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。