PLC改造繼電器控制電路時的時序問題及解決方法

李 俊

（江蘇省常熟中等專業學校電氣工程系，江蘇 常熟 215500）

0 引 言

隨著控制技術的不斷發展，PLC作為自動化控制的核心技術之一，被應用到了自動化控制的各個領域。因此PLC也成了很多學校機電一體化、自動化類專業必開的課程之一。

常熟中等專業學校在開展PLC課程教學的過程中，首先讓學生系統的學習了繼電接觸器控制的電動機基本控制線路知識。在學習PLC的過程中，一個重要的環節就是將繼電接觸器控制的電動機基本控制線路轉換成用PLC來控制。

在教學實踐中，筆者發現，如果簡單的將繼電接觸器控制的電路直接轉換成由PLC控制的電路，有時將無法達到預期的效果或者出現運行事故；當然，利用PLC也能解決繼電接觸器控制電路無法克服的一些困難。

本文將分析幾種常見問題并提出解決的方法。

1 PLC工作原理的簡單介紹

1.1 PLC控制電路和繼電器電路的異同

從電路控制技術的發展來看，PLC的前身是繼電接觸器系統。在邏輯控制場合，PLC的梯形圖和繼電器電路圖非常相似。但是這兩者之間在運行時序問題上，有著根本的不同。在繼電接觸器系統中，對于同一個繼電器，它的線圈，常開、常閉觸點在通電或斷電的時候動作是同時發生的，忽略了電磁滯后及機械滯后。但在PLC控制系統中，由于它的工作方式循環掃描，同一個元器件的線圈和觸點動作時間不一致。這就是繼電接觸器系統的并行工作方式和PLC的串行工作方式的差別。

1.2 PLC的分時處理、循環掃描工作方式

在PLC控制系統中，PLC通過執行用戶程序來實現對系統的控制。因此PLC采用的是循環掃描工作方式，主要分為如下3種工作階段。

（1）輸入信號處理

在輸入信號處理階段，CPU對輸入端進行掃描，將獲得的各個輸入端子的信號送到輸入暫存器存放。在同一掃描周期內，某個輸入端的信號在輸入暫存器中一直保持不變。

（2）用戶程序處理

當輸入端子的信號全部進入暫存器后，CPU工作進入到第二個階段。在這個階段，PLC進行用戶程序的處理，它對用戶程序進行從上到下（從第0句到結束語句）依次掃描，并根據輸入暫存器的輸入信號和輸出暫存器中的運算信號（PLC在一個掃描周期內，其輸出暫存器中的數據跟隨程序執行的結果而變化）及有關指令進行運算和處理，最后將結果再寫入輸出暫存器中。

（3）輸出信號處理

這個階段CPU對用戶程序的掃描已處理完畢，并將輸出信號從輸出暫存器中取出，送到輸出鎖存電路，驅動輸出，控制被控設備進行各種相應的動作。然后，CPU又返回執行下一個循環掃描周期。

1.3 一個掃描周期的表格表示形式

PLC的掃描周期也就是PLC的一個完整工作周期，即從讀入輸入信號到發出輸出信號所用的時間，具體如表1所示。

2 問題一：點動、連續控制電路不能實現點動

如圖1所示，在用PLC來改造繼電接觸器控制點動、連續控制電路時，會發現按下點動按鈕SB2時，電路無法實現點動控制。那么，為什么會造成這種現象呢？應該如何來解決呢？

圖1 繼電接觸器控制的點動、連續控制電路

2.1 繼電器控制點動控制電路的工作原理分析

如圖1所示，當按下按鈕SB2時（點動按鈕），首先它的常閉觸點斷開，切斷自鎖回路，接著它的常開觸點閉合，同時KM線圈得電，電動機點動運行；松開SB2，KM線圈失電，電動機停止運行[1-5]。

2.2 PLC控制點動控制電路工作原理分析

根據分析，結合PLC外部接線圖（見圖2），將繼電器控制電路轉化成PLC梯形圖和指令表，如圖3所示。

圖3 梯形圖和指令表

對圖3所示的梯形圖進行分析，可得到表2、表3。

從表2可以看到如下兩個問題：

（1）按下SB2后，SB2由斷到通穩定下來的時間遠大于PLC的掃描周期；

（2）由于程序從上到下，從左到右依次掃描，先掃到Y0常開，后掃到Y0線圈（看指令表）因此造成，Y0常開和Y0線圈工作不同步。

2.3 PLC程序不能正常工作的原因

從對PLC程序運行情況的分析可以看出，造成該電路不能點動的原因是：松開SB2的第一個掃描周期內，Y0的常開觸點是閉合的，從而造成自鎖回路自鎖。這是由PLC的分時處理與循環掃描工作方式所決定的，它同繼電接觸器控制電路有著本質的區別。

2.4 問題的解決方法

解決方法一：在松開SB2的第一個掃描周期內，設法讓自鎖回路斷開，故在自鎖回路中串入定時器，定時時間可通過實驗確定（不能太大），如圖4所示。

解決方法二：拋棄原有電路，重新進行設計，如圖5所示；圖5中不能將M0、M1換成Y0，否則會出現雙線圈問題。

3 問題二：PLC控制星三角電路切換過程中有時發生短路

教學過程中，實際上還會出現上述同種類型的問題。典型的像正反轉電路、星-三角電路、雙速轉換電路。安裝完成PLC電路后，有時能正常運行，有時則在電路的切換過程中會發生短路事故。本文以星三角電路為例進行分析研究。

表2 按下按鈕SB2后程序運行情況

表3 松開SB2后的程序運行情況

圖4 在自鎖回路中傳入定時器

圖5 利用M輔助繼電器設計程序

3.1 繼電器控制星三角控制電路的工作原理分析

如圖6所示，按起動按鈕SB2，KM1、KM3、時間繼電器KT線圈得電吸合同時自鎖，電動機星形（Y）接法起動。當KT延時時間到，KM3線圈電路中的通電延時斷開的動斷觸點斷開，KM3斷電釋放，電動機星接（Y）起動結束。此時，KM2線圈電路中的通電延時閉合的動合觸點閉合。KM2線圈得電吸合，電動機改為三角形（△）接法運轉[6]。

3.2 PLC控制星三角控制電路工作原理分析（程序運行的指令表不再給出）

根據圖7、圖8對PLC控制程序進行分析，得到表4、表5。

圖7 PLC控制的星三角控制電路外部接線圖

圖8 PLC控制的星三角控制電路梯形圖

3.3 PLC控制電路在星三角切換過程中有時發生短路的原因分析

從圖7、圖8的工作原理可以看出，造成該電路在星三角切換過程中有時發生短路的原因是：T0計時到7 s的第2個掃描周期中，Y2線圈（星形）失電和Y3線圈（三角形）得電是同時進行的，從而造成接觸器KM2和KM3在切換過程中存在可能同時接通的重合時間，若接觸器存在質量問題，則可能發生相間短路。當然，圖5電路也存在這個問題，但用PLC控制時解決這個問題相對容易。

表4 按下SB1后的簡單情況

表5 T0時間到時的簡單情況

3.4 解決的方法

（1）方法一：選擇質量高的接觸器，使得KM2（星形）的釋放時間小于KM3（三角形）的吸合時間，盡量縮短兩者的重合時間。

（2）方法二：在程序中加入定時器，保證Y2線圈（星形）先失電，Y3線圈（三角形）后得電，即設置轉換延時，延時時間可通過實驗確定（一般在0.5 s以下），如圖9所示。

圖9 在Y2線圈前加入定時器T0常閉觸點

4 問題三：自動往返電路的自啟動

圖10是典型的繼電接觸器控制的自動往返控制電路原理圖，但這個圖中存在一個明顯的缺點，也即不安全因素：自啟動問題。

圖10 繼電接觸器控制的自動往返控制電路

如果在設備啟動運行之前，工作臺正好把SQ1（或SQ2）壓住，則只要設備接通電源，在沒有按下啟動按鈕的情況下，工作臺就將自行啟動，從而釀成事故。要克服這個缺點，在不增加元器件的基礎上，將是十分困難的。

用PLC來實現工作臺的自動往返，則能輕而易舉的解決這個問題。

圖11中巧妙地利用了PLC的開機脈沖M8002，保證設備啟動運行之前，即使工作臺把SQ1（或SQ2）壓住，設備接通電源后，在沒有按下啟動按鈕的情況下，工作臺將不能自行啟動[7-8]。

圖11 PLC控制的自動往返控制電路

5 結 論

本文簡單介紹了PLC的分時處理與循環掃描工作方式的特點，并通過“點動、連續控制電路不能實現點動”“PLC控制星三角電路切換過程中有時發生短路”“自動往返電路的自啟動”三個案例來闡述了如何通過對PLC的每一個完整掃描周期中，輸入輸出信號的變化進行分析，來解決PLC控制過程中，繼電器控制電路和PLC控制程序不匹配的一些問題。