PLC工作原理課堂教學方法的探討

侯鳳云

摘 要 PLC工作原理是該課程中的重點也是難點，能夠深入理解PLC的工作原理是學會PLC編程和應用的基礎。本文介紹了PLC工作原理的教學方法，結合幾年來這門課程的一些教學經驗，敘述了PLC工作原理的教學過程。由參觀實驗入手，先對PLC有個初步認識，接著從PLC系統結構對其工作過程有一個概括的了解，然后深入分析PLC工作全過程的每個環節，找出PLC工作過程的中心內容，即PLC工作原理。

關鍵詞 PLC 課堂教學 教學方法

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：A

0引言

可編程控制器（PLC），由最初功能簡單的Programmable Logic Controller發展到功能強大的Programmable Controller，由專門的工業控制推廣到各種自動控制領域。PLC是一門實用技術課程，對于計算機專業，這門課程要求學生熟悉PLC的基本知識，深入理解PLC的工作原理，掌握PLC的程序設計方法。能否更好地理解PLC的工作原理是學會PLC編程和應用的基礎和關鍵，下面給出講述PLC工作原理的一些教學經驗。

1通過參觀實驗初識PLC

講述PLC工作原理之前，先帶學生進行參觀實驗。院系現有自動化立體倉庫綜合實驗室，通過現場介紹和演示，讓學生了解立體倉庫系統的組成，有軌巷道堆垛機、出入庫托盤輸送裝置是如何驅動的，PLC在控制系統中的作用。初步認識PLC的外觀和組成、PLC工作時的狀態以及PLC的編程軟件。

2由PLC系統組成進一步認識PLC

PLC控制系統的核心是PLC，PLC主機和其它微型計算機一樣，采用典型的計算機結構，主要由CPU、電源、存儲器和輸入輸出組成，外部輸入電路是PLC的輸入信號，外部輸出電路由PLC的運行結果來驅動，編程設備完成程序輸入、修改和系統調試等工作。如圖1所示。

PLC的輸入接口單元接收來自外部電路的各種輸入信號，如按鈕、行程開關等。當外部電路導通或斷開時，PLC的內部接口電路將輸入信號的狀態存入相應的寄存器中。PLC接到輸入信號后，執行用戶程序，產生運行結果。PLC的輸出接口單元，根據程序運行結果，使對應輸出端子的觸點閉合或斷開，從而輸出觸點就能夠控制外部電路的通斷。

3 PLC系統與繼電器控制系統的比較

PLC控制系統是由繼電器控制系統發展而來，PLC程序取代的是繼電器控制系統中復雜的控制電路部分，其實PLC程序相當于繼電器電路圖，它和硬件電路的讀圖習慣相似，但兩者存在本質的區別。如圖2所示。

圖2（a）、圖2（b）分別為繼電器控制系統和PLC控制系統，PLC程序中的元器件對應著繼電器控制系統中的硬件器件，程序中的元器件為軟元件，它們“看不見、摸不著”，但有著硬件器件的功能，還具備優于硬件器件的特性。圖2（a）的三條支路是并行工作，當按下SF1，中間繼電器KF1線圈得電，KF1的輔助觸點閉合，接觸器QA1、QA2同時得電，因此繼電器控制系統屬于并行工作方式。圖2（b）是基于計算機的工作原理，通過執行用戶程序實現控制要求。由于CPU以分時操作方式處理各項任務，執行程序時從左到右、逐行掃描依次完成各器件的動作，因此PLC控制系統屬于串行工作方式。

4 PLC的工作過程

PLC工作過程用如圖3所示的運行框圖來表示。整個過程分為三部分。第一部分是上電處理，PLC通電后對PLC系統進行一次初始化工作。第二部分是掃描過程，完成輸入處理，其次是與外設的通信處理，再次進行時鐘、特殊寄存器更新，然后當CPU處于STOP方式時，轉入執行自診斷檢查，當CPU處于RUN方式時，完成用戶程序的執行和輸出處理，再執行自診斷檢查。第三部分是出錯處理，PLC每掃描一次，執行一次自診斷檢查，確定PLC自身的動作是否正常，若檢查出異常，面板上LED提示并存放出錯代碼，若出現致命錯誤，所有掃描被強制停止。

分析PLC工作的全過程，上電處理部分只進行一次，不參與循環掃描，而循環掃描過程中的每個環節并不是每一次都執行，例如PLC正常工作時不用執行錯誤處理，系統也可以沒有通信功能，那么我們暫不考慮遠程I/O、特殊模塊、自診斷等枝葉環節，循環掃描過程就剩下輸入采樣、程序執行和輸出處理三個階段，這三個階段是PLC工作過程的中心內容，也就是PLC工作原理的實質。

PLC在輸入采樣階段，先掃描所有輸入端子，將各輸入電路的通斷狀態存入相對應的輸入映像寄存器中，此時輸入映像寄存器被刷新。然后系統進入程序執行階段，這個階段系統不再接收輸入信號，輸入映像寄存器的內容保持不變，直到下一個掃描周期的輸入采樣階段。

系統進入程序執行階段后，PLC從輸入映像寄存器中讀入對應輸入端的狀態，程序的中間結果存入相應的元件映像寄存器，每一個軟元件的狀態隨著程序執行而刷新，程序的輸出結果存入輸出映像寄存器。

程序執行階段結束后，各輸出映像寄存器中的狀態在輸出處理階段一起存到輸出鎖存器中，集中輸出，使得對應的各輸出端子的觸點閉合或斷開，進而驅動外部負載。輸出鎖存器的狀態一直保持到下一個輸出處理階段。

5小結

理解PLC工作原理，首先從PLC系統結構入手，了解外部輸入信號是如何通過PLC的輸入接口單元接收的，輸入信號的狀態存入輸入映像寄存器中。PLC執行程序時，讀取輸入映像寄存器的狀態，程序的執行結果存入輸出映像寄存器，輸出映像寄存器對應的輸出端子閉合或斷開，進而驅動外部負載。

隨著對PLC系統結構的了解，進一步分析PLC工作的全過程，弄清楚上電處理、掃描過程和出錯處理三個部分所做的工作，然后撇開循環掃描過程中的枝葉環節，找出PLC工作過程的中心內容，即輸入采樣、程序執行和輸出處理三個階段，即是PLC的工作原理。對應PLC系統結構，深入理解PLC工作過程的三個階段所完成的工作和處理原則，為學習并使用PLC打好基礎。

參考文獻

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[2] 廖常初.S7-200 PLC編程及應用[M].北京：機械工業出版社，2014.endprint