新毕业设计第3章硬件设计甘肃机电职业技术学院

1、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

2、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

3、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PLG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

4、.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

5、)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

6、，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

7、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

8、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 SQ22、大车电动机M2 M3,正反转控制接触器KM3 KM4电磁抱制动器YB2 YB3终端限 位保护SQ3 SQ43、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 SQ85、电源控制接触器KM6、舱门安全开关SQ67、横梁栏杆门安全开关SQ78、照明、信号指示设备3.

9、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%勺余量。(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 13年(与使用次数有关)。若要长期或断 电保持应选用EEPROMf存(不需备用电源)，也可选外用储存卡盒。(5)

10、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PLG(8)充分合理利

11、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PLG(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

12、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、21个电磁阀、1个限位保护开关、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、 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

13、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PLG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SBI0.01电源控制接触器KMQ0.02总停止按钮SB1I0.12小车止转(左)接触器KM1Q0.13小车左呼叫按钮SB2r I0.23小车反转(右)接触器KM2 1Q0.24小车右呼叫按钮SB3I0.34大车正转(前)接触器KM3Q0.35大车前呼叫按钮SB4I0.45大车反转（后）接触器KM4Q0.46大车后呼叫按钮SB5P I0.5r 6主钩上升接触器KM5 :Q0.57主