PLC电气控制系统设计优化

■应知点:

1.了解PLC电气控制系统的构成原理。

2.了解PLC电气控制线路的构成。

■应会点:

1.掌握电气控制线路图的分析和读图能力。

2.掌握PLC电气控制系统的设计方法。

一、任务简述

在工、农业生产中广泛使用电气设备和生产机械，其电气控制系统大多是以电动机为被控对象，以继电器—接触器和PLC控制器等器件组成的自动控制系统。其作用是对被控对象实现自动控制，满足生产工艺的要求和实现生产过程自动化。

为了表达生产机械电气控制系统的结构、原理等设计意图，便于电气系统的安装、调试、使用和维修，通常用电气控制系统图表示各电器元件及其连接线路。电气控制系统图一般分为电气原理图、电器布置图和电气安装接线图。各种图有其不同的用途和规定画法，通常采用国标规定的图文符号和画法来绘制。熟练掌握电气原理图、电器布置图和电气安装接线图的画法，在实际工作中非常重要。

二、相关知识

(一)电气控制系统的构成

电气控制系统主要由受令部分、分析判断部分和执行部分构成，其功能与其他控制系统相同。从具体电路上看，电气控制电路可分为主回路和控制回路两部分。一般电气控制系统由以下几部分构成。

1.测量和显示部分

测量部分由传感器、变换元件、各种仪器仪表等组成，专门检测和显示外部信号。例如，温度传感器是检测温度变化信号，位移传感器是检测位置移动距离信号，电流表是显示电流变化信号。

2.控制部分

控制部分是整个控制系统中的核心部分，主要是由各种低压电器元件组成的主回路和控制回路，实现控制系统的输出，并具有各种保护功能。

3.执行部分

执行部分是实现对控制部分输出的响应，驱动电机带动生产机械运行。

4.电源部分

电源部分是为主回路和控制回路提供电源，并能够对主回路和控制回路电源进行保护，以保证设备电路在发生短路故障时及时切断电源。

(二)电气识图

电气识图是从事电气控制系统设计的基础，正确识读电气控制系统图，正确绘制电气图，才能完成控制功能，才能正确应用和维护。

1.电气控制系统图的分类

按用途和表达方式的不同，电气控制系统图可分为电气原理图、电器布置图、电气安装接线图等几种。

1)电气原理图

电气原理图是采用国标规定的图文符号，以电器元件展开的形式绘制而成。它不按照电器元件的实际布置位置来绘制，也不反映电器元件的大小，但包含了所有电器元件的导电部件和接线端点。主要作用是便于了解电气控制系统的工作原理，方便电气设备的安装、调试与维修。

2)电器布置图

电器布置图主要是标示电气设备上电器元件的实际位置，方便电气控制设备的制造、安装。在实际应用中，一般将电器布置图与电气安装接线图组合在一起，以便于安装施工时一目了然。

3)电气安装接线图

电气安装接线图是采用国标规定的图文符号，按各电器元件相对位置绘制的实际接线图。绘图时不仅要把同一电器的各个部件画在一起，而且各个部件的布置要尽可能符合电器的实际情况。电气安装接线图中的回路标号是电气设备之间、电器元件之间、导线与导线之间的连接标记，它的图文符号应与原理图一致。

2.电气图的图文符号

电气图是用电气图文符号绘制，用来描述电气控制设备结构、工作原理和技术要求的图。它必须符合国家制图标准或国际电工委员会(IEC)颁布的有关文件要求，用统一标准的图形符号、文字符号及规定的画法绘制。

1)图形符号

图形符号通常用图样或其他文件表示一个设备或概念的图形、标记或字符，由一般符号、符号要素、限定符号等组成。

(1)一般符号:表示某类产品及特征的一种简单标记代号，如电动机用M表示、发电机用G表示。

(2)符号要素:表示具有确定意义的简单图形，同其他图形组合构成一个设备或概念的完整符号。

(3)限定符号:限定符号是指用于提供附加信息的一种加在其他符号上的符号，一般不能单独使用，但它可以使图形符号更具多样性。例如，在电阻器一般符号的基础上加上不同的限定符号，可得到可变电阻器、热敏电阻器和压敏电阻器等。

2)文字符号

文字符号用于标明电气设备、装置和元器件的名称、功能和特征，文字符号分为基本文字符号和辅助文字符号。

(1)基本文字符号:分为单字母及双字母符号两种。单字母符号按拉丁字母将各种电气设备、装置和元器件划分为23大类，每一大类用一个专用单字母符号表示。如“C”表示电容器类，“R”表示电阻器类。双字母符号是由一个表示种类的单字母符号与另一字母组成，单字母符号在前，另一个字母在后。如“F”表示保护器类，而“FU”表示熔断器。

(2)辅助文字符号:辅助文字符号是用于表示电气设备、装置和元器件以及线路的功能、状态和特征等，如“L”表示限制，“RD”表示红色等。辅助文字符号也可放在表示种类的单字母符号后边组成双字母符号，如“YB”表示电磁制动器、“SP”表示压力传感器等。为简化文字符号起见，若辅助文字符号由两个以上字母组成时，允许只采用其第一位字母进行组合，如“MS”表示同步电动机。辅助文字符号还可以单独使用，如“ON”表示接通、“PE”表示保护接地。

3)线路和电气设备端标记

线路用字母、数字、符号及其组合标记。三相交流电源采用Ll、L2、L3标记，中性线采用N标记。电源开关之后的三相交流电源主电路分别按U、V、W顺序标记。分级三相交流电源主电路采用三相文字代号U、V、W加上阿拉伯数字1、2、3等来标记，如U1、V1、W1或U2、V2、W 2等。

(三)PLC电气控制系统分析及设计方法

1.PLC电气控制系统的分析方法

PLC电气控制系统的分析是在掌握了机械设备及电气控制系统的构成、运行方式、相互关系，以及各电动机和执行电器的用途等基本条件之后，对设备控制线路进行具体的分析。分析的一般原则是:化整为零、先主后辅、集零为整、安全保护和全面检查。分析电气控制系统时，通常从电源开始，自上而下，自左而右，逐一分析其接通及断开的关系并区分出主令信号、联锁条件和保护要求等。根据图区坐标标注的检索，可以方便地分析出各控制条件与输出的因果关系。一般按照以下步骤进行。

1)了解生产工艺与执行电器的关系

在分析电气线路之前，应该熟悉生产机械的工艺情况，充分了解生产机械要完成哪些动作，明确生产机械的动作与执行电器的关系，画出简单的工艺流程图。

2)主电路分析

主电路的构造一般比较明确清晰，较容易看出采用了哪些电器及什么方法启动，是否要求正反转、有无调速和制动要求等。

3)控制电路分析

一般情况下控制电路较主电路要略微复杂些。但无论复杂与否，都可以根据主电路及辅助电路的控制要求，采取“化整为零”的方法，把控制电路分解为一些基本的熟悉的单元电路，得出其动作情况。

4)辅助电路分析

辅助电路中的电源、工作状态、照明和故障报警显示等，大多由控制电路中的元器件来控制，所以，对辅助电路进行分析是很有必要的。

5)分析联锁和保护环节

工业设备对于安全性和可靠性有很高的要求，为了实现这些要求，除了合理地选择控制方案外，在控制线路中必须设置电气保护和电气联锁。

6)总体检查

经过“化整为零”的局部分析，逐步分析每一个局部电路的工作原理以及各部分之间的控制关系之后，还必须用“集零为整”的方法，检查整个控制线路，看是否有遗漏，特别要从整体角度去进一步分析和理解各控制环节之间的联系及其作用。

2.PLC电气控制系统的设计方法

PLC电气控制系统的设计分为主电路设计和控制电路设计。通常有两种方法，即经验设计法和逻辑设计法。经验设计法主要是根据生产工艺要求，利用各种典型的线路环节，直接设计控制电路。这种方法比较简单，但要求设计人员具有丰富的经验。在设计过程中往往还要经过多次反复的修改、试验，才能使线路符合设计的要求。逻辑设计法是根据生产工艺的要求，利用逻辑代数来分析、设计控制线路。用这种方法设计出来的线路比较合理，特别适合完成较复杂的生产工艺所要求的控制线路设计。但是相对而言，逻辑设计法难度较大，不易掌握，所设计出来的电路不太直观。

PLC电气控制系统的设计原则如下:

(1)最大限度地满足生产机械和工艺对电气控制线路的要求。

(2)控制线路力求简单、经济、安全可靠。应做到以下几点:

①尽量减少电器的数量。尽量选用相同型号的电器和标准件，以减少备品量；尽量选用标准的、常用的或经过实际实验过的线路和环节。

②尽量减少控制线路中电源的种类。

③尽量缩短连接导线的长度和数量。设计控制线路时，应考虑各个元件之间的实际接线。

如图1－82所示，图1－82(a)所示接线是不合理的，因为按钮在操作台或面板上，而接触器在电气柜内，这样接线就需要由电气柜二次引出接到操作台的按钮上。改为图1－82(b)后，可减少些引出线。

图1－82　电器连接

(a)不合理；(b)合理

图1－83　线圈的连接

(a)错误；(b)正确

④正确连接触点。在控制电路中，应尽量将所有触点接在线圈的左端或上端，而线圈的右端或下端直接接到电源的另一根母线上，这样可以减少线路内产生虚假回路的可能性，还可以简化电气柜的出线。

⑤正确连接电器的线圈。在交流控制电路中不能串联两个电器的钱圈，如图1－83(a)所示。因为每一个线圈上所分到的电压与线圈阻抗成正比，两个电器动作总是有先有后，不可能同时吸合。两个电器需要同时动作时，其线圈应该并联起来，如图1－83(b)所示。

⑥元器件的连接。应尽量减少多个元件依次通电后才接通另一个电器元件的情况。在图1－84(a)中，线圈KA3的接通要经过KA、KA1、KA2 3个常开触点，改接成图1－84(b)后，则每一对线圈通电只需要经过一对常开触点，工作较可靠。

图1－84　元器件的连接

(a)错误；(b)正确

⑦控制电路必须具有联锁和安全保护环节。(www.xing528.com)

3.减少PLC输入和输出点数的方法

PLC控制系统设计中，PLC输入和输出数目的多少会影响程序的可读性和系统的明确性。下面介绍几种减少PLC输入和输出点数的方法。

1)减少PLC输入的方法

(1)分时分组输入:一般控制系统都存在多种工作方式，但各种工作方式又不可能同时运行。所以可将这几种工作方式分别使用的输入信号分成若干组，PLC运行时只会用到其中的一组信号。因此，各组输入可共用PLC的输入点，这样就使所需的PLC输入点数减少，如图1－85所示。

(2)输入触点的合并:如果某些外部输入信号总是以某种“与或非”组合的整体形式出现在梯形图中，可以将它们对应的触点在PLC外部串、并联后作为一个整体输入PLC，只占PLC的一个输入点，从而减少PLC输入点数，如图1－86所示。

图1－85　分时分组输入

图1－86　输入触点合并

(3)将信号设置在PLC之外:系统的某些输入信号，如手动操作按钮、保护动作后需手动复位的电动机热继电器FR的常闭触点提供的信号，可以设置在PLC外部的硬件电路中。某些手动按钮需要串接一些安全联锁触点，如果外部硬件联锁电路过于复杂，则应考虑仍将有关信号送入PLC，用梯形图实现联锁。

2)减少PLC输出点数的方法

(1)矩阵输出:图1－87中采用8个输出组成4×4矩阵，可接16个输出。要使某个接触器线圈接通工作，只要控制它所在的行与列对应的输出继电器接通即可。这样用8个输出点就可控制16个不同控制要求的接触器线圈。

(2)分组输出:当两组负载不会同时工作时，可通过外部转换开关或通过受PLC控制的电器触点进行切换，这样PLC的每个输出点可以控制两个不同时工作的负载，如图1－88所示。KM1、KM3、KM5和KM2、KM4、KM6这两组不会同时接通，可用外部转换开关SA进行切换。

图1－87　矩阵输出

图1－88　分组输出

(3)并联输出:当两个通断状态完全相同的负载，可并联后共用PLC的一个输出点。但要注意PLC输出点同时驱动多个负载时，应考虑PLC点的驱动能力是否足够。

(4)负载多功能化:一个负载实现多种用途。例如，在传统的继电器电路中，一个指示灯只指示一种状态。而在PLC系统中，利用PLC编程功能，很容易实现用一个输出点控制指示灯的常亮和闪烁，这样一个指示灯就可表示两种不同的信息，从而节省了输出点数。

(5)某些输出设备可不用PLC控制:系统中某些相对独立、比较简单的部分可考虑直接用继电器电路控制。

4.PLC控制系统的设计流程

设计流程如图1－89所示。

三、应用实施

1.电气原理图绘制

电气原理图是从整体上理解电气系统或装置的组成原理，能够详细理解电气作用、电气接线、分析和计算电路技术性能。电气原理图由以下几方面组成，如图1－90所示。

下面以图1－91所示的电气原理图为例，介绍电气原理图的绘制原则、方法及注意事项。

(1)原理图一般分主电路和辅助电路两部分。主电路就是从电源到电动机大电流通过的路径。辅助电路包括控制电路、照明电路、信号电路及保护电路等，由接触器和继电器的线圈、触点、按钮、照明灯、信号灯、控制变压器等电气元件组成。控制系统中的全部电机、电器和其他器械的带电部件，都应在原理图中表示出来。

图1－89　PLC控制系统设计一般流程图

图1－90　电气原理图的组成

图1－91　某机床电气原理图

(2)原理图中各电器元件不画实际的外形图，而采用国标规定的图形符号，文字符号。原理图中各个电器元件和部件在控制线路中的位置，应遵循便于阅读的原则。同一电器元件的各个部件可以不画在一起。

(3)原理图中元器件和设备的可动部分，均按照没有通电和没有外力作用时的开闭状态画出。

(4)原理图的绘制应该遵循自上而下、从左到右的原则，合理布局、排列均匀，为了便于看图，可以水平布置，也可以垂直布置。电路垂直布置时，类似项目宜横向对齐；水平布置时，类似项目应纵向对齐。电气原理图中，有直接联系的交叉导线连接点，要用黑圆点表示；无直接联系的交叉导线连接点不能画黑圆点。

(5)图面区域的划分。电气原理图上方的1、2、3等数字是图区的编号，它是为了便于检索电气线路，方便阅读分析从而避免遗漏设置的。图区编号也可设置在图的下方。

图区编号下方的文字表明它对应的下方元件或电路的功能，使读者能清楚地知道某个元件或某部分电路的功能，以利于理解全部电路的工作原理。

(6)符号位置的索引。符号位置的索引用图号、页次和图区编号的组合索引法，索引代号的组成如图1－92所示。

图1－92　索引代号组成

图号是指当某设备的电气原理图按功能数册装订时，每册的编号，一般用数字表示。当某一元件相关的各符号元素出现在不同图号的图纸上，且每个图号仅有一页图纸时，索引代号中可省略“页次”且用分隔符“·”。当某一元件相关的各符号元素出现在同一图号的图纸上，而该图号有几张图纸时，可省略“图号”和分隔符“/”。当某一元件相关的各符号元素出现在只有一张图纸的不同图区时，索引代号只用“图区号”表示。

2.电气安装接线图的绘制

电气安装接线图主要用于电气设备的安装配线、线路检查、线路维修和故障处理。在图中要表示出各电气设备、电器元件之间的实际接线情况，并标注出外部接线所需的数据。在电气安装接线图中各电器元件的文字符号、元件连接顺序、线路号码编制都必须与电气原理图一致。

电气安装接线图的绘制必须遵循以下原则。

(1)必须遵循国家标准绘制电气安装接线图。各电器元件的位置、文字符号必须和电气原理图中的标注一致，同一个电器元件的各部件(如同一个接触器的触点、线圈等)必须画在一起，各电器元件的位置应与实际安装位置一致。

(2)不在同一安装板或电气柜上的电器元件或信号的电气连接一般应通过端子排连接，并按照电气原理图中的接线编号连接。

(3)走向相同、功能相同的多根导线可用单线或线束表示。画连接线时，应标明导线的规格、型号、颜色、根数和穿线管的尺寸。

3.电器元件布置图的绘制

电器元件布置图主要是表明电气设备上所有电器元件的实际安装位置，为电气设备的安装及维修提供必要的资料。电器元件布置图不需标注尺寸，但各电器代号应与电气原理图图纸和电器清单上所有的元器件代号相同，在图中留有10%以上的备用面积及导线管(槽)的位置，以供改进设计时用。电器元件布置图应遵循以下绘制原则。

(1)必须遵循国家标准设计和绘制电器元件布置图。相同类型的电器元件布置时，应把体积较大和较重的安放在控制柜或面板的下方。发热的元器件应该安装在控制柜或面板的上方或后方，但热继电器一般安装在接触器的下面，以方便与电机和接触器的连接。需经常维护、整定和检修的电器元件、操作开关、监视仪器仪表，其安装位置应高低适宜，以便工作人员操作。

(2)强电、弱电应该分开走线，注意屏蔽层的连接，防止信号干扰。

(3)电器元件的布置应考虑安装间隙，并尽可能做到整齐、美观。

四、操作技能考评

通过对本任务相关知识的了解和应用操作实施，对本任务实际掌握情况进行操作技能考评，具体考核要求和考核标准如表1－18所示。

表1－18　任务操作技能考核要求和考核标准

续表

教学小结

1.电气控制系统图主要有电气原理图、电器布置图和电气安装接线图。电气原理图能够清楚地表明电路功能，便于分析系统的工作原理。各种图纸有其不同的用途和规定画法，各种图必须按国家标准绘制。重点掌握电气原理图的规定画法及最新的国家标准。

2.三相笼型异步电动机是生产实际中最常用的输出设备。其全压启动的控制电路是最基本的控制电路。

3.掌握电气控制分析的基础。

思考与练习

1.请叙述说明电气控制线路的装接原则和接线工艺要求。

2.电气控制系统图主要有哪3种?其各自的特点又是什么?

3.读图1－93，思考并回答:

(1)此控制线路由哪些元件组成?

(2)此控制线路的线路工作原理。

(3)此控制线路使用哪些元器件来构成保护环节?

(4)此控制系统实现的是什么功能?

图1－93　电气控制图