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        基于西門子S7- 1200PLC 實(shí)訓(xùn)裝置設(shè)計(jì)

        2021-03-06 05:56:08吳新友
        關(guān)鍵詞:實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        吳新友

        (麗水職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 麗水323000)

        我校現(xiàn)代電氣控制實(shí)訓(xùn)室是機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)的核心實(shí)訓(xùn)室,《電氣控制與PLC 應(yīng)用》為本專業(yè)最重要的課程,如果電氣控制實(shí)踐項(xiàng)目比作是一個人,則PLC 就是人的大腦。目前實(shí)訓(xùn)室采用S7-200 安裝而成舊系統(tǒng),且直接安裝電路板之中,所有輸入輸出點(diǎn)使用頻率高,檢修與維護(hù)不便,程序下載時常出現(xiàn)通訊不成功等問題,隨著機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)課程建設(shè)的需要,實(shí)訓(xùn)室引入了S7-1200PLC,本文將對存在的不足加以改進(jìn)和設(shè)計(jì)新的實(shí)訓(xùn)裝置。

        因此,本文加深對PLC 控制系統(tǒng)技術(shù)的研究,保證電氣設(shè)備的穩(wěn)定安全工作,實(shí)現(xiàn)教學(xué)及經(jīng)濟(jì)效益。在本文中,筆者闡述了采用S7-1200PLC 可編程邏輯控制器與各項(xiàng)如通信、保護(hù)等電氣技術(shù)結(jié)合,依據(jù)電氣控制與PLC 應(yīng)用課程實(shí)踐項(xiàng)目相結(jié)合,按照以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn),系統(tǒng)的分析、制作了每個模塊,通過測試作出準(zhǔn)確的判斷和改進(jìn),滿足實(shí)訓(xùn)教學(xué)要求,以實(shí)現(xiàn)符合本校機(jī)電、數(shù)控及電信專業(yè)要求的控制系統(tǒng)。

        1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

        本PLC 電氣控制柜設(shè)計(jì)的基本思路如下所述,符合專業(yè)教學(xué)要求、保證學(xué)生電氣安全及滿足生產(chǎn)工藝要求。這些設(shè)計(jì)包括控制柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制柜的總體配置、總接線圖設(shè)計(jì)及各部分電器裝配與接線圖設(shè)計(jì)等技術(shù)資料。

        總體設(shè)計(jì)思路圍繞著當(dāng)前實(shí)際教學(xué)中存在的不足及需要增加的功能加以設(shè)計(jì),解決課程項(xiàng)目式實(shí)訓(xùn)教學(xué)、電氣安裝、柜體布置合理緊湊及穩(wěn)固性等方面,設(shè)計(jì)方案如圖1 所示。

        圖1 控制柜設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖

        1.1 系統(tǒng)柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及原則

        本系統(tǒng)控制柜,主柜體包含一塊底板,用于安裝所需的可編程邏輯控制器、變壓器、低壓器件及輸入輸出保護(hù)模塊,柜門安裝了控制開關(guān)、急停開關(guān)、電源狀態(tài)和工作指示燈,柜體左側(cè)面為三相五線制動力線進(jìn)線,右側(cè)面為通訊模塊接口及電機(jī)輸出線。為保證柜體整體穩(wěn)定,底面安裝了穩(wěn)定支架。所有的安裝口,均根據(jù)所需安裝設(shè)備及接口的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)和預(yù)留??刂葡到y(tǒng)電氣設(shè)計(jì)原則如下:(1)將功能類似的低壓器件安裝在相鄰位置。(2)盡可能減少器件之間的導(dǎo)線數(shù)量,做到最優(yōu)化的配置。(3)為了控制柜系統(tǒng)美觀、整齊且合理,把需要經(jīng)常使用、維護(hù)及易損器件安裝在相鄰位置。(4)將系統(tǒng)中的弱電及強(qiáng)電分離,減少系統(tǒng)之間的干擾。

        1.2 安全性保護(hù)及通訊模塊設(shè)計(jì)

        PLC 輸入及輸出端的保護(hù)原理和方法如下所述:輸入端的保護(hù)措施為外加一級光電耦合器,當(dāng)外部有如高電壓輸入回路時,會擊穿保護(hù)級光電耦合器,然后像更換熔斷器一樣將擊穿的光耦更換,保護(hù)了PLC 輸入端電路。PLC 輸出驅(qū)動一般有直流和交流兩類負(fù)載,對交流負(fù)載采用并聯(lián)阻容電路,可防止浪涌電流對輸出電路的沖擊;而對直流負(fù)載可采用并聯(lián)續(xù)流二極管進(jìn)行保護(hù),防止關(guān)斷時產(chǎn)生的反電勢對電路的沖擊。

        在控制電路中應(yīng)避免出現(xiàn)寄生回路,控制電路應(yīng)該具有完善的保護(hù)環(huán)節(jié),包括過載、短路、過流、欠壓和失壓等,同時還需要增加急停按鈕。

        通訊模塊設(shè)計(jì)方法為,將PLC 自帶的網(wǎng)線下載口、所有PLC輸入端口、線路中涉及USB 口、串口引到控制柜右側(cè)板上,以方便與上位機(jī)及其他設(shè)備通訊。

        1.3 控制柜的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

        由于控制柜使用時可平放或直立使用,當(dāng)直立時接觸面有限,故在控制柜底面矩形四個角處各安裝一接觸面相對較大的支撐柱,并在支撐腳安裝帶防滑的防護(hù)墊,用于承受柜體重量及保證正常運(yùn)行時柜體的安穩(wěn)和牢固。

        2 方案實(shí)施

        將可編程控制器(CPU1214C AC/DC/RLY)、空氣開關(guān)(DZ47LE-32 C16)、開關(guān)電源(100-240V-1.2A 50-60Hz)等固定在底板上,將MCGS 觸摸屏模塊、電源開關(guān)、急停開關(guān)及各類指示燈安裝在門板上,將通訊模塊及電機(jī)輸出電纜線安裝在控制柜右側(cè),如圖2 所示。

        2.1 控制柜系統(tǒng)的布局

        該控制柜線路系統(tǒng)的設(shè)計(jì),從元器件結(jié)構(gòu)布局開始,所以合理的器件布置非常重要,應(yīng)系統(tǒng)低壓配電設(shè)備布置,應(yīng)該符合我國國家標(biāo)準(zhǔn)《10kV 及以下變電所設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB.50053-94)的規(guī)定。同時,設(shè)備布置必須遵循安全、可靠、便于安裝、操作、搬運(yùn)、檢修、試驗(yàn)和監(jiān)測,控制柜主視圖及擴(kuò)展通訊接口模塊如圖2 所示。

        圖2 控制柜主視圖及擴(kuò)展通訊接口模塊

        2.2 柜體電氣線路安裝及號碼管的使用

        將外部三相五線制線路從左側(cè)引入至柜門電源開關(guān)上,再引入柜體底板變壓器及空氣開關(guān)中,再通過變壓器分壓成所需電壓,電氣線路布線需橫平豎直、排列整齊,線束需用纏繞帶捆綁,在安裝過程中需將強(qiáng)、弱電線路分開,以免相互干擾。當(dāng)學(xué)生在進(jìn)行電氣接線、故障排查、維護(hù)檢修時,離不開規(guī)范的線號管標(biāo)識系統(tǒng),規(guī)范的號碼線是有一定方向的,當(dāng)號碼管水平方向或置于接線端子兩側(cè)時,號碼管文字方向從左往右讀,當(dāng)號碼管垂直方向或置于接線端子上下兩側(cè)時,號碼管文字方向從下至上讀。本控制柜的號碼管是使用線號打印機(jī)打印。如果沒有線號管或不規(guī)范,會大大增加學(xué)生在作業(yè)過程中故障檢修的難度和時間。

        2.3 保護(hù)電路及通訊模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)施

        輸入保護(hù)電路原理圖如圖3 所示,為4N25 型光電耦合器PLC輸入端保護(hù)電路圖,SQ 為開關(guān)輸入信號,光耦為輸入DC24V 電源采用AC220V 降壓,整流后得到直流電源,而不用PLC 自帶的直流電源,這樣可在不增大PLC 電源的負(fù)載,又可使光耦工作時輸入和輸出不共地,避免產(chǎn)生可能的干擾。當(dāng)PLC 的驅(qū)動元件是電磁閥或交流接觸器時,為了提高系統(tǒng)的可靠性,故在輸出端與驅(qū)動元件之間增加過零型固態(tài)繼電器AC-SSR,如圖4 所示,從圖中可知,從PLC輸入的控制信號經(jīng)晶體管放大驅(qū)動AC-SSR,它的輸出經(jīng)過驅(qū)動元件連接AC220V 電壓,圖中的MOV 為金屬氧化物壓敏電阻,用于保護(hù)AC-SSR,其中電壓在標(biāo)稱值電壓以下時,MOV呈現(xiàn)很大的阻值。當(dāng)超過標(biāo)稱值時,阻值則很小。在電壓斷開瞬間,剛好能吸收線圈存儲的能量,從而進(jìn)行保護(hù)。

        圖3 4N25 型光耦保護(hù)電路

        在實(shí)訓(xùn)裝置控制系統(tǒng)中,涉及PLC 程序下載及各設(shè)備與上位機(jī)間的通信,程序網(wǎng)線下載端口是利用PLC 自帶的網(wǎng)口。將PLC 自帶的網(wǎng)線下載口、所有PLC 輸入端口通過DB25 針接口、線路中涉及USB 口、串口都接到通訊模塊板上,再將通訊模塊安裝在控制柜右側(cè)板上,所選用的連接線要帶有屏蔽功能。

        2.4 控制柜技術(shù)性能及選擇工作電壓等級

        外形尺寸:(柜體)50cm*60*20cm、(底板)46*51cm。控制柜工作電壓:輸入為380V 三相五線制電源,變壓器含220V,36V,24V??删幊踢壿嬁刂破鱌LC 工作電壓為220V。觸摸屏MCGS 電源為DC24V。光耦模塊工作電壓為DC24V。

        3 應(yīng)用

        本實(shí)訓(xùn)教學(xué)裝置系統(tǒng)當(dāng)前用于我校的機(jī)電一體化技術(shù)、數(shù)控技術(shù)及電信專業(yè)中,具體為:現(xiàn)代電氣技術(shù)理論及實(shí)訓(xùn)課、PLC 應(yīng)用理論及實(shí)訓(xùn)課、電氣類技能取證等,通過一個多學(xué)期的實(shí)踐教學(xué)及技能考證中證明,本實(shí)訓(xùn)裝置工作安全、可靠、便于安裝、操作、搬運(yùn)、檢修、試驗(yàn)和監(jiān)測等特性,也可直接應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目中。

        4 結(jié)論

        本電氣柜系統(tǒng)屬于低壓設(shè)備,主要指的是交流電壓和直流電壓在1000V 以下的電氣系統(tǒng)裝置,此系統(tǒng)最高電壓為380V,內(nèi)部分為AC220V,DC24V 等,它具有較高的可靠性與集約性,在性能方面,不僅可以保證系統(tǒng)安全運(yùn)行,而且可以保證PLC下載及觸摸屏轉(zhuǎn)輸信號的有效傳輸與控制。本文中的控制柜可靠性較強(qiáng)且結(jié)構(gòu)緊湊合理,提升了PLC 電氣教學(xué)裝置的標(biāo)準(zhǔn)化水平,為電氣類課程和PLC 類課程理論教學(xué)及實(shí)訓(xùn)實(shí)踐教學(xué)提供了更多的借鑒和依據(jù),在投入使用后的一個多學(xué)期里,實(shí)用性和可靠性獲得師生認(rèn)可,該系統(tǒng)在其他相關(guān)專業(yè)中具有一定推廣價值。

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