PLC控制的綜合實訓屏系統(tǒng)設(shè)計實例分析

摘要：針對學生電工、維修電工基本技能實訓需求，結(jié)合PLC技術(shù)，對電工實訓低壓配電屏電機控制系統(tǒng)進行了基于PLC技術(shù)的二次設(shè)計和改造，分析和闡述了PLC引入的步驟、具體設(shè)計實例及預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞：PLC；實訓屏；系統(tǒng)設(shè)計

作者簡介：羅宇（1969-），女，重慶人，重慶電力高等?？茖W校實訓部，講師，工程師。（重慶 400053）

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）05-0113-02

PLC作為先進的、應(yīng)用最廣的工業(yè)控制器已風靡全球，而三相異步電動機廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和民用生活中。PLC在三相異步電動機控制中的應(yīng)用與傳統(tǒng)的繼電器控制相比，具有控制速度快、可靠性高、靈活性強、功能完善等優(yōu)點，PLC能夠為自動化控制應(yīng)用提供安全、可靠和比較完善的解決方案，適合工業(yè)生產(chǎn)對自動化控制的需求。因此，PLC在現(xiàn)代工控領(lǐng)域扮演了舉足輕重的角色。

《低壓配電屏電機控制安裝實訓》是重慶電力高等?？茖W校電氣、熱動主干專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)實踐課程“電工工藝實訓”的核心模塊。它體現(xiàn)了電工技術(shù)的綜合性、現(xiàn)代性和現(xiàn)場性，對高職學生專業(yè)電工知識的學習和電工、維修電工基本技能的提升具有極其重要的意義。基于PLC的電機控制在工控領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，有必要對現(xiàn)有的低壓配電實訓屏進行二次設(shè)計和改進，在電工基本技能模塊中引入PLC技術(shù)，采用PLC少量開關(guān)量邏輯控制指令來替代繼電器電機控制功能。實現(xiàn)了模塊化設(shè)計，單元式組合，可視性強，為學生搭建了一個實用的開放式的電工工藝實訓平臺，構(gòu)筑了一座從學校（基礎(chǔ)理論）走向社會（工程實踐）的橋梁。

一、PLC工作運行及其系統(tǒng)設(shè)計要點

1.PLC工作運行

PLC主要由主機、輸入/輸出接口、電源、編程器擴展器接口和外部設(shè)備接口組成。因其類型的不同，其功能指令語句也大同小異。PLC工作運行是按“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進行。即CPU依據(jù)用戶控制要求編制的程序，沿程序語句指令的序號進行周期性循環(huán)掃描，若無跳轉(zhuǎn)語句則從第一條開始，逐條順序執(zhí)行程序直至程序結(jié)束。隨即又循環(huán)重返第一條語句，開始下一輪順序掃描。PLC每順序掃描一次，必經(jīng)過輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。這三個階段即為一個周期。

2.PLC控制系統(tǒng)設(shè)計要點

（1）提出系統(tǒng)控制要求。依據(jù)生產(chǎn)工藝過程，了解并細化被控對象工作特征（如需完成的動作順序、動作條件、必備的保護和連鎖，操作方式要求自動、連續(xù)、單周期、單步等），分析被控對象機械與電氣間的配合，提出被控對象對PLC控制系統(tǒng)的控制要求。

（2）明確輸入/輸出設(shè)備。參照系統(tǒng)控制要求，明確系統(tǒng)所需的輸入設(shè)備（如轉(zhuǎn)換開關(guān)、按鈕等）和輸出設(shè)備（如指示燈），進而確定PLC的I/O分配對應(yīng)表和I/O接線圖。

（3）設(shè)計軟件及硬件。進行PLC軟件設(shè)計，完成控制柜（臺）等硬件設(shè)計及現(xiàn)場施工。

（4）聯(lián)機調(diào)試及整理技術(shù)文件。

二、基于PLC的觸點互鎖電機正反轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計實例

1.觸點互鎖電機正反轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)的控制要求

按啟動按鈕SB1，電動機作星形連接啟動，電機正轉(zhuǎn)；按啟動按鈕SB2，電動機作星形連接啟動，電機反轉(zhuǎn)。在電機正轉(zhuǎn)時，反轉(zhuǎn)按鈕SB2被鎖定；在電機反轉(zhuǎn)時，正轉(zhuǎn)按鈕SB1被鎖定。如需正反轉(zhuǎn)切換，應(yīng)首先按下停止按鈕SB3，使電機處于停止工作狀態(tài)，方可對其做旋轉(zhuǎn)方向切換。

2.控制系統(tǒng)I/O分配表（見表1）及輸入/輸出接線圖（見圖1）

3.控制系統(tǒng)軟件設(shè)計（見圖2）

PLC連上編程器并接通電源后，其電源指示燈亮，編程器開關(guān)置于“PROGRAM”，即PLC處于編程狀態(tài)。編程器顯示PASSWORD！此時按住“Cltr”鍵并按下“Montr”鍵，待屏幕顯示地址號0000，即可輸入程序。

注意：輸入程序前，需將存儲器內(nèi)容清零，再將控制程序?qū)懭隤LC。程序輸入到PLC指令如表2所示。

4.控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

依據(jù)PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計步驟，完成PLC系統(tǒng)程序設(shè)計后，便進入控制柜（低壓配電屏）等硬件設(shè)計階段。基于PLC特點，控制系統(tǒng)程序設(shè)計與硬件設(shè)計也能并行實施。

（1）PLC硬件組成。PLC選用三菱FX系列，PLC控制單元包括CPU模塊、數(shù)字量I/O模塊、模擬量I/O模塊、通信模塊和繼電器；系統(tǒng)的各控制信號或輸入信號均是“開關(guān)量”或“模擬量”。如開關(guān)量輸入的控制按鈕部分以及模擬量輸入的外部傳感器接口單元。PLC（FX系列）將一個微處理器、一個集成電源和數(shù)字量I/O點集成在一個緊湊的封裝中，從而形成了一個功能強大的微型PLC。

（2）電源配置。輸入AC 220V；輸出AC 0V～250V ；交流可調(diào)電源及DC 5V/DC 12V/DC 24V各1路（由模塊電源組建）；另配置1臺直流穩(wěn)壓電源（0V～50V可調(diào)），電源還需配置漏電及過流、過載等保護裝置。

（3）控制系統(tǒng)故障預(yù)設(shè)。實訓屏控制系統(tǒng)故障預(yù)設(shè)，若采用計算機模擬程序控制，改造成本高，而利用開關(guān)控制，不僅能達到同樣效果，而且成本較低。因此在實訓屏上另加置一故障預(yù)設(shè)模板，模板上由多個開關(guān)組成，各開關(guān)串聯(lián)在電路中即可完成對電機各種控制線路的故障設(shè)置，且具有多種故障組合。

技能考核前，考評員只需操作開關(guān)即可設(shè)置故障，考核中考生先通電觀察故障現(xiàn)象，隨后斷電，用表計判斷故障并排除故障，然后通電驗收，最后斷電，拆線完成考核。結(jié)束后，考評員只需很短時間操作開關(guān)就可復(fù)位設(shè)置故障，又能進行下一輪考核。

控制系統(tǒng)故障預(yù)設(shè)模板靈活、方便、快捷，避免了故障現(xiàn)象過于直觀，保證了電工與維修電工考核的公平、公正和高效。

（4）控制系統(tǒng)實訓屏模塊間輔助設(shè)施。設(shè)計與控制系統(tǒng)實訓屏配套的設(shè)施是各式不同的機架和模板箱，要求統(tǒng)一標準規(guī)格和設(shè)計尺寸，以保證與實訓屏布局合理、方便、實用。

實訓元器件采用導軌和機架固定，開放式安裝于屏柜。既便于組裝和拆卸，又便于學生識別和測試元件及其參數(shù)；一個機架與不同的模板箱搭配可完成不同的實訓項目。

每一單元都有各自的輸入和輸出接口，均采用接線端子排，以便于接線；為規(guī)避相互干擾，輸入、輸出信號與電源均要求分開。這樣才能保證控制系統(tǒng)實訓屏良好的擴展性，緊跟自控領(lǐng)域的發(fā)展需求；實訓內(nèi)容充實且選擇靈活，使學生實訓的選擇更有針對性；開放式設(shè)計，便于學生認識、掌握。

三、設(shè)計改進后的預(yù)期效果

充實和豐富電工工藝實訓內(nèi)容，將基本電工元件（接觸器、開關(guān)、按鈕等）與工控自控模塊（PLC控制模塊）以及基本電工測量儀表（電壓表、電流表等）恰當組合，實現(xiàn)模塊化設(shè)計，實施單元式組合。學生根據(jù)自己的設(shè)計，把抽象的圖形符號與具體器件有機結(jié)合，去控制或操作器件，實現(xiàn)其設(shè)計功能。這有助于激發(fā)學生的實訓和創(chuàng)新熱情；有助于他們將電工實訓知識、技能融入到以后的工程實踐中，使學生真正能夠?qū)W有所用。

四、結(jié)論

基于PLC的電工實訓屏的改進設(shè)計，為學生構(gòu)筑了一個有實際意義的開放式電工實訓操作平臺，構(gòu)建了一座從基礎(chǔ)理論走向工程實踐的橋梁，為初次接觸工程實踐項目的學子使用計算機從事工業(yè)自動控制打開了便捷之門。

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（責任編輯：孫晴）