈活、方便時通過程式設計來改變控制過程，使調試變得較為簡單。
5系統運行結果由於PLC面向控制過程、面向用戶，適應工業環境，操作方便、可靠性高，所以目前這種控制裝置在大型工程機械的自動控制中獲得了廣泛的應用。在實際應用中，我們要對PLC採取一定的保護措施。如本系統中，由於執行元件中交流接觸器數量較多，為防止電磁干擾，在交流接觸器線圈並聯了阻容濾波電路。
實踐證明，這種抗干擾效果明顯。本系統經過一段時間運行表明，系統性能可靠、自動化程度高，完全能滿足生產工藝要求，大大提高了生產效率。
（摘編自《電氣技術》，原文標題為“基於順序控制的PLC電氣控制系統的設計”，作者為叢國進。）
圖2中SA為手動/自動工作方式的轉換開關；SB1為緊急停止按鈕；KM1和KM5同時得電時，鑽頭電機Y型起動；KM1和KM4同時得電時，鑽頭電機△型運行。因此，KM5與KM4的線圈必須由軟體實現互鎖，以確保不同時得電。由於系統的輸出控制設備主要為交流感性負載，為保護挖掘機可靠地工作，在交流接觸器KM0~KM6的兩端各並接了一個CR浪湧吸收器。浪湧吸收器的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程式設計挖掘機PLC控制系統主程序結構如圖3所示，公用程式的梯形圖如圖4所示。手動程式設計較簡單，本文重點介紹自動程式的設計方法。自動程式的順序功能圖如圖5所示，梯形圖如圖6所示。
圖3 OB1程式結構
圖4 公用程式
圖5 自動程式順序功能圖
圖6 以轉換為中心的自動程式順序梯形圖
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。順序控制設計方法清楚地顯示了電機起動順序：冷卻泵電機→液壓泵電機→鑽頭電機。同時只要冷卻泵電機或者液壓泵電機停止運行，則所有電機立即停止運行，而鑽頭電機停止不影響其他電機工作。
當冷卻泵電機和液壓泵電機均起動後，才允許鑽頭電機起動。鑽頭電機起動時，KM1、KM5得電，鑽頭電機Y型起動；8S後，KM1、KM4得電，電機轉為△型運行。當鑽頭電機工作溫度超過設定值時，I1.4常開觸點閉合，Q0.7（控制HA2）進行閃爍報警，同時將鑽頭電機控制回路（KM1的控制回路）斷開。
4系統調試將編制好的程式輸入到PLC，先進行模擬調試，然後再進行系統調試。在模擬調試時，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來類比輸入，而輸出可以通過輸出端發光二極體來判斷，回饋信號如超載、超溫信號等可由扳動開關類比。類比偵錯工具要檢查程式是否完全符合預定要求，所以必須考慮各種可能的情況，要對控制系統的工藝流程進行測試，發現問題及時修正控制程式。程式的類比調試完成後，就可以進行連線調試。
本系統調試時應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行，檢查各電機的運轉方向是否正確，蜂鳴器、報警器是否能正確工作。待各部分調試成功後，再轉入自動控制方式，最後連接整個系統試運行。由於PLC可靈活、方便時通過程式設計來改變控制過程，使調試變得較為簡單。
5系統運行結果由於PLC面向控制過程、面向用戶，適應工業環境，操作方便、可靠性高，所以目前這種控制裝置在大型工程機械的自動控制中獲得了廣泛的應用。在實際應用中，我們要對PLC採取一定的保護措施。如本系統中，由於執行元件中交流接觸器數量較多，為防止電磁干擾，在交流接觸器線圈並聯了阻容濾波電路。
實踐證明，這種抗干擾效果明顯。本系統經過一段時間運行表明，系統性能可靠、自動化程度高，完全能滿足生產工藝要求，大大提高了生產效率。
（摘編自《電氣技術》，原文標題為“基於順序控制的PLC電氣控制系統的設計”，作者為叢國進。）