基于西门子S7- 1200PLC 实训装置设计

吴新友

（丽水职业技术学院，浙江 丽水323000）

我校现代电气控制实训室是机电一体化技术专业的核心实训室，《电气控制与PLC 应用》为本专业最重要的课程，如果电气控制实践项目比作是一个人，则PLC 就是人的大脑。目前实训室采用S7-200 安装而成旧系统，且直接安装电路板之中，所有输入输出点使用频率高，检修与维护不便，程序下载时常出现通讯不成功等问题，随着机电一体化技术专业课程建设的需要，实训室引入了S7-1200PLC，本文将对存在的不足加以改进和设计新的实训装置。

因此，本文加深对PLC 控制系统技术的研究，保证电气设备的稳定安全工作，实现教学及经济效益。在本文中，笔者阐述了采用S7-1200PLC 可编程逻辑控制器与各项如通信、保护等电气技术结合，依据电气控制与PLC 应用课程实践项目相结合，按照以往项目经验，系统的分析、制作了每个模块，通过测试作出准确的判断和改进，满足实训教学要求，以实现符合本校机电、数控及电信专业要求的控制系统。

1 系统总体设计方案

本PLC 电气控制柜设计的基本思路如下所述，符合专业教学要求、保证学生电气安全及满足生产工艺要求。这些设计包括控制柜结构设计、控制柜的总体配置、总接线图设计及各部分电器装配与接线图设计等技术资料。

总体设计思路围绕着当前实际教学中存在的不足及需要增加的功能加以设计，解决课程项目式实训教学、电气安装、柜体布置合理紧凑及稳固性等方面，设计方案如图1 所示。

图1 控制柜设计系统框图

1.1 系统柜体结构设计及原则

本系统控制柜，主柜体包含一块底板，用于安装所需的可编程逻辑控制器、变压器、低压器件及输入输出保护模块，柜门安装了控制开关、急停开关、电源状态和工作指示灯，柜体左侧面为三相五线制动力线进线，右侧面为通讯模块接口及电机输出线。为保证柜体整体稳定，底面安装了稳定支架。所有的安装口，均根据所需安装设备及接口的尺寸进行设计和预留。控制系统电气设计原则如下：（1）将功能类似的低压器件安装在相邻位置。（2）尽可能减少器件之间的导线数量，做到最优化的配置。（3）为了控制柜系统美观、整齐且合理，把需要经常使用、维护及易损器件安装在相邻位置。（4）将系统中的弱电及强电分离，减少系统之间的干扰。

1.2 安全性保护及通讯模块设计

PLC 输入及输出端的保护原理和方法如下所述：输入端的保护措施为外加一级光电耦合器，当外部有如高电压输入回路时，会击穿保护级光电耦合器，然后像更换熔断器一样将击穿的光耦更换，保护了PLC 输入端电路。PLC 输出驱动一般有直流和交流两类负载，对交流负载采用并联阻容电路，可防止浪涌电流对输出电路的冲击；而对直流负载可采用并联续流二极管进行保护，防止关断时产生的反电势对电路的冲击。

在控制电路中应避免出现寄生回路，控制电路应该具有完善的保护环节，包括过载、短路、过流、欠压和失压等，同时还需要增加急停按钮。

通讯模块设计方法为，将PLC 自带的网线下载口、所有PLC输入端口、线路中涉及USB 口、串口引到控制柜右侧板上，以方便与上位机及其他设备通讯。

1.3 控制柜的稳定性设计

由于控制柜使用时可平放或直立使用，当直立时接触面有限，故在控制柜底面矩形四个角处各安装一接触面相对较大的支撑柱，并在支撑脚安装带防滑的防护垫，用于承受柜体重量及保证正常运行时柜体的安稳和牢固。

2 方案实施

将可编程控制器（CPU1214C AC/DC/RLY）、空气开关（DZ47LE-32 C16）、开关电源（100-240V-1.2A 50-60Hz）等固定在底板上，将MCGS 触摸屏模块、电源开关、急停开关及各类指示灯安装在门板上，将通讯模块及电机输出电缆线安装在控制柜右侧，如图2 所示。

2.1 控制柜系统的布局

该控制柜线路系统的设计，从元器件结构布局开始，所以合理的器件布置非常重要，应系统低压配电设备布置，应该符合我国国家标准《10kV 及以下变电所设计规范》（GB.50053-94）的规定。同时，设备布置必须遵循安全、可靠、便于安装、操作、搬运、检修、试验和监测，控制柜主视图及扩展通讯接口模块如图2 所示。

图2 控制柜主视图及扩展通讯接口模块

2.2 柜体电气线路安装及号码管的使用

将外部三相五线制线路从左侧引入至柜门电源开关上，再引入柜体底板变压器及空气开关中，再通过变压器分压成所需电压，电气线路布线需横平竖直、排列整齐，线束需用缠绕带捆绑，在安装过程中需将强、弱电线路分开，以免相互干扰。当学生在进行电气接线、故障排查、维护检修时，离不开规范的线号管标识系统，规范的号码线是有一定方向的，当号码管水平方向或置于接线端子两侧时，号码管文字方向从左往右读，当号码管垂直方向或置于接线端子上下两侧时，号码管文字方向从下至上读。本控制柜的号码管是使用线号打印机打印。如果没有线号管或不规范，会大大增加学生在作业过程中故障检修的难度和时间。

2.3 保护电路及通讯模块的设计与实施

输入保护电路原理图如图3 所示，为4N25 型光电耦合器PLC输入端保护电路图，SQ 为开关输入信号，光耦为输入DC24V 电源采用AC220V 降压，整流后得到直流电源，而不用PLC 自带的直流电源，这样可在不增大PLC 电源的负载，又可使光耦工作时输入和输出不共地，避免产生可能的干扰。当PLC 的驱动元件是电磁阀或交流接触器时，为了提高系统的可靠性，故在输出端与驱动元件之间增加过零型固态继电器AC-SSR,如图4 所示，从图中可知，从PLC输入的控制信号经晶体管放大驱动AC-SSR，它的输出经过驱动元件连接AC220V 电压，图中的MOV 为金属氧化物压敏电阻，用于保护AC-SSR，其中电压在标称值电压以下时，MOV呈现很大的阻值。当超过标称值时，阻值则很小。在电压断开瞬间，刚好能吸收线圈存储的能量，从而进行保护。

图3 4N25 型光耦保护电路

在实训装置控制系统中，涉及PLC 程序下载及各设备与上位机间的通信，程序网线下载端口是利用PLC 自带的网口。将PLC 自带的网线下载口、所有PLC 输入端口通过DB25 针接口、线路中涉及USB 口、串口都接到通讯模块板上，再将通讯模块安装在控制柜右侧板上，所选用的连接线要带有屏蔽功能。

2.4 控制柜技术性能及选择工作电压等级

外形尺寸：（柜体）50cm*60*20cm、（底板）46*51cm。控制柜工作电压：输入为380V 三相五线制电源，变压器含220V，36V，24V。可编程逻辑控制器PLC 工作电压为220V。触摸屏MCGS 电源为DC24V。光耦模块工作电压为DC24V。

3 应用

本实训教学装置系统当前用于我校的机电一体化技术、数控技术及电信专业中，具体为：现代电气技术理论及实训课、PLC 应用理论及实训课、电气类技能取证等，通过一个多学期的实践教学及技能考证中证明，本实训装置工作安全、可靠、便于安装、操作、搬运、检修、试验和监测等特性，也可直接应用于实际生产项目中。

4 结论

本电气柜系统属于低压设备，主要指的是交流电压和直流电压在1000V 以下的电气系统装置，此系统最高电压为380V，内部分为AC220V，DC24V 等，它具有较高的可靠性与集约性，在性能方面，不仅可以保证系统安全运行，而且可以保证PLC下载及触摸屏转输信号的有效传输与控制。本文中的控制柜可靠性较强且结构紧凑合理，提升了PLC 电气教学装置的标准化水平，为电气类课程和PLC 类课程理论教学及实训实践教学提供了更多的借鉴和依据，在投入使用后的一个多学期里，实用性和可靠性获得师生认可，该系统在其他相关专业中具有一定推广价值。