毕业设计 第3章 硬件设计

第3章基于PLC的桥式起重机控制系统硬件设计
3.1 PLC控制系统设计基本原则及主要任务
3.1.1设计的基本原则
任何一种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）的工艺要求，以提高生产效率、产品质量和控制精度。

因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：
（1）最大限度地满足被控对象的控制要求
充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。

这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。

同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。

（2）保证PLC控制系统安全可靠
保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。

这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。

例如：应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。

（3）力求简单、经济、使用及维修方便
一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。

因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。

这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。

（4）适应发展的需要
由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。

这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。

当然对于不同的用户要求的侧重点有所不同，设计的原则应有所区别，如果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；如果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的操作习惯.
3.1.2设计的主要内容
PLC控制系统是由PLC与用户的输入、输出设备连接而成的，用以完成预期的控制目的和相应的控制要求。

因此，PLC控制系统设计的基本内容应包括：
(1)根据生产设备或生产过程的工艺要求，以及所提出的各项控制指标与经济预算等内
容，首先进行系统的总体设计。

(2)根据控制要求，基本确定开关、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，主要是PLC的选择，PLC是PLC控制系统的核心部件，正确选择PLC对于保证整个控制系统的技术经济性能指标起着重要的作用。

PLC的选择，应包括机型、容量、I/O模块、电源模块等的选择。

(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、信号灯等执行元件）以及由输出设备驱动的控制对象（电动机、电磁阀等），这些设备属于一般的电器元件。

(5)设计控制程序。

在深入了解和掌握控制要求、主要控制的基本方式以及应完成的动作、自动工作循环的组成、必要的保护和联锁等各方面情况之后。

对较复杂的控制系统，可用状态流程图的形式全面地表达出来。

必要时还可将控制任务分成几个独立部分，这样可化繁为简，有利于编程和调试。

程序设计主要包括绘制控制系统流程图、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的条件，是保证系统工作正常、安全、可靠的关键。

因此，控制系统的设计必须经过反复调试、修改，直到满足要求为止。

3.2 总体方案设计
随着科学技术的不断发展，生产工艺的不断发展改进，特别是计算机技术的应用，新型控制策略的出现，不断改变着电气控制技术的面貌。

在控制方法上，从手动控制发展到自动控制；在控制功能上，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，从单一的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的网络化自动控制系统。

在本次设计中可以考虑以下方案：方案一：只改主令控制为PLC控制
桥式起重机的起升机构采用了主令控制器控制，而大、小车、副钩运行机构采用的仍是凸轮控制器控制，另外还专门设置了保护箱。

如果只将主令控制器控制的主钩改为PLC 主令控制，接触器器触点相连接依然存在，使整个系统的接线仍然很复杂，日常的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
采用此方案会使技术改造的工作量增大，程序也将变得比较复杂，但会使系统的接线明显清晰简单，虽然PLC的容量有所加大，但资金投入的增加不会太大，因为复杂的控制过程是由PLC的控制程序实现的，起重机的控制系统都是开关量控制，所以仍可考虑选择一台PLC的基本单元，I/O数量的增加可以由增加PLC的扩展模块来解决，PLC的成本增加不多，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控制所必须的接触器和中间继电器。

通过综合分析和比较，认为第二种方案是可行的。

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KM
3、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的轨道实现纵向（前后）移动
3、小车能够沿大车上的轨道实现横向（左右）运动
3.4 选型时的注意事项
(1)在PLC选型时主要是根据所需功能和容量进行选择，并考虑维护的方便性，备件的通用性，是否易于扩展，有无特殊功能要求等。

(2)PLC输入/输出点确定：I/O点数选择时要留出10%～15%的余量。

(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一些。

(4)储存时间、维持时间：一般储存期保持1～3年(与使用次数有关)。

若要长期或断电保持应选用EEPROM储存(不需备用电源)，也可选外用储存卡盒。

(5)PLC的扩展：可通过增加扩展模块，扩展单元与主单元连接的方式。

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用带电源的扩展模块或另外加电源模块给予支持。

(6)PLC的联网：PLC的联网方式分为PLC与计算机联网和PLC之间互联网两种。

与计算机联网可通过RS-232c接口直接连接，RS-422+rs-232c。

一台计算机与多台PLC联网，可通过采用通讯处理器，网络适配器等方式进行连接，连接介质为双绞线或光缆；PLC之间互联时可通过专用通讯电缆直接连接，通讯板卡或模块+数据线连接等方式。

(7) 不要将交流电源线接到输入端子上，以免烧坏PLC。

(8) 充分合理利用软、硬件资源。

(9) 不参与控制循环前已经投入的指令可不接入PLC。

(10) 多重指令空闲等待一个任务时，可在PLC外部将它们并联后再接入一个输入点。

(11) 尽量利用PLC内部功能软件，充分调用中间状态，使程序具有完整连贯性，易于开发。

同时也能减少硬件投入，降低成本。

(12) 条件允许的情况下最好独立每一路输出，便于控制和检查，也保护其它输出回路；当一个输出点出现故障时只会导致相应输出回路失控。

(13)输出若为正/反向控制的负载，不仅要从PLC内部程序上联锁，并要在PLC外部采取措施，防止负载在两方向动作。

(14) PLC紧急停止应使用外部开关切断，以确保安全。

3.5 PLC的型号选择
小车运行控制机构包括：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括：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括：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，总启动/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，同样各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，因此不做重复地址分配和程序涉及。

特别说明的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。

根据桥式起重机的控制原理分析，在起重机的一般工作过程中，对起重机的控制只需要开关量输入和开关量输出（本次设计没有考虑提升重量限制及显示部分），所需程序存储量不大，因此可以只按输入输出点数来选择PLC。

根据此前所述输入/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系列的CPU 226是比较合适的。

3.6 PLC的I/O地址分配
I/O地址分配表
3.7 I/O接线图
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