在工业自动化领域，PLC（可编程逻辑控制器）控制柜的设计至关重要，它直接关系到整个控制系统的稳定性和可靠性。本文将详细介绍 PLC 控制柜的设计原理、电装布局、接线图和原理图。

一、PLC 控制柜接线的基本原则

1. 按图接线：这是接线的准则。在接线之前，必须仔细阅读图纸，充分领会设计者的意图。不能仅凭个人所谓的丰富经验接线，若发现图纸中有不明之处或矛盾之处，应时间与设计师联系确认，待无误后再进行接线施工。例如，在一个复杂的工业自动化项目中，若接线人员不按图接线，可能会导致控制系统出现故障，影响整个生产流程。
2. 清晰的接线顺序：接线顺序要清晰明了，流程简单且具有可检查性。然而，在实际操作中，很多人往往只是简单地将线头一接，盒子一盖就完事，这给后期的维护和检修带来了很大的困难。
3. 运用接线技巧和工具：要多多学习接线技巧，善于灵活运用工具。以下是一些常见问题及解答：
   • 单芯线和多芯线的处理：单芯线剥皮后可直接压入，多芯线建议使用冷压端子，不建议搪锡。因为搪锡可能会导致线芯变硬，影响接线的稳定性。
   • PLC 扩展模块的接线处理：当 PLC 的扩展模块较多时，对于公共端和供电端的接线，建议在现场维护设备时，将供电电源在端子上分配短接后分别引入用户点，并使用线号管或在端子上做好标记指明去处。这样做直观明了，相互之间影响小，不希望从一点并到另一点，也不希望一个端子下接两根以上的线。对于电源端子排，使用带保险的端子或端子上下之间可以断开连接的那种，在查找短路故障时会非常方便。

二、PLC 内外部电路

1. 外部电路接线
   • 传统的电动机全压起动控制采用接触器电气控制线路，其控制逻辑由交流接触器 KM 线圈、指示灯 HL1、HL2、热继电器常闭触头 FR、停止按钮 SB2、起动按钮 SB1 及接触器常开辅助触头 KM 通过导线连接实现。合上 QS 后按下起动按钮 SB1，则线圈 KM 通电并自锁，接通指示灯 HL1 所在支路的辅助触头 KM 及主电路中的主触头，HL1 亮、电动机 M 起动；按下停止按钮 SB2，则线圈 KM 断电，指示灯 HL1 灭，M 停转。
   • 采用 SIEMENS 的一款 S7 系列 PLC 实现电动机全压起动控制时，主电路保持不变，热继电器常闭触头 FR、停止按钮 SB2、起动按钮 SB1 等作为 PLC 的输入设备接在 PLC 的输入接口上，而交流接触器 KM 线圈、指示灯 HL1、HL2 等作为 PLC 的输出设备接在 PLC 的输出接口上。控制逻辑通过执行按照电动机全压控制要求编写并存入程序存储器内的用户程序实现。
   • 传统接触器控制线路图
     
   • PLC 控制接线图
     
2. 建立内部 I/O 映像区：在 PLC 存储器内开辟了 I/O 映像存储区，用于存放 I/O 信号的状态，分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器，此外 PLC 其它编程元件也有相对应的映像存储器，称为元件映像寄存器。I/O 映像区的大小由 PLC 的系统程序确定，对于系统的每一个输入点总有一个输入映像区的某一位与之相对应，对于系统的每一个输出点也都有输出映像区的某一位与之相对应，且系统的输入输出点的编址号与 I/O 映像区的映像寄存器地址号也对应。PLC 工作时，将采集到的输入信号状态存放在输入映像区对应的位上，运算结果存放到输出映像区对应的位上，PLC 在执行用户程序时所需描述输入继电器的等效触头或输出继电器的等效触头、等效线圈状态的数据取用于 I/O 映像区，而不直接与外部设备发生关系。I/O 映像区的建立使 PLC 工作时只和内存有关地址单元内所存的状态数据发生关系，而系统输出也只是给内存某一地址单元设定一个状态数据。这样不仅加快了程序执行速度，而且使控制系统与外界隔开，提高了系统的抗干扰能力。
3. 内部等效电路：以起动按钮 SB1 为例，其接入接口 I0.0 与输入映像区的一个触发器 I0.0 相连接，当 SB1 接通时，触发器 I0.0 就被触发为 “1” 状态，而这个 “1” 状态可被用户程序直接引用为 I0.0 触头的状态，此时 I0.0 触头与 SB1 的通断状态相同，则 SB1 接通，I0.0 触头状态为 “1”，反之 SB1 断开，I0.0 触头状态为 “0”。由于 I0.0 触发器功能与继电器线圈相同且不用硬连接线，所以 I0.0 触发器等效为 PLC 内部的一个 I0.0 软继电器线圈，直接引用 I0.0 线圈状态的 I0.0 触头就等效为一个受 I0.0 线圈控制的常开触头（或称为动合触头）。同理，停止按钮 SB2 与 PLC 内部的一个软继电器线圈 I0.1 相连接，SB2 闭合，I0.1 线圈的状态为 “1”，反之为 “0”，而继电器线圈 I0.1 的状态被用户程序取反后引用为 I0.1 触头的状态，所以 I0.1 等效为一个受 I0.1 线圈控制的常闭触头（或称动断触头）。而输出触头 Q0.0、Q0.1 则是 PLC 内部继电器的物理常开触头，一旦闭合，外部相应的 KM 线圈、指示灯 HL1 就会接通。PLC 输出端有输出电源用的公共接口 COM。
   • PLC 内部等效电路图
     

三、PLC 控制系统

1. PLC 控制系统构成：用 PLC 实现电动机全压起动电气控制系统，其主电路基本保持不变，而用 PLC 替代电气控制线路。该系统可分成输入电路、内部控制电路和输出电路三个部分。
   • 输入电路：输入电路的作用是将输入控制信号送入 PLC，输入设备为按钮 SB1、SB2 及 FR 常闭触头。外部输入的控制信号经 PLC 输入到对应的一个输入继电器，输入继电器可提供任意多个常开触头和常闭触头，供 PLC 内部控制电路编程使用。
   • 输出电路：输出电路的作用是将 PLC 的输出控制信号转换为能够驱动 KM 线圈和 HL1 指示灯的信号。PLC 内部控制电路中有许多输出继电器，每个输出继电器除了为 PLC 内部控制电路提供编程用的常开触头和常闭触头外，还为输出电路提供一个常开触头与输出端口相连，该触头称为内部硬触头，是一个内部物理常开触头。通过该触头驱动外部的 KM 线圈和 HL1 指示灯等负载，而 KM 线圈再通过主电路中 KM 主触头去控制电动机 M 的起动与停止。驱动负载的电源由外部电源提供，PLC 的输出端口中还有输出电源用的 COM 公共端。
   • 内部控制电路：内部控制电路由按照被控电动机实际控制要求编写的用户程序形成，其作用是按照用户程序规定的逻辑关系，对输入、输出信号的状态进行计算、处理和判断，然后得到相应的输出控制信号，通过控制信号驱动输出设备，如电动机 M、指示灯 HL1 等。用户程序通过个人计算机通信或编程器输入等方式，把程序语句全部写到 PLC 的用户程序存储器中。用户程序的修改只需通过编程器等设备改变存储器中的某些语句，不会改变控制器内部接线，实现了控制的灵活性。
   • PLC 控制系统基本构成框图
     
2. PLC 控制梯形图：梯形图是一种将 PLC 内部等效成由许多内部继电器的线圈、常开触头、常闭触头或功能程序块等组成的等效控制线路。
   • 梯形图常用等效控制元件符号
     
   • 电动机全压起动控制梯形图
     
   • 梯形图与电气控制线路图的差异
     • 继电器元件物理结构不同：PLC 梯形图中的线圈、触头只是功能上与电气元件的线圈、触头等效。梯形图中的线圈、触头在物理意义上只是输入、输出存储器中的一个存储位，与电气元件的物理结构不同。
     • 继电器元件的通断状态不同：梯形图中继电器元件的通断状态与相应存储位上的保存的数据相关，如果该存储位的数据为 “1”，则该元件处于 “通” 状态，如果该位数据为 “0”，则表示处于 “断” 状态。与电气元件实际的通断状态不同。
     • 继电器元件状态切换过程不同：梯形图中继电器元件的状态切换只是 PLC 对存储位的状态数据的操作，如果 PLC 对常开触头等效的存储位数据赋值为 “1”，就完成动合操作过程，同样如对常闭触头等效的存储位数据赋值为 “0”，就可完成动断操作过程，切换操作过程没有时间延时。而电气元件线圈、触头进行动合或动断切换时，必定有时间延时，且一般要经过先断开后闭合的操作过程。
     • 继电器所属触头数量不同：如果 PLC 从输入继电器 I0.0 相应的存储位中取出了位数据 “0”，将之存入另一个存储器中的一个存储位，被存入的存储位就成了受 I0.0 继电器控制的一个常开触头，被存入的数据为 “0”；如在取出位数据 “0” 之后先进行取反操作，再存入一个存储器的一个存储位，则该位存入的数据为 “1”，该存储位就成了受继电器 I0.0 控制的一个常闭触头。只要 PLC 内部存储器足够多，这种位数据转移操作就可无限次进行，而每进行操作，就可产生一个梯形图中的继电器触头，由此可见，梯形图中继电器触头原则上可以无限次反复使用。但是 PLC 内部的线圈通常只能引用，如需重复使用同一地址编号的线圈应慎之又慎。与 PLC 不同的是电气元件中触头数量是有限的。
     • 梯形图画法规则：梯形图每一行画法规则为从左母线开始，经过触头和线圈（或功能方框），终止于右母线。一般并联单元画在每行的左侧、输出线圈则画在右侧，其余串联元件画在中间。