時慧喆

（山東科技大學(xué)工程實訓(xùn)中心，山東 青島 266590）

1 工程實訓(xùn)教學(xué)中的電氣控制實訓(xùn)

在工程實訓(xùn)教學(xué)中，電氣控制技能實訓(xùn)是一個重要的實訓(xùn)項目，在以應(yīng)用型工科專業(yè)為主的綜合性大學(xué)中，工科類學(xué)生掌握相關(guān)電氣控制類的技能不僅有利于培養(yǎng)其動手實踐能力，也更加符合社會和企業(yè)對復(fù)合型人才的要求[1]。傳統(tǒng)的電氣實訓(xùn)項目主要依托學(xué)生在相關(guān)工作臺上根據(jù)給定線路連接出相應(yīng)的控制線路，這樣的實訓(xùn)項目有利于學(xué)生了解經(jīng)典控制線路中各元器件的工作原理，理解電氣控制線路的整體動作過程，但是隨著技術(shù)的發(fā)展，以PLC為代表的先進(jìn)控制技術(shù)給傳統(tǒng)的電氣控制線路帶來了新的進(jìn)步[2-4]。

2 PLC技術(shù)在電氣控制中的應(yīng)用

在PLC控制技術(shù)的幫助下，筆者完成了相關(guān)電氣控制的硬件接線及程序編寫，并通過運(yùn)行編寫的程序達(dá)到對控制線路中各元器件動作、狀態(tài)的控制，實現(xiàn)傳統(tǒng)控制線路無法實現(xiàn)的定時、定量、檢測、反饋等功能。在數(shù)字控制PLC技術(shù)的加持下，自動化電氣設(shè)備按照設(shè)置好的程序運(yùn)行，提升了電氣設(shè)備及其所組成的電氣系統(tǒng)的自動化程度[5]。

因為PLC在不同的電氣設(shè)備中所執(zhí)行的功能復(fù)雜程度也有所不同，技術(shù)人員對PLC相關(guān)技能的掌握程度將直接影響電氣設(shè)備乃至系統(tǒng)的正常運(yùn)行。PLC中的軟件編程面對不同技術(shù)人員提供了不同的方式，既有邏輯清晰的梯形圖，也有專業(yè)復(fù)雜的SCL語言。從性價比方面來看，應(yīng)用PLC技術(shù)的電氣設(shè)備制造投入較低，可隨時根據(jù)電氣設(shè)備使用需求的變化來調(diào)整PLC中的程序，經(jīng)過對PLC梯形圖的繪制、修改，能夠根據(jù)電氣設(shè)備運(yùn)行情況，有效控制繼電器，確保電氣系統(tǒng)正常運(yùn)行，十分方便、靈活，減少了設(shè)備的拆裝次數(shù)，降低了電氣設(shè)備使用過程中的成本。在網(wǎng)絡(luò)化程度日益提升的當(dāng)下，PLC的功能也在不斷升級，通過PLC中的網(wǎng)絡(luò)功能可以實現(xiàn)整個電氣系統(tǒng)中多個電氣設(shè)備的統(tǒng)一控制與管理，保障系統(tǒng)中電氣設(shè)備的精準(zhǔn)控制，有效避免系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)的問題，減少人為誤差，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率[6-7]。

3 PLC實訓(xùn)面板的設(shè)計與組裝

此PLC實訓(xùn)面板的設(shè)計目的是讓學(xué)生在實訓(xùn)完經(jīng)典的電氣控制線路后，在這些經(jīng)典的電氣控制線路中加入PLC控制技術(shù)，學(xué)生可對PLC的外部硬件連接線、內(nèi)部編程進(jìn)行具體的實訓(xùn)。此實訓(xùn)面板的設(shè)計組裝需要如下元器件：（1）網(wǎng)孔板（70 cm×70 cm）；（2）斷路器導(dǎo)軌；（3）線槽；（4）漏電保護(hù)裝置（4P）、漏電保護(hù)裝置（2P）；（5）S7-200smart PLC（ST30DC/DC/DC）；（6）開關(guān)電源（AC220 V-DC24 V）；（7）6孔按鈕盒；（8）中間繼電器、交流接觸器等繼電器；（9）1.5 mm2軟銅線等規(guī)格不同的導(dǎo)線。所需要的工具有十字螺絲刀、一字螺絲刀、斜口鉗、剝線鉗、尖嘴鉗等。

將這些元器件按照一定的規(guī)劃布置并用導(dǎo)線連接起來，效果如圖1所示。

圖1 電氣控制PLC面板

使用自行設(shè)計組裝的PLC實訓(xùn)控制面板可以根據(jù)不同專業(yè)本科生所學(xué)內(nèi)容的不同，通過增減元器件調(diào)整實訓(xùn)操作內(nèi)容，靈活方便；且相比于直接購買綜合性、專業(yè)性強(qiáng)的教學(xué)設(shè)備，自行設(shè)計組裝的PLC實訓(xùn)教學(xué)面板可以節(jié)約一些經(jīng)費，適用于一些經(jīng)費不充足的單位。

4 PLC實訓(xùn)中項目設(shè)置

4.1 PLC外部硬件實訓(xùn)

由于使用的是自行組裝的PLC控制面板，其靈活的特性可讓學(xué)生進(jìn)行PLC外部連接線的學(xué)習(xí)。學(xué)生自己動手連接PLC的外部接線，PLC的外部分為輸入點與輸出點，不同型號的PLC所具有的接線端數(shù)量不同，但是輸入、輸出點會符合3:2的比例，如型號為ST30DC/DC/DC的PLC就有18個輸入點、12個輸出點。正確地將外部輸入信號元件安裝在輸入端，執(zhí)行元器件安裝在輸出端，是順利進(jìn)行PLC實訓(xùn)必要的硬件條件。

現(xiàn)在簡單介紹一下圖1所示的輸入端信號元件（按鈕）與輸出端執(zhí)行元件（中間繼電器DC24 V）的安裝方法。按鈕是一種無源元件，如果PLC的輸入公共端接DC24 V+，那么按鈕的一端就接DC24 V-（圖2），另一端接PLC的輸入端；另一種安裝方式可將PLC的輸入公共端（M）接DC24 V-，按鈕上的其中一端接DC24 V+，另一端接PLC的輸入端（根據(jù)需要接I0.1、I0.2等端口）。

圖2 按鈕連接PLC輸入端

輸出端安裝的中間繼電器，將DC24 V電源正極接到L+端，將電源負(fù)極接到M端，再將繼電器線圈中標(biāo)號為14的端子直接連接到PLC輸出端的Q點（如Q0.0、Q0.1等），標(biāo)號為13的端子連接到M端（0 V），如圖3所示。

圖3 中間繼電器的連接方式

4.2 PLC內(nèi)部編程實訓(xùn)

經(jīng)典的電氣控制線路是由按鈕、交流接觸器、時間繼電器等元器件通過導(dǎo)線連接起來形成相應(yīng)的邏輯，從而實現(xiàn)相應(yīng)的元器件控制功能。PLC控制功能的實現(xiàn)依靠的就是將傳統(tǒng)線路中所包含的邏輯轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的程序，其中最簡單易懂的編程為梯形圖，如果將電氣控制線路中的邏輯結(jié)構(gòu)如觸點、線圈等與PLC編程中的相關(guān)指令逐一對照，即可簡單地將一個電氣控制線路轉(zhuǎn)換成梯形圖。

西門子S7-200smart通常使用的是STEP 7-Micro/WIN SMART軟件，軟件直接在官方網(wǎng)站免費下載安裝即可，完成后的主界面如圖4所示。菜單欄：軟件的各個功能，包括向?qū)ЫM態(tài)；項目樹：通信、硬件組態(tài)、符號表、狀態(tài)圖表、基本指令等；編程區(qū)域：在此區(qū)域進(jìn)行梯形圖編程；參考信息：編譯信息、地址分配、狀態(tài)顯示等。

圖4 STEP 7-Micro/WIN SMART主界面

4.2.1 編程原則

在STEP 7-Micro/WIN SMART軟件中使用的是梯形圖編程，作為PLC的首要編程語言，其延續(xù)了經(jīng)典控制線路圖形象、直觀、實用的特點，被很多電氣操作人員所喜愛。梯形圖中所涉及的各種電氣元件并不是真實存在的物理電器，而是屬于“軟元件（存儲單元）”，每個“軟元件”與PLC存儲器中映像寄存器的一個存儲單元相對應(yīng)。如果存儲單元的狀態(tài)為“1”，表示其對應(yīng)梯形圖中的軟元件“通電”；如果存儲單元狀態(tài)為“0”，梯形圖中的軟元件“斷電”。在梯形圖編程時，將這些“軟元件”按照電氣控制線路中元器件的邏輯順序進(jìn)行編程，編程所遵循的原則如下：

（1）同一個編號的“軟元件”輸出線圈（如Q0.0、Q0.1等）、時間繼電器（T37、T38等）、計數(shù)器（C37、C38等）在同一個梯形圖程序中只能使用一次，但接點可無限次使用。

（2）梯形圖程序的運(yùn)行都是從左邊母線開始，由上到下，每行中從左到右執(zhí)行，“軟元件”輸出線圈在最右邊，各種按鈕、觸點必須放在輸出線圈的左邊。

（3）“軟元件”的線圈不能和梯形圖的母線連接。如果確實有需要，可通過一個未使用繼電器上的動斷觸點或者特殊繼電器（常ON）來連接。

（4）輸出線圈可以并聯(lián)，但不能串聯(lián)。

（5）“軟元件”在沒有定義之前不能編入梯形圖。

（6）在梯形圖的母線上不能編組任何“軟元件”。

4.2.2 常用基本邏輯指令及其應(yīng)用

現(xiàn)在通過一個簡單的梯形圖（圖5）介紹常用的指令及其圖形符號。

圖5 梯形圖

（1）LD（load）表示常開觸點連接到母線上，其裝載位置在梯形圖母線或線路分支點處；與此類似的還有LDN（load not），表示常閉觸點，其裝載位置與LD指令相似。

（2）=（OUT）表示輸出線圈指令，對同一個元件只能使用一次。

（3）A（And）表示“與”指令，在梯形圖編程中的含義為串聯(lián)一個常開觸點。

（4）AN（And not）表示“與非”指令，在梯形圖編程中的含義為串聯(lián)一個常閉觸點。

（5）O表示“或”指令操作，在梯形圖編程中的含義為并聯(lián)一個常開觸點。

（6）ON表示“或非”指令，在梯形圖編程中的含義為并聯(lián)一個常閉觸點。

5 PLC實訓(xùn)應(yīng)用實例——三相異步電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制

將三相異步電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制的主電路和控制電路“翻譯”成PLC梯形圖的具體步驟如下：

（1）正確理解三相異步電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制電路（圖6），理解其線路通電后的動作過程：

圖6 三相異步電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制線路

1）先閉合斷路器QS接入380 V的三相交流電。

2）三相異步電機(jī)正轉(zhuǎn)控制：按下正轉(zhuǎn)按鈕SB1時，交流接觸器KM1線圈得電，交流接觸器KM1主觸點和自鎖觸點閉合（交流接觸器KM1常閉互鎖觸點斷開），三相異步電機(jī)M啟動連續(xù)正轉(zhuǎn)。

3）三相異步電機(jī)反轉(zhuǎn)控制：反轉(zhuǎn)時必須先按下停止按鈕SB3，交流接觸器KM1線圈失電，交流接觸器KM1主觸點分?jǐn)啵喈惒诫姍C(jī)M失電停轉(zhuǎn)。等到三相異步電機(jī)主軸徹底停轉(zhuǎn)后，按下反轉(zhuǎn)啟動按鈕SB2，交流接觸器KM2線圈得電，交流接觸器KM2主觸點和自鎖觸點閉合（交流接觸器KM2常閉互鎖觸點斷開），三相異步電機(jī)M啟動連續(xù)反轉(zhuǎn)。

（2）分析線路。從控制線路來看，它具有正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止、自鎖、互鎖控制功能，此外還具有過載保護(hù)功能，因此在變成PLC梯形圖之前首先要做到以下幾點：

1）確定輸入/輸出點。根據(jù)控制要求，其I/O分配如表1所示。

表1 I/O分配表

2）將電氣控制線路中的邏輯順序轉(zhuǎn)換成梯形圖。從左到右、從上到下讀懂該控制線路，并按從上到下、從左到右的順序?qū)?yīng)畫出梯形圖的第一、第二網(wǎng)絡(luò)，如圖7所示。

圖7 按照控制線路初步畫出梯形圖

然后根據(jù)梯形圖的一般畫法規(guī)則，在同一網(wǎng)絡(luò)中，梯形圖并聯(lián)支路盡可能靠左，連接在母線上，串聯(lián)多的支路盡量靠在上面，同時，相同網(wǎng)絡(luò)中并聯(lián)出的分支不要太多，整理得到圖8所示正反轉(zhuǎn)控制梯形圖。

圖8 整理后的三相異步電機(jī)梯形圖

6 結(jié)語

使用自行設(shè)計組裝的電氣控制PLC面板有利于根據(jù)專業(yè)需要自行調(diào)整設(shè)計，方便根據(jù)電氣自動化領(lǐng)域的進(jìn)步來進(jìn)行更新迭代。使用設(shè)備進(jìn)行實訓(xùn)的過程中，從外部接線到內(nèi)部編程，學(xué)生都可以自己動手進(jìn)行實踐，提升了PLC實訓(xùn)的趣味性，調(diào)動了學(xué)生的積極性，開拓了學(xué)生的知識面，提高了學(xué)生的技能水平，有利于為社會的發(fā)展培養(yǎng)出更多的復(fù)合工程應(yīng)用型人才。