《可編程控制技術》快速入門

辛貴杰

摘 要：隨著我國自動化的發展，我國的基礎自動化日趨完善并逐步進入過程自動化的開發階段，智能化控制也同時展開。現今計算機技術、網絡技術和先進的控制技術相結合，已不再停留在理論和實驗階段，如模型預測、神經元和神經網絡、模糊控制、多變量控制，自適應和自尋優等先進控制算法已進入實踐并用于DCS、PLC等控制器中。對于剛進入自動化技術領域的技術人員，面對如此龐大的知識結構，有沒有快速的學習方法、從何處入門學習、才能夠較快的掌握這門技術？為幫助學生快速入門可編程控制這門課，筆者在這里談一下多年的教學心得，期望對學習者有所幫助。

關鍵詞：可編程控制；繼電器；應用

首先分析一下可編程控制這門課的性質。可編程控制這門課產生于1969年，由于汽車的性能更換很快，一年左右就得推出新產品，電氣控制柜都得重新更換，這樣一是成本高，二是更換電氣控制柜周期長，因此美國通用汽車公司提出，找出一種可以代替繼電器控制，具備邏輯控制，定時計數存儲，現場可修改等功能的器件。因此，可編程控制器主要是用來取代繼電器接觸器控制系統。

可編程控制器采用了類似繼電器接觸器控制電路的梯形圖語言，采用了計算機順序執行存儲程序的原理，采用了微電子設計和控制技術，是繼電接觸控制技術與計算機技術、微電子技術相結合的產物。

可編程控制器隨著計算機技術和微電子技術的發展而發展，隨著微處理器的進步而進步，從1位機發展到8位機，進一步發展到16位機、32位機，并且實現了多處理器多通道處理。此外，通信技術、網絡技術使可編程控制器得到了更為廣闊的應用。

可編程控制器的硬件向著體積小、容量大、速度高、集成度高、模塊化、網絡化的方向發展。可編程控制器的軟件向著簡單易行、使用方便、功能更強、便于進行模擬和數字控制、便于網絡通信、便于實現復雜或分散控制任務的方向不斷發展并完善。

在熟悉了可編程控制器這門課的性質后，其次是要對可編程控制器這門課要有整體性的認識，每一部分的內容是什么？要掌握哪些內容？這些內容在實際應用中起那些作用？各部分的內容又是如何銜接？這些內容是可編程控制入門的重要知識，下面就對這些內容作一些討論。

從可編程控制器的整體性來看，基礎內容分為四部分；第一部分是講解可編程控制器的組成和工作原理；第二部分講解的是基本指令及應用；第三部分講解的是步進指令及其應用；第四部分講解的是功能指令及其應用。掌握這四部分的內容，對可編程控制器就算是入門了，也達到了教學的要求及目的。如何學好這四部分的內容，接下來就進行一一討論。

第一部分可編程控制器的組成和工作原理。雖然各種可編程控制器（PLC）產品的組成形式和功能特點各不相同，但它們在結構上基本是相同的，一般由處理器，存儲器，輸入/輸出系統極其可選部件四大部分組成。

PLC 在運行過程中，一般由處理器，存儲器，輸入/輸出系統三個部分即可完成預定的各種控制任務，因此可將這三部分稱為PLC的基本組成部分。其它可選部件包括編程器，外存儲器，模擬輸入、輸出，通信接口以及測試設備等，主要用于系統的編程組態，程序存儲，通訊聯網，系統擴展和系統的測試與維護等，是 PLC 的輔助組成部分，在 PLC 正常運行期間這些部件并不起作用，它們主要用于系統的開發、調試和維護。

可編程控制器的基本原理：

可編程控制器的工作過程分以下三個階段。

（一）輸入處理：程序執行前，可編程控制器的全部輸入端子的通/斷狀態讀入輸入映像寄存器。在程序執行中，即使輸入狀態變化，輸入映像寄存器的內容也不變。直到下一掃描周期的輸入處理階段才讀入這變化。另外，輸入觸點從通（ ON ）→斷（ OFF ）或從斷（ OFF ）→通（ ON ）變化到處于確定狀態止，輸入濾波器還有一響應延遲時間（約 10ms ）。

（二）程序處理：對應用戶程序存儲器所存的指令，從輸入映像寄存器和其它軟元件的映像寄存器中將有關軟元件的通/斷狀態讀出，從 0 步開始順序運算，每次結果都寫入有關的映像寄存器，因此，各軟元件（ X 除外）的映像寄存器的內容隨著程序的執行在不斷變化。輸出繼電器的內部觸點的動作由輸出映像寄存器的內容決定。

（三）輸出處理：全部指令執行完畢，將輸出映象寄存器的通/斷狀態向輸出鎖存寄存器傳送，成為可編程控制器的實際輸出。可編程控制器的外部輸出觸點對輸出軟元件的動作有一個響應時間，即要有一個延遲才動作。所以第一部分中，可編程控制器的基本原理是重點，必需理解掌握。

第二部分基本指令及應用。相關理論知識及概念要清楚，如數據結構及軟元件（繼電器）概念。

（一）數據結構：在PLC內部結構和用戶應用程序中使用著大量的數據。這些數據從結構或數制上具有以下幾種形式。

（1）十進制數

十進制數在PLC中又稱字數據。它主要存在于定時器和計數器的設定值K；輔助繼電器、定時器、計數器、狀態繼電器等的編號；定時器和計數器當前值等區域。

（2）二進制數

十進制數、八進制數、十六進制數、BCD碼在PLC內部均是以二進制數的形態存在。但在使用外圍設備進行系統運行監控顯示時，會還原成原來的數制，。

一位二進制數在PLC中又稱位數據。它主要存在于各類繼電器、定時器、計數器的觸點及線圈。

（3）八進制數

PLC的輸入繼電器、輸出繼電器的地址編號采用八進制。

（4）十六迸制數

十六進制數用于指定應用指令中的操作數或指定動作。

（5）BCD碼

BCD碼是以4位二進制數表示十進制數各位0--9數值的方法。在PLC中常將十進制數以BCD碼的形態出現，它還常用于BCD輸出形式的數字式開關或七段碼的顯示器控制等方面。

（6）常數K、H

常數是PLC內部定時器、計數器、應用指今不可分割的一部分。如前所述，十進制常數K是定時器、計數器的設定值；十進制常數K與十六進制常數H也是應用指令的操作數。

（二）軟元件（繼電器）概念

軟元件簡稱元件。PLC的輸入輸出端子及內部存儲器的每一個存儲單元均稱為元件。各個元件與PLC的監控程序、用戶的應用程序合作，會產生或模擬出不同的功能。當元件產生的是繼電器功能時，稱這類元件為軟繼電器，簡稱繼電器。它不是物理意義上的實物繼電器，而是一定的存儲單元與程序的結合產物。后述的各類繼電器、定時器、計數器、指針均為此類軟元件。

元件的數量及類別是由PLC監控程序規定的，它的規模決定著PLC整體功能及數據處理能力。

可編程序控制器用于工業控制，其實質是用程序表達控制過程中事物間的邏輯或控制關系。

編程元件定義：在可編程序控制器內部設置具有各種各樣功能的，能方便地代表控制過程中各種事物的元器件。

編程元件物理實質：是電子電路及存儲器。具有不同使用目的的元件的電路有所不同。

在講解指令和各種繼電器時，要理論聯系實際，一邊講解一邊實際訓練，這樣學生理解指令和繼電器的應用就更為全面。

第三部分步進指令及其應用。對相關理論知識的要求，根據狀態轉移圖，采用步進指令可對復雜的順序控制進行編程。為了對步進指令靈活地運用，我們在此應對順序控制和狀態轉移圖的概念加強了解。

（一）順序控制

所謂順序控制，就是按照生產工藝所要求的動作規律，在各個輸入信號的作用下，根據內部的狀態和時間順序，使生產過程的各個執行機構自動地、有秩序地進行操作。

在順序控制中，生產過程是按順序、有秩序地連續工作。因此可以將一個較復雜的生產過程分解成若干步驟，每一步對應生產過程中的一個控制任務，即一個工步或一個狀態。且每個工步往下進行都需要一定的條件，也需要一定的方向，這就是轉移條件和轉移方向。

（二）狀態繼電器

在狀態轉移圖中，每個狀態都分別采用連續的、不同的狀態繼電器表示。FX2N系列PLC的狀態繼電器的分類、編號、數量及功能。說明：

（1）狀態的編號必須在指定范圍內選擇。

（2）各狀態元件的觸點 ，在 PLC內部可自由使用 ，次數不限。

（3）在不用步進指令時 ，狀態元件可作為輔助繼電器在程序中使用。

（4）通過參數設置 ，可改變一般狀態元件和掉電保持狀態元件的地址分配。

（三）狀態轉移圖的設計法

何謂狀態轉移圖（系統狀態）設計法，系統程序設計一般有兩種思路：一是針對某一具體對象（輸出）來考慮，另一種就是功能圖設計法。它把整個系統分成幾個時間段，在這段時間里可以有一個輸出，也可有多個輸出，但他們各自狀態不變。一旦有一個變化，系統即轉入下一個狀態。給每一個時間段設定一個狀態器（步進接點），利用這些狀態器的組合控制輸出。

（四）狀態轉移的實現

任何一個順序控制過程都可分解為若干步驟，每一工步就是控制過程中的一個狀態，所以順序控制的動作流程圖也稱為狀態轉移圖，狀態轉移圖就是用狀態（工步）來描述控制過程的流程圖。

在狀態轉移圖中，一個完整的狀態必須包括：

（1）該狀態的控制元件；

（2）該狀態所驅動的對象；

（3）向下一個狀態轉移的條件；

（4）明確的轉移方向。

狀態轉移的實現，必須滿足兩個方面：一是轉移條件必須成立，二是前一步當前正在進行。二者缺一不可，否則程序的執行在某些情況下就會混亂。

（五）畫狀態轉移圖的一般步驟

（1）分析控制要求和工藝流程，確定狀態轉移圖結構（復雜系統需要）；

（2）工藝流程分解若干步，每一步表示一穩定狀態；

（3）確定步與步之間轉移條件及其關系；

（4）確定初始狀態。（可用輸出或狀態器）；

（5）解決循環及正常停車問題；

（6）急停信號的處理。

理解了這些關鍵的概念后，實例編程就簡單了，做完一題調試一題，大量做題調試，水平自然就上來了。

第四部分是功能指令及其應用。要學好這部分內容，必須對前三部分要非常熟悉。要學好可編程控制器這門課，不但要有扎實的理論知識，還要有豐富的現場經驗。因此，學習可編程控制器入門容易，提高難，只有長期堅持不懈理論聯系實際，多分析，多討論，多做題，多調試，日積月累，可編程控制器這門技術就提高起來了。

參考文獻：

[1]張永飛，姜秀玲.PLC及其應用[J].大連理工大學出版社，2015：（03）74-75.

[2]陳金艷，王浩.可編程序控制器技術及其應用[J].機械工業出版社，2016：（06）23-24.