毕业设计硬件设计甘肃机电职业技术学院.doc

第3章 基于PLC桥式起重机控制系统硬件设计

3.1 PLC控制系统设计基础标准及关键任务
3.1.1设计基础标准
任何一个电气控制系统都是为了实现被控对象（生产设备或生产过程）工艺要求, 以提升生产效率、 产品质量和控制精度。所以, 在设计PLC控制系统时, 应遵照以下基础标准:
（1）最大程度地满足被控对象控制要求
充足发挥PLC功效, 最大程度地满足被控对象控制要求, 是设计PLC控制系统首要前提, 这也是设计中最关键一条标准。这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究, 搜集控制现场资料, 搜集相关优异中国、 国外资料。同时要注意和现场工程管理人员、 工程技术人员、 现场操作人员紧密配合, 确定控制方案, 共同处理设计中关键问题和疑难问题。
（2）确保PLC控制系统安全可靠
确保PLC控制系统能够长久安全、 可靠、 稳定运行, 是设计控制系统关键标准。这就要求设计者在系统设计、 元器件选择、 软件编程上要全方面考虑, 以确保控制系统安全可靠。比如: 应该确保PLC程序不仅在正常条件下运行, 而且在非正常情况下（如忽然掉电再上电、 按钮按错等）, 也能正常工作。
（3）努力争取简单、 经济、 使用及维修方便
一个新控制工程当然能提升产品质量和数量, 带来巨大经济效益和社会效益, 但新工程投入、 技术培训、 设备维护也将造成运行资金增加。所以, 在满足控制要求前提下, 首先要注意不停地扩大工程效益, 其次也要注意不停地降低工程成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、 经济, 而且要使控制系统使用和维护方便、 成本低, 不宜盲目追求自动化和高指标。
（4）适应发展需要
因为技术不停发展, 控制系统要求也将会不停地提升, 设计时要合适考虑到以后控制系统发展和完善需要。这就要求在选择PLC、 输入/输出模块、 I/O点数和内存容量时, 要合适留有裕量, 以满足以后生产发展和工艺改善。
当然对于不一样用户要求侧关键有所不一样, 设计标准应有所区分, 假如要求系统改善信息管理则应将系统通信能力与总线网络设计加以强化; 假如是对原有控制系统进行改造, 还要注意操作人员对原有设备操作习惯.
3.1.2设计关键内容
PLC控制系统是由PLC与用户输入、 输出设备连接而成, 用以完成预期控制目和对应控制要求。所以, PLC控制系统设计基础内容应包含:
(1)依据生产设备或生产过程工艺要求, 以及所提出各项控制指标与经济预算等内容, 首优异行系统总体设计。
(2)依据控制要求, 基础确定开关、 数字I/O点和模拟量通道数, 进行I/O点初步分配, 绘制I/O接线图。
(3)进行PIC系统配置设计, 关键是PLC选择, PLC是PLC控制系统关键部件, 正确选择PLC对于确保整个控制系统技术经济性能指标起着关键作用。PLC选择, 应包含机型、 容量、 I/O模块、 电源模块等选择。
(4)选择用户输入设备（按钮、 操作开关、 限位开关、 传感器等）、 输出设备（继电器、 接触器、 信号灯等实施元件）以及由输出设备驱动控制对象（电动机、 电磁阀等）, 这些设备属于通常电器元件。
(5)设计控制程序。在深入了解和掌握控制要求、 关键控制基础方法以及应完成动作、 自动工作循环组成、 必需保护和联锁等各方面情况以后。对较复杂控制系统, 可用状态步骤图形式全方面地表示出来。必需时还可将控制任务分成多个独立部分, 这么可化繁为简, 有利于编程和调试。程序设计关键包含绘制控制系统步骤图、 设计梯形图、 编制语句表程序清单。
控制程序是控制整个系统工作条件, 是确保系统工作正常、 安全、 可靠关键。所以, 控制系统设计必需经过反复调试、 修改, 直到满足要求为止。
3.2 总体方案设计
伴随科学技术不停发展, 生产工艺不停发展改善, 尤其是计算机技术应用, 新型控制策略出现, 不停改变着电气控制技术面貌。在控制方法上, 从手动控制发展到自动控制; 在控制功效上, 从简单控制发展到智能化控制; 在操作上, 从策重发展到信息化处理; 在控制原理上, 从单一有触头硬接线继电器逻辑控制系统发展到以微处理器或微型计算机为中心网络化自动控制系统。在此次设计中能够考虑以下方案:
方案一: 只改主令控制为PLC控制
桥式起重机起升机构采取了主令控制器控制, 而大、 小车、 副钩运行机构采取仍是凸轮控制器控制, 另外还专门设置了保护箱。假如只将主令控制器控制主钩改为PLC主令控制, 接触器器触点相连接仍然存在, 使整个系统接线仍然很复杂, 日常维修工作量和困难程度还将很大。
方案二: 综合考虑整个系统, 将控制和保护均由PLC控制实现
采取此方案会使技术改造工作量增大, 程序也将变得比较复杂, 但会使系统接线显著清楚简单, 即使PLC容量有所加大, 但资金投入增加不会太大, 因为复杂控制过程是由PLC控制程序实现, 起重机控制系统都是开关量控制, 所以仍可考虑选择一台PLC基础单元, I/O数量增加能够由增加PLC扩展模块来处理, PLC成本增加不多, 当然, 把凸轮控制器去掉以后, 把凸轮控制器去掉以后还需要增加PLC控制所必需接触器和中间继电器。
经过综合分析和比较, 认为第二种方案是可行。
第二种方案下所用器件:
1、 小车电动机M1, 正反转控制接触器KM1、 KM2, 电磁抱闸制动YB1, 终端限位保护SQ1、 SQ2
2、 大车电动机M2、 M3, 正反转控制接触器KM3、 KM4, 电磁抱闸制动器YB2、 YB3, 终端限位保护SQ3、 SQ4
3、 主钩电动机M4,主钩正反转接触器KM5、 KM6, 电磁抱闸制动YB4,上升限位保护SQ5
4、 副钩电动机M5, 副钩正反转控制接触器KM7、 KM8, 电磁抱闸制动YB5, 上升限位保护SQ8
5、 电源控制接触器KM
6、 舱门安全开关SQ6
7、 横梁栏杆门安全开关SQ7
8、 照明、 信号指示设备
3.3控制系统要求
1、 副钩、 主钩能够实现升降运功
2、 大车能够沿车间两侧立柱上轨道实现纵向（前后）移动
3、 小车能够沿大车上轨道实现横向（左右）运动
3.4 选型时注意事项
(1)在PLC选型时关键是依据所需功效和容量进行选择, 并考虑维护方便性, 备件通用性, 是否易于扩展, 有没有特殊功效要求等。
(2)PLC输入/输出点确定: I/O点数选择时要留出10%～15%余量。
(3)PLC储存容量: 系统有模拟量信号存在或进行大量数据处理时容量选择大部分。
(4)储存时间、 维持时间: 通常储存期保持1～3年(与使用次数相关)。若要长久或断电保持应选择EEPROM储存(不需备用电源), 也可选外用储存卡盒。
(5)PLC扩展: 可经过增加扩展模块, 扩展单元与主单元连接方法。扩展模块有输入单元、 输出单元, 输入/输出一体单元。扩展部分超出主单元驱动能力时应选择带电源扩展模块或另外加电源模块给予支持。
(6)PLC联网: PLC联网方法分为PLC与计算机联网和PLC之间互联网两种。与计算机联网可经过RS-232c接口直接连接, RS-422+rs-232c。一台计算机与多台PLC联网, 可经过采取通讯处理器, 网络适配器等方法进行连接, 连接介质为双绞线或光缆; PLC之间互联时可经过专用通讯电缆直接连接, 通讯板卡或模块+数据线连接等方法。
(7) 不要将交流电源线接到输入端子上, 以免烧坏PLC。
(8) 充足合理利用软、 硬件资源。
(9) 不参与控制循环前已经投入指令可不接入PLC。
(10) 多重指令空闲等候一个任务时, 可在PLC外部将它们并联后再接入一个输入点。
(11) 尽可能利用PLC内部功效软件, 充足调用中间状态, 使程序含有完整连贯性, 易于开发。同时也能降低硬件投入, 降低成本。
(12) 条件许可情况下最好独立每一路输出, 便于控制和检验, 也保护其它输出回路; 当一个输出点出现故障时只会造成对应输出回路失控。
(13)输出若为正/反向控制负载, 不仅要从PLC内部程序上联锁, 并要在PLC外部采取方法, 预防负载在两方向动作。
(14) PLC紧急停止应使用外部开关切断, 以确保安全。

3.5 PLC型号选择
小车运行控制机构包含: 1台电动机、 2个接触器、 1个电磁阀、 2个限位保护开关、 2个呼叫按钮、 1个制动按钮,为4点输出、 5点输入。
大车运行控制机构包含: 2台电动机、 2个接触器、 2个电磁阀、 2个限位保护开关、 2个呼叫按钮、 1个制动按钮,为6点输出、 5点输入。
主钩运行控制机构包含: 1台电动机、 2个接触器、 1个电磁阀、 1个限位保护开关、 2个呼叫按钮、 1个制动按钮,为4点输出、 4点输入。
舱门安全开关及栏杆门安全开关为2点输入。电源控制接触器为1点输出, 总开启/停止为2点输入。
其中照明灯可与电源接触器共用一个输出口, 一样多种信号指示及电磁制动阀也可与各运行机构接触器共用输出口, 所以不做反复地址分配和程序包含。尤其说明是各台电动机也不需要进行地址分配和程序设计。所以总输出为7点, 总输入为18点。
依据桥式起重机控制原理分析, 在起重机通常工作过程中, 对起重机控制只需要开关量输入和开关量输出（此次设计没有考虑提升重量限制及显示部分）, 所需程序存放量不大, 所以能够只按输入输出点数来选择PLC。依据以前所述输入/输出分别为18点和7点, 总数为25点, 从输入/输出点数及控制过程看, 选择S7-200系列CPU 226是比较适宜。
3.6 PLCI/O地址分配
I/O地址分配表

序号
元件名称
元件符号
输入地址编号
序
号
元件名称
元件符号
输出地
址编号
1
总起动按钮
SB
I0.0
1
电源控制接触器
KM
Q0.0
2
总停止按钮
SB1
I0.1
2
小车正转 (左) 接触器
KM1
Q0.1
3
小车左呼叫按钮
SB2
I0.2
3
小车反转（右）接触器
KM2
Q0.2
4
小车右呼叫按钮
SB3
I0.3
4
大车正转（前）接触器
KM3
Q0.3
5
大车前呼叫按钮
SB4
I0.4
5
大车反转（后）接触器
KM4
Q0.4
6
大车后呼叫按钮
SB5
I0.5
6
主钩上升接触器
KM5
Q0.5
7
主钩上升呼叫按钮
SB6
I0.6
7
主钩下降接触器
KM6
Q0.6
8
主钩下降呼叫按钮
SB7
I0.7
8

9
小车左限位
SQ1
I1.1
9

10
小车右限位
SQ2
I1.2
10

11
大车前限位
SQ3
I1.3
11

12
大车后限位
SQ4
I1.4

13
主钩上限位
SQ5
I1.5

14
舱门安全开关
SQ6
I1.6

15
栏杆门安全开关
SQ7
I1.7

16
小车制动按钮
SB8
I2.0

17
大车制动按钮
SB9
I2.1

18
主钩制动按钮
SB10
I2.2

3.7 I/O接线图