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PLC的電路主回路與控制回路設(shè)計
1. 硬件設(shè)計概述
(1) 硬件設(shè)計的重要性。PLC控制系統(tǒng)設(shè)計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)完成,并且選定了對應(yīng)的PLC型號與規(guī)格后,從工程設(shè)計的角度,就應(yīng)該進入控制系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計階段,即進行系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計。
PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計,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,全部控制要求均可以通過軟件解決,因此設(shè)計時只要進行PLC與輸入/輸出信號間的簡單連接即可。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題。而且,硬件設(shè)計一旦完成,它不可以像軟件設(shè)計那樣可以隨時隨地進行修改,因此,它是決定控制系統(tǒng)設(shè)計成敗的關(guān)鍵問題,必須引起設(shè)計者的高度重視。
雖然,PLC是專門為工業(yè)環(huán)境設(shè)計的控制裝置,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)的正常運行,造成設(shè)備運行的不穩(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,并始終將其放在為重要的位置。
硬件設(shè)計是對系統(tǒng)進行的原理、安裝、施工、調(diào)試、維修等方面的具體技術(shù)設(shè)計,設(shè)計必須認真、仔細確保全部圖樣與技術(shù)文件的完整、準確、齊全、系統(tǒng)、統(tǒng)一、并貫徹、國內(nèi)有關(guān)標準。
(2) 硬件設(shè)計的基本內(nèi)容。一般來說,PLC系統(tǒng)硬件設(shè)計應(yīng)包括如下內(nèi)容:
1) 控制系統(tǒng)主回路設(shè)計、控制回路設(shè)計、安全電路、PLC輸入/輸出回路等方面的設(shè)計。
2) 控制拒、操縱臺的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。
3) 控制柜、操縱臺的電器元件安裝設(shè)計。
4) 電氣連接設(shè)計。
以上內(nèi)容中的主回路、控制回路、PLC輸入/輸出回路的設(shè)計是硬件設(shè)計的主要內(nèi)容,屬于電氣控制原理設(shè)計的范疇,統(tǒng)一以"電氣原理圖"的形式體現(xiàn)設(shè)計思想與要求。
電氣原理圖是系統(tǒng)軟件設(shè)計、安裝與連接設(shè)計、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、準確、系統(tǒng)的反映,因此,它是電氣控制系統(tǒng)為重要的技術(shù)資料。
電氣原理圖設(shè)計應(yīng)遵循、國家或行業(yè)的標準與規(guī)范。在國外,一般來說,除涉及安全性、可靠性的準則決不可違背外,對其他方面的要求(如圖形符號、元器件代號等的表示方法)通常較靈活,因此,在閱讀進口設(shè)備圖紙時應(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,需要時可參考有關(guān)標準與其他參考書。
PLC電氣原理圖設(shè)計中,PLC的I/O連接設(shè)計相對來說是系統(tǒng)中較為簡單的部分,只需要根據(jù)PLC輸入/輸出的類型,按照PLC的連接要求進行連接即可。然而,控制系統(tǒng)的PLC外圍電路設(shè)計,往往是影響系統(tǒng)運行安全性、可靠性,決定系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵,尤其應(yīng)該引起設(shè)計者的重視。
控制柜、操縱臺的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計,控制柜、操縱臺的電器元件安裝設(shè)計,電氣連接設(shè)計等屬于安裝與連接設(shè)計的范疇。設(shè)計的目的是用于指導、規(guī)范現(xiàn)場生產(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)的可靠性與標準化程度。
2. 系統(tǒng)主回路設(shè)計
(1) 主回路設(shè)計的內(nèi)容。在電氣控制系統(tǒng)中,習慣上將高電壓、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) 電動機主回路,包括用于電動機通斷控制的接觸器、電動機保護的斷路器等。
2) 各種動力驅(qū)動裝置的電源回路與動力回路,如驅(qū)動器電源輸入回路及其通斷控制的接觸器、保護斷路器、伺服電動機的電樞回路、直流電動機的勵磁回路等。
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、保護斷路器等。
PLC控制系統(tǒng)的主回路設(shè)計與其他電氣控制系統(tǒng)無原則性區(qū)別。但必須符合有關(guān)標準的規(guī)定,并結(jié)合PLC控制系統(tǒng)的自身特點,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)E**0204-1(VDE01131部分)標準規(guī)定,為了使整個控制系統(tǒng)與電網(wǎng)隔離機械設(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)計要求是:開關(guān)必須具有足夠的分斷能力,必須能夠分斷處于“堵轉(zhuǎn)”狀態(tài)的大電動機的電流與其他所有用電設(shè)備和電動機的電流總和。
通過總開關(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,當設(shè)備安裝有需要在總電源切斷情況下使用的安全保護裝置,如維修用電源、維修用照明、設(shè)備安全防護的解鎖裝置等部件時,允許這部分的電源直接連接在設(shè)備進線上,可以不通過總開關(guān)分斷。但是,即便如此,以上電路仍然需要安裝獨立的短路保護器件(如斷路器等)。
(3) 保護裝置的安裝。為了對設(shè)備主回路進行可靠、有效的保護,設(shè)備中每一個獨立的部件都必須安裝用于短路、過電流保護的保護器件(如斷路器等),保護器件必須具有足夠的分斷能力,必須能夠可靠分斷被保護的用電設(shè)備或電動機。
出于調(diào)試、維修的需要和對系統(tǒng)的可靠性與安全性的考慮,原則上對于不同類型的主回路,如電動機主回路、驅(qū)動主回路等,在每一部件獨立安裝保護器件的基礎(chǔ)上,還應(yīng)對每一大類分類安裝總保護斷路器
對于輸入/輸出點數(shù)、種類較多、構(gòu)成復(fù)雜、控制要求較高的控制系統(tǒng),當外部輸入/輸電信號共用電源時,應(yīng)采用分組的形式進行供電,每組通過獨立的保護斷路器進行保護與通/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)動器、變頻器等,應(yīng)通過隔離變壓器、濾波電抗器等與電源進行連接,以抑制線路干擾。
系統(tǒng)中的需要通斷的大功率負載,應(yīng)在線路上安裝浪涌電壓吸收器,以抑制負載通斷產(chǎn)生的過電壓與干擾。
(5) 輔助控制電源的設(shè)計。用于系統(tǒng)安全保護、緊急停機控制的裝置(如制動器、安全門保護等)的輔助電源,應(yīng)確保不會因"急停"等操作而分斷。
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,當它們?yōu)橹绷鱀C24V供電時,應(yīng)盡可能采用獨立的穩(wěn)壓電源進行供電;當采用交流供電時,應(yīng)安裝獨立的隔離變壓器,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)對工業(yè)電氣控制設(shè)備的主回路實行3相AC400V與單相AC230V標準、以取代傳統(tǒng)的3相AC380V與單相AC220V標準,因此,在進行出口設(shè)備設(shè)計及進口設(shè)備維修時應(yīng)加以注意
3. 系統(tǒng)控制回路設(shè)計
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,如緊急分斷電路、安全門控制電路、"雙手控制”電路等。
注意:國外相關(guān)安全標準的規(guī)定(如歐共體的EN418標準)對用于控制系統(tǒng)緊急分斷、安全防護門控制、夾具“雙手”控制等特殊場合的電路,均有具體、明確的要求,如線路必須通過機電式的結(jié)構(gòu)元件執(zhí)行,使用的控制元件觸點必須滿足"強制執(zhí)行"條件,設(shè)計的電路必須具有"冗余",操作元件必須具有保護等。
2) 電氣控制裝置、電動機、設(shè)備的啟動/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AC220V(或AC230V)的負載,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)控制電路進行控制的場合居多。
4) 各種驅(qū)動裝置、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控制回路。
2) 用于電氣控制系統(tǒng)的DC24V緊急分斷電路與安全電路。3)DC24V電磁閥、電磁離合器等執(zhí)行元件的驅(qū)動、控制線路。4)DC24V制動器、防護門連鎖控制線路等。
(3) 控制回路的設(shè)計原則??刂苹芈吩O(shè)計的基本要求與高準則是必須保證系統(tǒng)運行的安全、可靠??刂苹芈返脑O(shè)計不僅要考慮設(shè)備的正常運行情況,尤其是要考慮到當設(shè)備中的機械部件、電器元件發(fā)生故障以及出現(xiàn)誤操作、誤動作等情況下的緊急處理。無論出現(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,并且不會造成對操作、維修者人身與設(shè)備的傷害。
在保安全、可靠的前提下,控制回路的動作設(shè)計應(yīng)盡可能簡捷、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)廠家不宜過多,以方便采購供應(yīng)與維修服務(wù)??刂苹芈返目刂齐妷簯?yīng)符合標準規(guī)定,電壓種類不宜過多,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**實例,可以供讀者設(shè)計時參考。
詞條
詞條說明
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