基于西門子S7- 1200PLC 實訓裝置設計

吳新友

（麗水職業技術學院，浙江 麗水323000）

我校現代電氣控制實訓室是機電一體化技術專業的核心實訓室，《電氣控制與PLC 應用》為本專業最重要的課程，如果電氣控制實踐項目比作是一個人，則PLC 就是人的大腦。目前實訓室采用S7-200 安裝而成舊系統，且直接安裝電路板之中，所有輸入輸出點使用頻率高，檢修與維護不便，程序下載時常出現通訊不成功等問題，隨著機電一體化技術專業課程建設的需要，實訓室引入了S7-1200PLC，本文將對存在的不足加以改進和設計新的實訓裝置。

因此，本文加深對PLC 控制系統技術的研究，保證電氣設備的穩定安全工作，實現教學及經濟效益。在本文中，筆者闡述了采用S7-1200PLC 可編程邏輯控制器與各項如通信、保護等電氣技術結合，依據電氣控制與PLC 應用課程實踐項目相結合，按照以往項目經驗，系統的分析、制作了每個模塊，通過測試作出準確的判斷和改進，滿足實訓教學要求，以實現符合本校機電、數控及電信專業要求的控制系統。

1 系統總體設計方案

本PLC 電氣控制柜設計的基本思路如下所述，符合專業教學要求、保證學生電氣安全及滿足生產工藝要求。這些設計包括控制柜結構設計、控制柜的總體配置、總接線圖設計及各部分電器裝配與接線圖設計等技術資料。

總體設計思路圍繞著當前實際教學中存在的不足及需要增加的功能加以設計，解決課程項目式實訓教學、電氣安裝、柜體布置合理緊湊及穩固性等方面，設計方案如圖1 所示。

圖1 控制柜設計系統框圖

1.1 系統柜體結構設計及原則

本系統控制柜，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模塊，柜門安裝了控制開關、急停開關、電源狀態和工作指示燈，柜體左側面為三相五線制動力線進線，右側面為通訊模塊接口及電機輸出線。為保證柜體整體穩定，底面安裝了穩定支架。所有的安裝口，均根據所需安裝設備及接口的尺寸進行設計和預留。控制系統電氣設計原則如下：（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線數量，做到最優化的配置。（3）為了控制柜系統美觀、整齊且合理，把需要經常使用、維護及易損器件安裝在相鄰位置。（4）將系統中的弱電及強電分離，減少系統之間的干擾。

1.2 安全性保護及通訊模塊設計

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

在控制電路中應避免出現寄生回路，控制電路應該具有完善的保護環節，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。

通訊模塊設計方法為，將PLC 自帶的網線下載口、所有PLC輸入端口、線路中涉及USB 口、串口引到控制柜右側板上，以方便與上位機及其他設備通訊。

1.3 控制柜的穩定性設計

由于控制柜使用時可平放或直立使用，當直立時接觸面有限，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墊，用于承受柜體重量及保證正常運行時柜體的安穩和牢固。

2 方案實施

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

2.1 控制柜系統的布局

該控制柜線路系統的設計，從元器件結構布局開始，所以合理的器件布置非常重要，應系統低壓配電設備布置，應該符合我國國家標準《10kV 及以下變電所設計規范》（GB.50053-94）的規定。同時，設備布置必須遵循安全、可靠、便于安裝、操作、搬運、檢修、試驗和監測，控制柜主視圖及擴展通訊接口模塊如圖2 所示。

圖2 控制柜主視圖及擴展通訊接口模塊

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引入至柜門電源開關上，再引入柜體底板變壓器及空氣開關中，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、弱電線路分開，以免相互干擾。當學生在進行電氣接線、故障排查、維護檢修時，離不開規范的線號管標識系統，規范的號碼線是有一定方向的，當號碼管水平方向或置于接線端子兩側時，號碼管文字方向從左往右讀，當號碼管垂直方向或置于接線端子上下兩側時，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打印。如果沒有線號管或不規范，會大大增加學生在作業過程中故障檢修的難度和時間。

2.3 保護電路及通訊模塊的設計與實施

輸入保護電路原理圖如圖3 所示，為4N25 型光電耦合器PLC輸入端保護電路圖，SQ 為開關輸入信號，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 電源的負載，又可使光耦工作時輸入和輸出不共地，避免產生可能的干擾。當PLC 的驅動元件是電磁閥或交流接觸器時，為了提高系統的可靠性，故在輸出端與驅動元件之間增加過零型固態繼電器AC-SSR,如圖4 所示，從圖中可知，從PLC輸入的控制信號經晶體管放大驅動AC-SSR，它的輸出經過驅動元件連接AC220V 電壓，圖中的MOV 為金屬氧化物壓敏電阻，用于保護AC-SSR，其中電壓在標稱值電壓以下時，MOV呈現很大的阻值。當超過標稱值時，阻值則很小。在電壓斷開瞬間，剛好能吸收線圈存儲的能量，從而進行保護。

圖3 4N25 型光耦保護電路

在實訓裝置控制系統中，涉及PLC 程序下載及各設備與上位機間的通信，程序網線下載端口是利用PLC 自帶的網口。將PLC 自帶的網線下載口、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板上，所選用的連接線要帶有屏蔽功能。

2.4 控制柜技術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。可編程邏輯控制器PLC 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 應用

本實訓教學裝置系統當前用于我校的機電一體化技術、數控技術及電信專業中，具體為：現代電氣技術理論及實訓課、PLC 應用理論及實訓課、電氣類技能取證等，通過一個多學期的實踐教學及技能考證中證明，本實訓裝置工作安全、可靠、便于安裝、操作、搬運、檢修、試驗和監測等特性，也可直接應用于實際生產項目中。

4 結論

本電氣柜系統屬于低壓設備，主要指的是交流電壓和直流電壓在1000V 以下的電氣系統裝置，此系統最高電壓為380V，內部分為AC220V，DC24V 等，它具有較高的可靠性與集約性，在性能方面，不僅可以保證系統安全運行，而且可以保證PLC下載及觸摸屏轉輸信號的有效傳輸與控制。本文中的控制柜可靠性較強且結構緊湊合理，提升了PLC 電氣教學裝置的標準化水平，為電氣類課程和PLC 類課程理論教學及實訓實踐教學提供了更多的借鑒和依據，在投入使用后的一個多學期里，實用性和可靠性獲得師生認可，該系統在其他相關專業中具有一定推廣價值。