PLC的工作原理及編程的幾個誤區

　　摘 要： 在使用PLC進行電氣控制時，有時必須了解PLC的工作原理，才能避免出現錯誤，達到滿意的控制效果。本文指出了在PLC程序設計中易出現的錯誤，分析了其產生的原因，并通過實例給出了正確的概念及編程方法。
　　關鍵詞A： PLC 工作原理 編程 誤區
　　
　　可編程序控制器（簡稱PLC）具有工作可靠、編程簡單、使用方便、設計和調試周期短的優點，所以廣泛應用于鋼鐵、機械加工、冶金、水泥、石化、紡織、娛樂等各行各業。但是在實際的應用過程中，尤其在軟件編程時，常會出現一些貌似簡單，卻易混淆的概念性錯誤，主要表現在：使用者經常將PLC外部輸入輸出物理器件與PLC內部輸入輸出繼電器的邏輯狀態相混淆；設計完成后，無法達到預期控制。究其原因：①缺乏對PLC工作原理的了解；②缺乏對計算機軟硬件知識的了解；③在國內外一些相關技術書籍甚至教科書中也不乏出現一些誤導。這些都直接影響了工程技術人員，特別是初學者，對PLC技術的學習和掌握，應予以糾正。
　　一、PLC的工作原理
　　PLC采用循環掃描方式工作，它對用戶程序的執行主要分三個階段進行，即輸入采樣階段、程序執行階段、輸出刷新階段。
　　（1）輸入采樣階段。在輸入采樣階段，PLC按順序將所有輸入端的輸入信號讀入到輸入映像寄存器中寄存起來，接著轉入程序執行階段。在程序執行期間，即使輸入狀態變化，輸入映像寄存器的內容也不會改變。輸入狀態的變化只能在下一個工作周期的輸入采樣階段才被重新讀入。
　　（2）程序執行階段。在程序執行階段，PLC對用戶以梯形圖方式編寫的程序按從上到下，從左到右的順序進行掃描。每掃描到一條指令時，所需要的輸入狀態或其他元素的狀態分別由輸入映像寄存器和元素映像寄存器讀出，而執行結果寫入到元素映像寄存器中。對于每一個元素來說，元素映像寄存器中寄存的內容，會隨程序執行的進程而變化。
　　（3）輸出刷新階段。當程序執行完后，進入輸出刷新階段。此時，PLC將元素映像寄存器中所用輸出映像寄存器的狀態向輸出鎖存器傳送，成為可編程序控制器的實際輸出。
　　PLC在程序執行階段，輸出鎖存器的狀態保持不變。PLC重復地執行上述三個階段，每重復一次的時間就是一個工作周期（或掃描周期）。當然，嚴格說來，PLC的一個工作周期還包括系統自監測、與編程器交換信息、與數字處理器交換信息和網絡通信四個過程。
　　二、PLC編程的誤區
　　誤區之一：輸入PLC的常開（動合）、常閉（動斷）觸點，如按鈕、行程開關、繼電器輔助觸點等，與PLC梯形圖編程的圖形符號常開“”和常閉“”相混淆。
　　正確的理解應該是：在梯形圖中，PLC內部輸入輸出繼電器在編程中可作為常開或者常閉點無限次使用，其引用的次數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，事實上它不是物理繼電器，而是存儲器中的一位邏輯狀態。當該位為邏輯“1”的時候，表示該位繼電器線圈通電，即常開接點“”閉合或常閉接點“”斷開；當該位為邏輯“0”時，表示該位繼電器線圈斷電，即常開接點“”斷開或常閉接點“”閉合。
　　而與PLC外部連接的輸入開關（如按鈕）或輸出負載（如計數器）是物理器件。輸入開關具有固定的常開（動合）或常閉（動斷）屬性，在電路中僅出現一次。它的閉合與斷開與外力作用（如按鈕，行程開關）或得失電（如接觸器）有關，并對PLC內部輸入輸出繼電器的狀態產生直接影響。因此，在PLC的程序設計時，必須要知道與PLC連接的物理器件屬性和外接開關屬性不同，控制程序必然有異。在許多的PLC技術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、不準確的。
　　誤區之二：將連接到PLC的物理器件的電器符號參與梯形圖編程之中。
　　正確的認識應該是：梯形圖是PLC的一種圖形符號程序設計語言，有其固定的語法規定和格式，而連接到PLC的物理器件僅能按國標規定的符號出現在硬件電路設計中。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系，僅存在滿足控制要求的邏輯關系，這種邏輯關系與硬件設計中所選用的物理器件的屬性（動合或動斷）有關，并由程序（如梯形圖）反映。而在傳統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。
　　誤區之三：設計PLC程序時，先畫出繼電器電路，再根據繼電器電路畫出梯形圖，最后將梯形圖換成語句（指令）表達式程序由編程器輸入PLC。
　　正確的方法是：硬件設計完成以后（主要是輸入輸出器件與PLC的連接電路圖），根據控制要求，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，只有當編程器無輸入梯形圖功能時，才必須將梯形圖轉換為指令表輸入。事實上，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。只有當對原繼電器控制電路用PLC進行技術改造時，才根據原繼電器反映的控制關系編寫程序。
　　三、應用舉例
　　我現以簡單的電動機點動和連續運行控制繼電器電路為例，說明PLC編程易出現的錯誤及正確編程方法。
　　一般來講，不采用PLC控制的電動機點動和連續運行控制繼電器電路，如圖1所示。其中SB1為電動機連續運行停止常閉按鈕；SB2為電動機連續運行啟動常開按鈕；SB3為電動機點動復合按鈕；KM為電動機主電路接觸器。
　　圖3 梯形圖
　　若采用PLC（三菱FX1N）實現該電動機控制時，PLC的I/O連接圖按圖2接線，根據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，但是進行操作時卻發現點動也成為連續運動了。這正是由于PLC逐行掃描的工作方式造成的。當按下點動按鈕SB3時，在輸入采樣階段，SB3接通，則輸入映像寄存器中的X2常開接點接通，所以Y0的映像寄存器接通。當松開點動按鈕SB3時，在輸入采樣階段，X2的常閉接點復位，當PLC掃描到第三行時，由于Y0的映像寄存器已處于接通狀態，因而Y0形成自鎖，使Y0仍為接通狀態，從而無法實現點動。由此可以看出，繼電器控制電路直接改畫成梯形圖時，有時必須考慮PLC的工作特點，否則不能達到預期的效果。
　　在編程此電路時，PLC連接如圖4所示，還常錯誤地編寫為圖5或圖6的形式。
　　圖5的編程錯誤是最常見的。其錯誤就在于將外部常閉按鈕開關SB1與內部輸入繼電器X0等同起來。當按下連續運轉啟動按鈕SB2時，電動機無法啟動。這是因為：雖然SB2閉合，使X1為邏輯“1”狀態，梯形圖中X1閉合，但SB1為常閉按鈕，未按時，輸入始終與PLC的X0端子接通，內部X0為邏輯“1”狀態“●●●”表示取反，為“0”狀態，梯形圖中斷開。因此輔助繼電器M0為邏輯“0”狀態，輸出Y0也為邏輯“0”狀態，KM無法得電吸合。
　　
　　圖4 I/O連接圖
　　圖5 錯誤編程1
　　圖6 錯誤編程2
　　圖6的錯誤是顯而易見的，梯形圖編程語言中沒有這種物理開關符號，因此無法通過編程器輸入PLC。事實上，PLC的程序設計與選用的啟動和停止開關的物理屬性（常開和常閉）有關。下表給出了當選擇不同屬性的啟動（SB1）按鈕和停止（SB2）按鈕時的四種組合及對應的PLC梯形圖程序和語句表達式程序。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現的，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的飛速發展，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用PLC控制時，一定要了解PLC是如何工作的，因為表面正確的梯形圖可能內含著隱患與危險，或者達不到預期的控制要求，所以懂得PLC的工作原理，了解了PLC編程的幾個誤區，對PLC技術的學習和掌握是非常重要的一步。
　　
　　參考文獻：
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　　［2］宮淑真編著.可編輯控制器原理及應用.人民郵電出版社.
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