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時間：2023-09-19

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PLC的電路主回路與控制回路設計

1. 硬件設計概述

(1) 硬件設計的重要性。PLC控制系統(tǒng)設計包括了硬件與軟件兩方面的內容。在控制系統(tǒng)的總體規(guī)劃(方案設計)完成，并且選定了對應的PLC型號與規(guī)格后，從工程設計的角度，就應該進入控制系統(tǒng)的技術設計階段，即進行系統(tǒng)的硬件與軟件設計。

PLC控制系統(tǒng)的硬件設計，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。而是直接關系到控制系統(tǒng)的安全性、可靠性與生產制造成本等諸多重要問題。而且，硬件設計一旦完成，它不可以像軟件設計那樣可以隨時隨地進行修改，因此，它是決定控制系統(tǒng)設計成敗的關鍵問題，必須引起設計者的高度重視。

雖然，PLC是專門為工業(yè)環(huán)境設計的控制裝置，其本身的安全性、可靠性已經得到了良好的保證，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，造成設備運行的不穩(wěn)定，甚至危及設備與人身安全。因此，在系統(tǒng)硬件設計階段，就必須考慮到系統(tǒng)的安全性與可靠性，并始終將其放在較為重要的位置。

硬件設計是對系統(tǒng)進行的原理、安裝、施工、調試、維修等方面的具體技術設計，設計必須認真、仔細確保全部圖樣與技術文件的完整、準確、齊全、系統(tǒng)、統(tǒng)一、并貫徹**、國內有關標準。

(2) 硬件設計的基本內容。一般來說，PLC系統(tǒng)硬件設計應包括如下內容：

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

2) 控制拒、操縱臺的機械結構設計。

3) 控制柜、操縱臺的電器元件安裝設計。

4) 電氣連接設計。

以上內容中的主回路、控制回路、PLC輸入/輸出回路的設計是硬件設計的主要內容，屬于電氣控制原理設計的范疇，統(tǒng)一以"電氣原理圖"的形式體現設計思想與要求。

電氣原理圖是系統(tǒng)軟件設計、安裝與連接設計、系統(tǒng)調試與維修的基礎，它完整地體現了系統(tǒng)的設計思想與要求，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)較為重要的技術資料。

電氣原理圖設計應遵循**、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，在閱讀進口設備圖紙時應注意。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)設計中需要掌握的內容，但它們不屬于這里要介紹的范疇，需要時可參考有關標準與其他參考書。

PLC電氣原理圖設計中，PLC的I/O連接設計相對來說是系統(tǒng)中較為簡單的部分，只需要根據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)成敗的關鍵，尤其應該引起設計者的重視。

控制柜、操縱臺的機械結構設計，控制柜、操縱臺的電器元件安裝設計，電氣連接設計等屬于安裝與連接設計的范疇。設計的目的是用于指導、規(guī)范現場生產與施工，為系統(tǒng)安裝、調試、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)主回路設計

(1) 主回路設計的內容。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) 各種動力驅動裝置的電源回路與動力回路，如驅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。但必須符合有關標準的規(guī)定，并結合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。根據E**0204-1(VDE0113*1部分)標準規(guī)定，為了使整個控制系統(tǒng)與電網隔離機械設備的電氣控制裝置必須安裝電源總開關。

總開關的設計要求是：開關必須具有足夠的分斷能力，必須能夠分斷處于“堵轉”狀態(tài)的較大電動機的電流與其他所有用電設備和電動機的電流總和。

通過總開關，原則上應能斷開設備中的所有用電設備電源，例外的是，當設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備進線上，可以不通過總開關分斷。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。為了對設備主回路進行可靠、有效的保護，設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備或電動機。

出于調試、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、驅動主回路等，在每一部件獨立安裝保護器件的基礎上，還應對每一大類分類安裝總保護斷路器

對于輸入/輸出點數、種類較多、構成復雜、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，應有專門的、符合要求的接地連接線與設備接地母線進行連接，以防止干擾，提高可靠性。

系統(tǒng)中容易產生干擾或是容易受到外部干擾的電氣控制裝置，如PLC、數控裝置(CNC)、伺服驅動器、變頻器等，應通過隔離變壓器、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，應在線路上安裝浪涌電壓吸收器，以抑制負載通斷產生的過電壓與干擾。

(5) 輔助控制電源的設計。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、執(zhí)行元件電源，應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，目前已經對工業(yè)電氣控制設備的主回路實行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，在進行出口設備設計及進口設備維修時應加以注意

3. 系統(tǒng)控制回路設計

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構元件執(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) 控制回路的設計原則。控制回路設計的基本要求與較高準則是必須保證系統(tǒng)運行的安全、可靠?？刂苹芈返脑O計不僅要考慮設備的正常運行情況，尤其是要考慮到當設備中的機械部件、電器元件發(fā)生故障以及出現誤操作、誤動作等情況下的緊急處理。無論出現何種情況，控制回路必須要能保證設備的安全、可靠停機，并且不會造成對操作、維修者人身與設備的傷害。

在保安全、可靠的前提下，控制回路的動作設計應盡可能簡捷、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，生產廠家不宜過多，以方便采購供應與維修服務。控制回路的控制電壓應符合標準規(guī)定，電壓種類不宜過多，以降低生產制造成本，提高系統(tǒng)可靠性。下面將提供的主回路與控制回路設計**實例，可以供讀者設計時參考。

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