PLC的工作原理及編程的幾個(gè)誤區(qū)

　　摘 要： 在使用PLC進(jìn)行電氣控制時(shí)，有時(shí)必須了解PLC的工作原理，才能避免出現(xiàn)錯(cuò)誤，達(dá)到滿意的控制效果。本文指出了在PLC程序設(shè)計(jì)中易出現(xiàn)的錯(cuò)誤，分析了其產(chǎn)生的原因，并通過實(shí)例給出了正確的概念及編程方法。
　　關(guān)鍵詞A： PLC 工作原理 編程 誤區(qū)
　　
　　可編程序控制器（簡稱PLC）具有工作可靠、編程簡單、使用方便、設(shè)計(jì)和調(diào)試周期短的優(yōu)點(diǎn)，所以廣泛應(yīng)用于鋼鐵、機(jī)械加工、冶金、水泥、石化、紡織、娛樂等各行各業(yè)。但是在實(shí)際的應(yīng)用過程中，尤其在軟件編程時(shí)，常會出現(xiàn)一些貌似簡單，卻易混淆的概念性錯(cuò)誤，主要表現(xiàn)在：使用者經(jīng)常將PLC外部輸入輸出物理器件與PLC內(nèi)部輸入輸出繼電器的邏輯狀態(tài)相混淆；設(shè)計(jì)完成后，無法達(dá)到預(yù)期控制。究其原因：①缺乏對PLC工作原理的了解；②缺乏對計(jì)算機(jī)軟硬件知識的了解；③在國內(nèi)外一些相關(guān)技術(shù)書籍甚至教科書中也不乏出現(xiàn)一些誤導(dǎo)。這些都直接影響了工程技術(shù)人員，特別是初學(xué)者，對PLC技術(shù)的學(xué)習(xí)和掌握，應(yīng)予以糾正。
　　一、PLC的工作原理
　　PLC采用循環(huán)掃描方式工作，它對用戶程序的執(zhí)行主要分三個(gè)階段進(jìn)行，即輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段、輸出刷新階段。
　?。?）輸入采樣階段。在輸入采樣階段，PLC按順序?qū)⑺休斎攵说妮斎胄盘栕x入到輸入映像寄存器中寄存起來，接著轉(zhuǎn)入程序執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行期間，即使輸入狀態(tài)變化，輸入映像寄存器的內(nèi)容也不會改變。輸入狀態(tài)的變化只能在下一個(gè)工作周期的輸入采樣階段才被重新讀入。
　?。?）程序執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行階段，PLC對用戶以梯形圖方式編寫的程序按從上到下，從左到右的順序進(jìn)行掃描。每掃描到一條指令時(shí)，所需要的輸入狀態(tài)或其他元素的狀態(tài)分別由輸入映像寄存器和元素映像寄存器讀出，而執(zhí)行結(jié)果寫入到元素映像寄存器中。對于每一個(gè)元素來說，元素映像寄存器中寄存的內(nèi)容，會隨程序執(zhí)行的進(jìn)程而變化。
　?。?）輸出刷新階段。當(dāng)程序執(zhí)行完后，進(jìn)入輸出刷新階段。此時(shí)，PLC將元素映像寄存器中所用輸出映像寄存器的狀態(tài)向輸出鎖存器傳送，成為可編程序控制器的實(shí)際輸出。
　　PLC在程序執(zhí)行階段，輸出鎖存器的狀態(tài)保持不變。PLC重復(fù)地執(zhí)行上述三個(gè)階段，每重復(fù)一次的時(shí)間就是一個(gè)工作周期（或掃描周期）。當(dāng)然，嚴(yán)格說來，PLC的一個(gè)工作周期還包括系統(tǒng)自監(jiān)測、與編程器交換信息、與數(shù)字處理器交換信息和網(wǎng)絡(luò)通信四個(gè)過程。
　　二、PLC編程的誤區(qū)
　　誤區(qū)之一：輸入PLC的常開（動合）、常閉（動斷）觸點(diǎn)，如按鈕、行程開關(guān)、繼電器輔助觸點(diǎn)等，與PLC梯形圖編程的圖形符號常開“”和常閉“”相混淆。
　　正確的理解應(yīng)該是：在梯形圖中，PLC內(nèi)部輸入輸出繼電器在編程中可作為常開或者常閉點(diǎn)無限次使用，其引用的次數(shù)及選擇常開或常閉完全取決于編程的需要。很多書只提常開或常閉，事實(shí)上它不是物理繼電器，而是存儲器中的一位邏輯狀態(tài)。當(dāng)該位為邏輯“1”的時(shí)候，表示該位繼電器線圈通電，即常開接點(diǎn)“”閉合或常閉接點(diǎn)“”斷開；當(dāng)該位為邏輯“0”時(shí)，表示該位繼電器線圈斷電，即常開接點(diǎn)“”斷開或常閉接點(diǎn)“”閉合。
　　而與PLC外部連接的輸入開關(guān)（如按鈕）或輸出負(fù)載（如計(jì)數(shù)器）是物理器件。輸入開關(guān)具有固定的常開（動合）或常閉（動斷）屬性，在電路中僅出現(xiàn)一次。它的閉合與斷開與外力作用（如按鈕，行程開關(guān)）或得失電（如接觸器）有關(guān)，并對PLC內(nèi)部輸入輸出繼電器的狀態(tài)產(chǎn)生直接影響。因此，在PLC的程序設(shè)計(jì)時(shí)，必須要知道與PLC連接的物理器件屬性和外接開關(guān)屬性不同，控制程序必然有異。在許多的PLC技術(shù)書籍或論文中往往忽略了說明物理器件的屬性，僅給出PLC程序，這是不全面、不準(zhǔn)確的。
　　誤區(qū)之二：將連接到PLC的物理器件的電器符號參與梯形圖編程之中。
　　正確的認(rèn)識應(yīng)該是：梯形圖是PLC的一種圖形符號程序設(shè)計(jì)語言，有其固定的語法規(guī)定和格式，而連接到PLC的物理器件僅能按國標(biāo)規(guī)定的符號出現(xiàn)在硬件電路設(shè)計(jì)中。連接到PLC的輸入器件與連接到PLC的輸出器件不存在物理上的連接關(guān)系，僅存在滿足控制要求的邏輯關(guān)系，這種邏輯關(guān)系與硬件設(shè)計(jì)中所選用的物理器件的屬性（動合或動斷）有關(guān)，并由程序（如梯形圖）反映。而在傳統(tǒng)的繼電器控制電路圖中，輸入器件與輸出器件（被控對象）存在直接的物理連接，被控對象的控制取決于物理線路的通斷。
　　誤區(qū)之三：設(shè)計(jì)PLC程序時(shí)，先畫出繼電器電路，再根據(jù)繼電器電路畫出梯形圖，最后將梯形圖換成語句（指令）表達(dá)式程序由編程器輸入PLC。
　　正確的方法是：硬件設(shè)計(jì)完成以后（主要是輸入輸出器件與PLC的連接電路圖），根據(jù)控制要求，可直接用梯形圖、指令表（助記符）或流程圖中的任何一種形式編寫程序，通過編程器輸入PLC。選用的編程形式取決于所用的編程器，只有當(dāng)編程器無輸入梯形圖功能時(shí)，才必須將梯形圖轉(zhuǎn)換為指令表輸入。事實(shí)上，一些高檔的編程器可接收多種形式的PLC程序，有些還允許兩種形式混合輸入。只有當(dāng)對原繼電器控制電路用PLC進(jìn)行技術(shù)改造時(shí)，才根據(jù)原繼電器反映的控制關(guān)系編寫程序。
　　三、應(yīng)用舉例
　　我現(xiàn)以簡單的電動機(jī)點(diǎn)動和連續(xù)運(yùn)行控制繼電器電路為例，說明PLC編程易出現(xiàn)的錯(cuò)誤及正確編程方法。
　　一般來講，不采用PLC控制的電動機(jī)點(diǎn)動和連續(xù)運(yùn)行控制繼電器電路，如圖1所示。其中SB1為電動機(jī)連續(xù)運(yùn)行停止常閉按鈕；SB2為電動機(jī)連續(xù)運(yùn)行啟動常開按鈕；SB3為電動機(jī)點(diǎn)動復(fù)合按鈕；KM為電動機(jī)主電路接觸器。
　　圖3 梯形圖
　　若采用PLC（三菱FX1N）實(shí)現(xiàn)該電動機(jī)控制時(shí)，PLC的I/O連接圖按圖2接線，根據(jù)繼電器控制電路圖直接畫出梯形圖（圖3）。
　　圖3初看好像能正常工作，但是進(jìn)行操作時(shí)卻發(fā)現(xiàn)點(diǎn)動也成為連續(xù)運(yùn)動了。這正是由于PLC逐行掃描的工作方式造成的。當(dāng)按下點(diǎn)動按鈕SB3時(shí)，在輸入采樣階段，SB3接通，則輸入映像寄存器中的X2常開接點(diǎn)接通，所以Y0的映像寄存器接通。當(dāng)松開點(diǎn)動按鈕SB3時(shí)，在輸入采樣階段，X2的常閉接點(diǎn)復(fù)位，當(dāng)PLC掃描到第三行時(shí)，由于Y0的映像寄存器已處于接通狀態(tài)，因而Y0形成自鎖，使Y0仍為接通狀態(tài)，從而無法實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動。由此可以看出，繼電器控制電路直接改畫成梯形圖時(shí)，有時(shí)必須考慮PLC的工作特點(diǎn)，否則不能達(dá)到預(yù)期的效果。
　　在編程此電路時(shí)，PLC連接如圖4所示，還常錯(cuò)誤地編寫為圖5或圖6的形式。
　　圖5的編程錯(cuò)誤是最常見的。其錯(cuò)誤就在于將外部常閉按鈕開關(guān)SB1與內(nèi)部輸入繼電器X0等同起來。當(dāng)按下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)啟動按鈕SB2時(shí)，電動機(jī)無法啟動。這是因?yàn)椋弘m然SB2閉合，使X1為邏輯“1”狀態(tài)，梯形圖中X1閉合，但SB1為常閉按鈕，未按時(shí)，輸入始終與PLC的X0端子接通，內(nèi)部X0為邏輯“1”狀態(tài)“●●●”表示取反，為“0”狀態(tài)，梯形圖中斷開。因此輔助繼電器M0為邏輯“0”狀態(tài)，輸出Y0也為邏輯“0”狀態(tài)，KM無法得電吸合。
　　
　　圖4 I/O連接圖
　　圖5 錯(cuò)誤編程1
　　圖6 錯(cuò)誤編程2
　　圖6的錯(cuò)誤是顯而易見的，梯形圖編程語言中沒有這種物理開關(guān)符號，因此無法通過編程器輸入PLC。事實(shí)上，PLC的程序設(shè)計(jì)與選用的啟動和停止開關(guān)的物理屬性（常開和常閉）有關(guān)。下表給出了當(dāng)選擇不同屬性的啟動（SB1）按鈕和停止（SB2）按鈕時(shí)的四種組合及對應(yīng)的PLC梯形圖程序和語句表達(dá)式程序。由此可見，無論選擇何種啟停按鈕，都可以通過程序滿足控制的要求。這對于不使用PLC的繼電器電路是很難實(shí)現(xiàn)的，也說明了PLC軟件編程的靈活與方便之處。
　　隨著電氣自動化的技術(shù)的飛速發(fā)展，用PLC控制取代繼電器控制已是大勢所趨。但是對于某些問題應(yīng)用PLC控制時(shí)，一定要了解PLC是如何工作的，因?yàn)楸砻嬲_的梯形圖可能內(nèi)含著隱患與危險(xiǎn)，或者達(dá)不到預(yù)期的控制要求，所以懂得PLC的工作原理，了解了PLC編程的幾個(gè)誤區(qū)，對PLC技術(shù)的學(xué)習(xí)和掌握是非常重要的一步。
　　
　　參考文獻(xiàn)：
　　［1］王兆義編著.小型可編程序控制器實(shí)用技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社.
　　［2］宮淑真編著.可編輯控制器原理及應(yīng)用.人民郵電出版社.
　　［3］沈蓬編著.可編程序控制器及其應(yīng)用.中國勞動社會保障出版社.