關于PLC工作原理的教學分析與設計

簡立明，李 敏，甘功程，陳 科

（湖南財經工業職業技術學院，湖南 衡陽 421002）

關于PLC工作原理的教學分析與設計

簡立明，李 敏，甘功程，陳 科

（湖南財經工業職業技術學院，湖南 衡陽 421002）

隨著技術的發展與人們生活質量的不斷提高，工農業和民用各個領域對自動化程度的要求與日俱進。要提高自動化程度，少不了要應用可編程控制器（簡稱PLC），所以高等教育有關工科專業都開設了PLC技術相關課程。老師們對PLC工作原理的教學抱有不同態度，特別是職業院校老師，大多數認為工作原理抽象難懂，學生聽不懂也沒多大必要。筆者在教學過程中多次巧遇學生設計的PLC控制系統存在異常，分析原因都是由于沒理解好PLC的工作原理造成的。

PLC；工作原理；教學；分析；設計

PLC應用日益廣泛，隨著工業機器人技術的開發應用，很多已就職的機械類技術員都意識到要惡補PLC知識和技能，學習、使用PLC都要進行系統的設計、調試和維修，都離不開PLC控制程序，都需要理解PLC的工作原理。

1 異常現象的案例介紹

（1）電動機點動——連續控制系統異常。①電動機點動——連續控制的要求。某企業一臺機床的主軸電動機需要采用PLC控制，該電動機要求能正反轉點動——連續運轉。請設計其控制系統并調試，即：設計電氣原理圖（包含主電路和PLC控制I/O接線圖），列PLC的I/O地址分配表，編寫PLC控制程序，安裝、并通電調試。②初學者的設計方案。此案例采用節約PLC輸入點的做法，熱繼電器的觸點不占PLC輸入點，在接觸器線圈回路中串熱繼電器的常閉觸點，另外，所有按鈕都接常開觸點。因篇幅原因，在此省略主電路和PLC控制I/O接線圖，I/O地址表如表1所示，初學者設計的PLC控制程序如圖1所示。③調試出現的異常現象。按圖1程序進行調試，接線、硬件都正確，按正轉、反轉啟動按鈕能進行正常啟動，在運轉情況下，按停止按鈕也能進行正常停止，但是，正轉、反轉點動都異常，按下正轉或反轉點動按鈕，松開按鈕后，電動機并不停止而是像連續運轉一樣繼續旋轉。

圖1 電動機正反轉點動-連續的PLC控制程序（有異常現象）

表1 電動機點動-連續控制的I/O地址表

2 PLC工作原理

PLC有RUN和STOP兩種工作模式，只有在RUN模式才執行用戶程序（又叫PLC控制程序）。PLC在RUN模式時，不僅需要完成內部處理和通信服務，還要按順序進行輸入采樣、程序執行和輸出刷新。

輸入采樣階段：實際是集中輸入。在程序執行之前，將每個輸入端子對應的輸入電路的通斷狀態進行采樣，并將信息寫入輸入寄存器。外部輸入電路接通，寫入“1”，稱為“1”狀態。外部輸入電路斷開，寫入“0”，稱為“0”狀態。

程序執行階段：PLC是典型的串行工作方式，是按第一步運算→第二步運算……最后一步運算，掃描到END指令才算程序執行完。PLC在程序執行階段，總是按先左后右，先上后下的順序對每條指令進行掃描。每執行一條指令時，所需要的輸入狀態或其他元件的狀態，分別從輸入寄存器或元件寄存器中讀取，再將執行結果（邏輯運算的結果）寫入到元件寄存器中。

輸出刷新階段：PLC是典型的串行工作方式，是按第一步運算→第二步運算……最后一步運算，掃描到END指令才算程序執行完。PLC輸出刷新實際是集中輸出，它并不是每執行程序的一個邏輯行就立即驅動外部負載工作，而是在整個程序執行一遍后，將所有輸出寄存器的0、1狀態在同一時刻集中傳送到輸出鎖存器，如果用戶程序中某一個輸出的邏輯值為“1”，對應的輸出寄存器為“1”狀態，外部負載得電工作。反之外部負載失電停止工作。

3 運用PLC工作原理分析、排查案例異常問題

正轉點動操作：如圖1所示，按下正轉點動按鈕SB3，在按下SB3的一個掃描周期的輸入采樣階段，SB3對應的輸入寄存器X2為“1”狀態，在這個掃描周期的程序執行階段，計算出輸出Y000的邏輯值為“1”，后面的邏輯行都不滿足條件，所以，掃描運行到END，都只有Y000的邏輯值為“1”，通過輸出刷新，于是電動機正轉。在電動機已正轉的情況下，松開按鈕SB3，在松開SB3的下一個掃描周期的輸入采樣階段，SB3對應的輸入寄存器X002為“0”狀態，于是X2的常閉觸點邏輯值為“1”，但此時因Y000在上一個掃描周期（即：在松開SB3的那個掃描周期）中還是“1”狀態，所以，本次掃描周期中，Y000常開觸點邏輯值為“1”，于是對Y000常開觸點串聯X2常閉觸點的邏輯行進行計算，得出Y000的邏輯值繼續為“1”，通過輸出刷新，電動機繼續正轉。后面周而復始循環掃描的結果，Y000的邏輯值都為“1”，所以用圖1所示控制程序，出現了即使按正轉點動按鈕并不是點動效果的異常現象，用同樣的原理可以分析出圖1反轉點動異常的原因。

4 PLC工作原理的教學設計

PLC工作原理抽象，如果采用傳統的理論教學方法，學生很難理解，因為不理解，如果出現上述案例所述的這種異常情況，學生沒辦法分析故障原因，更談不上排除故障了。上述電動機點動——連續控制的異常現象是個很好的PLC工作原理教學案例，可以設計成電動機點動——連續控制系統異常的故障分析與排查任務，讓學生先體驗異常現象，帶著故障分析與排查任務，講授PLC工作原理，這樣，肯定能提高學生的學習興趣，進而提高學習效率。

[1]廖常初.PLC基礎及應用：第3版[M].重慶：重慶大學出版社，2014.

[2]鄭燕.PLC基礎及應用[M].北京：人民郵電出版社，2014.

[3]阮友德.任務引領型PLC應用技術教程[M].北京：機械工業出版社，2014.

簡立明（1968-），女，湖南邵東人，主要研究方向：PLC、變頻調速、伺服等工控技術。