1. 硬件設(shè)計(jì)概述

  (1) 硬件設(shè)計(jì)的重要性。PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括了硬件與軟件兩方面的內(nèi)容。在控制系統(tǒng)的總體規(guī)劃(方案設(shè)計(jì))完成，并且選定了對(duì)應(yīng)的PLC型號(hào)與規(guī)格后，從工程設(shè)計(jì)的角度，就應(yīng)該進(jìn)入控制系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計(jì)階段，即進(jìn)行系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)。

  PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，并非像某些人主觀想象的那樣：由于PLC具有靈活、通用的特點(diǎn)，全部控制要求均可以通過(guò)軟件解決，因此設(shè)計(jì)時(shí)只要進(jìn)行PLC與輸入/輸出信號(hào)間的簡(jiǎn)單連接即可。而是直接關(guān)系到控制系統(tǒng)的安全性、可靠性與生產(chǎn)制造成本等諸多重要問(wèn)題。而且，硬件設(shè)計(jì)一旦完成，它不可以像軟件設(shè)計(jì)那樣可以隨時(shí)隨地進(jìn)行修改，因此，它是決定控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵問(wèn)題，必須引起設(shè)計(jì)者的高度重視。

  雖然，PLC是專門為工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)的控制裝置，其本身的安全性、可靠性已經(jīng)得到了良好的保證，但如果外部條件不能滿足PLC的基本要求，同樣可能影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，造成設(shè)備運(yùn)行的不穩(wěn)定，甚至危及設(shè)備與人身安全。因此，在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)階段，就必須考慮到系統(tǒng)的安全性與可靠性，并始終將其放在最為重要的位置。

  硬件設(shè)計(jì)是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行的原理、安裝、施工、調(diào)試、維修等方面的具體技術(shù)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)必須認(rèn)真、仔細(xì)確保全部圖樣與技術(shù)文件的完整、準(zhǔn)確、齊全、系統(tǒng)、統(tǒng)一、并貫徹國(guó)際、國(guó)內(nèi)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

  (2) 硬件設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容。一般來(lái)說(shuō)，PLC系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)應(yīng)包括如下內(nèi)容：

  1) 控制系統(tǒng)主回路設(shè)計(jì)、控制回路設(shè)計(jì)、安全電路、PLC輸入/輸出回路等方面的設(shè)計(jì)。

  2) 控制拒、操縱臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

  3) 控制柜、操縱臺(tái)的電器元件安裝設(shè)計(jì)。

  4) 電氣連接設(shè)計(jì)。

  以上內(nèi)容中的主回路、控制回路、PLC輸入/輸出回路的設(shè)計(jì)是硬件設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，屬于電氣控制原理設(shè)計(jì)的范疇，統(tǒng)一以"電氣原理圖"的形式體現(xiàn)設(shè)計(jì)思想與要求。

  電氣原理圖是系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)、安裝與連接設(shè)計(jì)、系統(tǒng)調(diào)試與維修的基礎(chǔ)，它完整地體現(xiàn)了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想與要求，系統(tǒng)中所使用的任何電器元件及它們之間的連接要求、主要規(guī)格參數(shù)等，均在電氣原理圖上得到了全面、準(zhǔn)確、系統(tǒng)的反映，因此，它是電氣控制系統(tǒng)最為重要的技術(shù)資料。

  電氣原理圖設(shè)計(jì)應(yīng)遵循國(guó)際、國(guó)家或行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。在國(guó)外，一般來(lái)說(shuō)，除涉及安全性、可靠性的準(zhǔn)則決不可違背外，對(duì)其他方面的要求(如圖形符號(hào)、元器件代號(hào)等的表示方法)通常較靈活，因此，在閱讀進(jìn)口設(shè)備圖紙時(shí)應(yīng)注意。此外，電氣原理圖的具體繪制要求、讀圖方法等雖然是PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要掌握的內(nèi)容，但它們不屬于這里要介紹的范疇，需要時(shí)可參考有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與其他參考書。

  PLC電氣原理圖設(shè)計(jì)中，PLC的I/O連接設(shè)計(jì)相對(duì)來(lái)說(shuō)是系統(tǒng)中較為簡(jiǎn)單的部分，只需要根據(jù)PLC輸入/輸出的類型，按照PLC的連接要求進(jìn)行連接即可。然而，控制系統(tǒng)的PLC外圍電路設(shè)計(jì)，往往是影響系統(tǒng)運(yùn)行安全性、可靠性，決定系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵，尤其應(yīng)該引起設(shè)計(jì)者的重視。

  控制柜、操縱臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，控制柜、操縱臺(tái)的電器元件安裝設(shè)計(jì)，電氣連接設(shè)計(jì)等屬于安裝與連接設(shè)計(jì)的范疇。設(shè)計(jì)的目的是用于指導(dǎo)、規(guī)范現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)與施工，為系統(tǒng)安裝、調(diào)試、維修提供幫助，并提高系統(tǒng)的可靠性與標(biāo)準(zhǔn)化程度。

  2. 系統(tǒng)主回路設(shè)計(jì)

  (1) 主回路設(shè)計(jì)的內(nèi)容。在電氣控制系統(tǒng)中，習(xí)慣上將高電壓、大電流的回路稱為主回路。在常見的PLC控制系統(tǒng)中，主回路通常包括如下部分：

  1) 電動(dòng)機(jī)主回路，包括用于電動(dòng)機(jī)通斷控制的接觸器、電動(dòng)機(jī)保護(hù)的斷路器等。

  2) 各種動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置的電源回路與動(dòng)力回路，如驅(qū)動(dòng)器電源輸入回路及其通斷控制的接觸器、保護(hù)斷路器、伺服電動(dòng)機(jī)的電樞回路、直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁回路等。

  3) 各種控制變壓器的一次側(cè)輸入回路，包括通斷控制的接觸器、保護(hù)斷路器等.

  4) 用于供給控制系統(tǒng)各部分主電源的電源輸入與控制回路，包括用于電源變壓器、穩(wěn)壓器件以及用于電源回路控制的接觸器、保護(hù)斷路器等。

  PLC控制系統(tǒng)的主回路設(shè)計(jì)與其他電氣控制系統(tǒng)無(wú)原則性區(qū)別。但必須符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，并結(jié)合PLC控制系統(tǒng)的自身特點(diǎn)，充分考慮系統(tǒng)的可靠性與安全性。

  (2) 電源總開關(guān)。根據(jù)EN60204-1(VDE0113第1部分)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，為了使整個(gè)控制系統(tǒng)與電網(wǎng)隔離機(jī)械設(shè)備的電氣控制裝置必須安裝電源總開關(guān)。

  總開關(guān)的設(shè)計(jì)要求是：開關(guān)必須具有足夠的分?jǐn)嗄芰?，必須能夠分?jǐn)嗵幱凇岸罗D(zhuǎn)”狀態(tài)的最大電動(dòng)機(jī)的電流與其他所有用電設(shè)備和電動(dòng)機(jī)的電流總和。

  通過(guò)總開關(guān)，原則上應(yīng)能斷開設(shè)備中的所有用電設(shè)備電源，例外的是，當(dāng)設(shè)備安裝有需要在總電源切斷情況下使用的安全保護(hù)裝置，如維修用電源、維修用照明、設(shè)備安全防護(hù)的解鎖裝置等部件時(shí)，允許這部分的電源直接連接在設(shè)備進(jìn)線上，可以不通過(guò)總開關(guān)分?jǐn)唷５?，即便如此，以上電路仍然需要安裝獨(dú)立的短路保護(hù)器件(如斷路器等)。

  (3) 保護(hù)裝置的安裝。為了對(duì)設(shè)備主回路進(jìn)行可靠、有效的保護(hù)，設(shè)備中每一個(gè)獨(dú)立的部件都必須安裝用于短路、過(guò)電流保護(hù)的保護(hù)器件(如斷路器等)，保護(hù)器件必須具有足夠的分?jǐn)嗄芰?，必須能夠可靠分?jǐn)啾槐Ｗo(hù)的用電設(shè)備或電動(dòng)機(jī)。

  出于調(diào)試、維修的需要和對(duì)系統(tǒng)的可靠性與安全性的考慮，原則上對(duì)于不同類型的主回路，如電動(dòng)機(jī)主回路、驅(qū)動(dòng)主回路等，在每一部件獨(dú)立安裝保護(hù)器件的基礎(chǔ)上，還應(yīng)對(duì)每一大類分類安裝總保護(hù)斷路器

  對(duì)于輸入/輸出點(diǎn)數(shù)、種類較多、構(gòu)成復(fù)雜、控制要求較高的控制系統(tǒng)，當(dāng)外部輸入/輸電信號(hào)共用電源時(shí)，應(yīng)采用分組的形式進(jìn)行供電，每組通過(guò)獨(dú)立的保護(hù)斷路器進(jìn)行保護(hù)與通/斷控制。

  (4) 接地與抗干擾。從安全角度考慮，控制系統(tǒng)應(yīng)安裝總接地母線，用于電位平衡與接地。與主回路連接的各種獨(dú)立電氣控制裝置，應(yīng)有專門的、符合要求的接地連接線與設(shè)備接地母線進(jìn)行連接，以防止干擾，提高可靠性。

  系統(tǒng)中容易產(chǎn)生干擾或是容易受到外部干擾的電氣控制裝置，如PLC、數(shù)控裝置(CNC)、伺服驅(qū)動(dòng)器、變頻器等，應(yīng)通過(guò)隔離變壓器、濾波電抗器等與電源進(jìn)行連接，以抑制線路干擾。

  系統(tǒng)中的需要通斷的大功率負(fù)載，應(yīng)在線路上安裝浪涌電壓吸收器，以抑制負(fù)載通斷產(chǎn)生的過(guò)電壓與干擾。

  (5) 輔助控制電源的設(shè)計(jì)。用于系統(tǒng)安全保護(hù)、緊急停機(jī)控制的裝置(如制動(dòng)器、安全門保護(hù)等)的輔助電源，應(yīng)確保不會(huì)因"急停"等操作而分?jǐn)唷?

  系統(tǒng)中可靠性要求較高的控制部件，如PLC的電源輸入、CNC的電源輸入等，當(dāng)它們?yōu)橹绷鱀C24V供電時(shí)，應(yīng)盡可能采用獨(dú)立的穩(wěn)壓電源進(jìn)行供電；當(dāng)采用交流供電時(shí)，應(yīng)安裝獨(dú)立的隔離變壓器，原則上不要與系統(tǒng)的其他控制電路與執(zhí)行元件(如電磁閥、220V/24V控制回路等)共用電源。

  PLC輸入/輸出所需要的傳感器、開關(guān)、執(zhí)行元件電源，應(yīng)盡可能采用外部電源供電的形式，以防止由于外部線路故障引起PLC損壞。

  注意：在歐洲，目前已經(jīng)對(duì)工業(yè)電氣控制設(shè)備的主回路實(shí)行3相AC400V與單相AC230V標(biāo)準(zhǔn)、以取代傳統(tǒng)的3相AC380V與單相AC220V標(biāo)準(zhǔn)，因此，在進(jìn)行出口設(shè)備設(shè)計(jì)及進(jìn)口設(shè)備維修時(shí)應(yīng)加以注意

  3. 系統(tǒng)控制回路設(shè)計(jì)

  PLC控制系統(tǒng)中的控制回路，是指由繼電器、接觸器等低壓電器構(gòu)成的強(qiáng)電控制回路。在常見的控制系統(tǒng)中，控制回路一般有AC220V(或AC230V)與DC24V兩種，其組成與作用如下。

  (1) AC220V控制回路。PLC控制系統(tǒng)中的AC220V(或AC230V)控制回路一般包括以下線路：

  1)用于電氣控制系統(tǒng)的AC220V(或AC230V)安全電路，如緊急分?jǐn)嚯娐?、安全門控制電路、"雙手控制”電路等。

  注意：國(guó)外相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定(如歐共體的EN418標(biāo)準(zhǔn))對(duì)用于控制系統(tǒng)緊急分?jǐn)?、安全防護(hù)門控制、夾具“雙手”控制等特殊場(chǎng)合的電路，均有具體、明確的要求，如線路必須通過(guò)機(jī)電式的結(jié)構(gòu)元件執(zhí)行，使用的控制元件觸點(diǎn)必須滿足"強(qiáng)制執(zhí)行"條件，設(shè)計(jì)的電路必須具有"冗余"，操作元件必須具有保護(hù)等。

  2) 電氣控制裝置、電動(dòng)機(jī)、設(shè)備的啟動(dòng)/停止控制線路。

  3) 主回路中的AC220V(或AC230V)接觸器的通/斷控制電路。雖然，大部分PLC的輸出可以直接驅(qū)動(dòng)AC220V(或AC230V)的負(fù)載，但考慮到系統(tǒng)的安全、可靠性及線路“互鎖”的需要，一般情況下，主回路的接觸器通/斷仍然以AC220V(或AC230V)控制電路進(jìn)行控制的場(chǎng)合居多。

  4) 各種驅(qū)動(dòng)裝置、控制裝置的AC22V。

  (2) DC24V控制回路。

  PLC控制系統(tǒng)中的DC24V控制回路一般包括以下控制線路：

  1) DC24V輔助繼電器感觸器接點(diǎn)控制回路。

  2) 用于電氣控制系統(tǒng)的DC24V緊急分?jǐn)嚯娐放c安全電路。3)DC24V電磁閥、電磁離合器等執(zhí)行元件的驅(qū)動(dòng)、控制線路。4)DC24V制動(dòng)器、防護(hù)門連鎖控制線路等。

  (3) 控制回路的設(shè)計(jì)原則?？刂苹芈吩O(shè)計(jì)的基本要求與最高準(zhǔn)則是必須保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全、可靠?？刂苹芈返脑O(shè)計(jì)不僅要考慮設(shè)備的正常運(yùn)行情況，尤其是要考慮到當(dāng)設(shè)備中的機(jī)械部件、電器元件發(fā)生故障以及出現(xiàn)誤操作、誤動(dòng)作等情況下的緊急處理。無(wú)論出現(xiàn)何種情況，控制回路必須要能保證設(shè)備的安全、可靠停機(jī)，并且不會(huì)造成對(duì)操作、維修者人身與設(shè)備的傷害。

  在保證安全、可靠的前提下，控制回路的動(dòng)作設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能簡(jiǎn)捷、明了，方便操作與維修。電路中的元器件選擇盡可能統(tǒng)一、規(guī)范，生產(chǎn)廠家不宜過(guò)多，以方便采購(gòu)供應(yīng)與維修服務(wù)?？刂苹芈返目刂齐妷簯?yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電壓種類不宜過(guò)多，以降低生產(chǎn)制造成本，提高系統(tǒng)可靠性。下面將提供的主回路與控制回路設(shè)計(jì)示范實(shí)例，可以供讀者設(shè)計(jì)時(shí)參考。