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的電氣控制系統(tǒng)進行設計。實踐證明，這種方法不僅增強了電氣控制系統(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(tǒng)、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、鉆臂、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(wěn)定工作后，起動液壓泵電機，再起動鉆頭電機開始工作。停機順序與起動順序正好相反。挖掘機的電氣控制系統(tǒng)主要控制鉆頭電機、冷卻泵電機、液壓泵電機按事先設定的順序起停，按設定的時間運轉，同時系統(tǒng)溫度超過設定值時產生報警。

PLC的控制系統(tǒng)程序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字量控制系統(tǒng)的梯形圖，有時需要多次反復地調試和修改梯形圖，增加一些中間編程元件和觸點，最后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(guī)律可以遵循，具有很大的試探性和隨意性，最后的結果不是惟一的，設計所用的時間、設計的質量與設計者的經驗有很大的關系。順序設計法是一種先進的設計方法，很容易被初學者接受，對于有經驗的工程師，也會提高設計的效率，程序的調試、修改和閱讀也很方便。

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

1　主電路設計

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中鉆頭電機采用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(tǒng)出現緊急情況時，斷開KM0。FR1、FR2、FR3為熱繼電器，用于對電機進行過載保護。FR4為溫度傳感器，當鉆頭電機超過設定值時，控制HA2進行聲光報警。

根據工藝要求，PLC控制系統(tǒng)首先必須保證三臺電機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。正常工作時各電機連續(xù)自動運轉，系統(tǒng)調試與維修時采用手動工作方式。此外，系統(tǒng)還應設置互鎖、短路和過載保護。當液壓泵電機和冷卻泵電機中有一臺過載時，系統(tǒng)必須停止工作；鉆頭電機過載時，只停止其本身的工作，不影響其他電機的工作。當鉆頭電機超過設定溫度時，必須停止運行。系統(tǒng)還應設有急停開關以及必要的抗干擾措施，以確保挖掘機安全可靠地工作。

2 PLC控制系統(tǒng)硬件設計

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

圖2　PLC接線圖

圖2中SA為手動/自動工作方式的轉換開關；SB1為緊急停止按鈕；KM1和KM5同時得電時，鉆頭電機Y型起動；KM1和KM4同時得電時，鉆頭電機△型運行。因此，KM5與KM4的線圈必須由軟件實現互鎖，以確保不同時得電。由于系統(tǒng)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程序設計

挖掘機PLC控制系統(tǒng)主程序結構如圖3所示，公用程序的梯形圖如圖4所示。手動程序設計較簡單，本文重點介紹自動程序的設計方法。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程序結構

圖4　公用程序

圖5　自動程序順序功能圖

圖6　以轉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。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→鉆頭電機。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，而鉆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后，才允許鉆頭電機起動。鉆頭電機起動時，KM1、KM5得電，鉆頭電機Y型起動；8S后，KM1、KM4得電，電機轉為△型運行。當鉆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，同時將鉆頭電機控制回路（KM1的控制回路）斷開。

4系統(tǒng)調試

將編制好的程序輸入到PLC，先進行模擬調試，然后再進行系統(tǒng)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模擬。模擬調試程序要檢查程序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(tǒng)的工藝流程進行測試，發(fā)現問題及時修正控制程序。程序的模擬調試完成后，就可以進行聯機調試。

本系統(tǒng)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。待各部分調試成功后，再轉入自動控制方式，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，使調試變得較為簡單。

5系統(tǒng)運行結果

由于PLC面向控制過程、面向用戶，適應工業(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采取一定的保護措施。如本系統(tǒng)中，由于執(zhí)行元件中交流接觸器數量較多，為防止電磁干擾，在交流接觸器線圈并聯了阻容濾波電路。

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“基于順序控制的PLC電氣控制系統(tǒng)的設計”，作者為叢國進。）