可编程控制器常见问题及处理方法

冯遵安

(南京化工职业技术学院，江苏 南京 210048)

国际电工委员会(IEC)对可编程控制器(PLC)的定义是：“可编程控制器是一种数字运算操纵的电子系统，专为在产业环境应用而设计的.它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操纵等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输进/输出控制各种类型的机械或生产过程.可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与产业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计[1]”.

近年来，可编程控制器技术的发展异常迅猛，各个生产厂家也推出了许多功能强大的新型PLC、各种特殊功能模块和通信联网器件，使可编程控制器成为集微机技术、自动化技术、通讯技术于一体的通用工业控制装置，成为实现工厂自动化的一种强有力的工具，在工业控制的各个领域得到了广泛应用.为适应这一发展形势及需求，PLC 技术已成为各类职业技术学校甚至一流大学电气与自动化专业的一门必修课，在高级工和技师的职业技能鉴定中可编程序控制器也成为指定的考核内容.

在从事多年的PLC教学中，发现要学好可编程控制器并非易事，有一些学习者甚至学了一个学期后仍然不是很了解PLC的工作原理，也不能够编出一段正确的梯形图程序.

1 可编程控制器的梯形图与电气控制原理图的区别

梯形图语言是一种以图形符号及其在图中的相互关系表示控制关系的编程语言，是从继电器电路图演变过来的.从图1的电气控制原理图与图2的梯形图来看，梯形图中所绘的图形符号和继电器线路图中的符号十分相似.而且这二个控制实例中梯形图的结构和继电器控制线路图也十分相似 .这两个相似的原因非常简单，一是因为梯形图是为熟悉继电器控制线路图的工程技术人员设计的，所以使用了类似的符号；二是两图所表达的逻辑含义是一样的.并且将可编程控制器中参与逻辑运算的元件看成和继电器一样的器件，具有常开常闭触点及线圈；且线圈的得失电将导致触点的相应动作.正是因为以上的相似极易让初学者把两者混为一谈，常常把梯形图当作电气控制原理图来设计.除以上原因外，一些教材和教师的教法也会造成学生的困惑.

图1 电气控制原理图

图2 梯形图

首先在一些教材上把梯形图的左右母线用电源线来代替，用能量流概念来代替继电器线路中的电流概念，采用绘制继电器线路图类似的思路绘出梯形图.其次，有的教师和一些参考材料上采用直接转换法设计梯形图，实际上就是利用梯形图和电气控制原理图的相似，采用替换方法，直接由电气控制原理图得到梯形图，见表1.

表1 电气控制电路图符号与梯形图符号对照表

应用以上方法，初学者能很快学会编制一些简单的梯形图和序，但是这种理或解解释梯形图的方法只是看到了梯形图与电气控制原理图的相似的地方，而有意的忽视了它们的区别.初学者似乎可以正确设计一些简单的梯形图程序，看似已经入门，实则不然.恰恰相反，正是因为这种简单看似合理形像的解决办法将初学者带入了歧途.因此，有的可编程控制器学习自始至终都没有弄明白电气控制原理图与梯形图的区别在哪里，他们总是以电气控制原理图的形式来理解设计梯形图，因此他们设计的梯形图程序从电气控制原理图的观点来看，无疑是正确的，然而在可编程控制器中运行中却是错误的，然而设计者却始终弄不明白错在哪里，或是有些梯形图对他们来说是不合逻辑的无法工作的，但在可编程控制器内却能正常运行.例如图3中定时输出梯形图和图4中的二分频梯形图.

图3 定时输出梯形图

图4 二分频梯形图

电气控制原理图与梯形图虽然非常相似，实际上它们两个却有天壤之别.电气控制原理图所表达的电路图，实际上以电磁开关为主体的低压电器元件，用导线依一定的规律将它们连接起来得到的继电器控制系统，接线表达了各元器件之间的关系.要想改变逻辑关系就要改变接线关系.而梯形图中的继电器等编程元件并不是实际物理元件，而只是机内存储器中的存储单元，它的所谓接通不过是相应存储单元置1而已.

只是依靠上面的几行文字初学者并不能完全理解两者的别，要想彻底解决这个问题，初学者就要清楚明白可编程控制器的工作原理与工作方式.

2 可编程控制器的工作方式

PLC采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的.即在PLC运行时CPU根据用户按控制要求编制好并存储于用户存储器中的程序，按指令步序号作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束.然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描.在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作.所以PLC的每一个扫描周期必经过输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段.

PLC在输入处理阶段，也称输入采样阶段.在这个阶段中，可编程序控制器读入输入口的状态，并将它们存放在输入数据暂存区中.在输入处理阶段之后，即使输入口状态有变化，输入数据暂存区中的内容也不变，直到下一个周期的输入处理阶段，才读入这种变化.在程序执行阶段中，PLC根据本次读入的输入数据，依用户程序的顺序逐条执行用户程序.执行的结果均存储在输出状态暂存区中.在输出处理阶段，也叫输出刷新阶段.这是一个程序执行周期的最后阶段.PLC将本次用户程序的执行结果一次性地从输出状态暂存区送到各个输出口，对输出状态进行刷新.

下面通过图5中的时序来说明PLC的工作方式.在下面的时序图中输入信号在第一个扫描周期的输入处理阶段之后才出现，所以在第一个扫描周期内各数据锁存器均为“0”状态.在第二个扫描周期的输入处理阶段，输入继电器X000的输入锁存器变为“1”状态.在程序执行阶段，由梯形图可知，Y001,Y002依次接通，它们的输出锁存器都变为“1”状态.在第三个扫描周期的程序执行阶段，由于Y001的接通使Y000接通.Y000的输出锁存器驱动负载接通[2]56.

图5 二分频梯形图

从上面可编程控制器工作方式的描述中或上面的时序图可以看出，当Y001线圈得电时，Y001的两个常开触点并不是同时动作，Y001上面的常开触点要比下面的常开触点延时一个扫描周期动作，也就造成了Y000比Y002晚一个机器扫描周期点亮.这就是可编程控制器与继电接触器控制系统最大的不同.电气控制装置采用硬逻辑的并行工作方式，如果某个继电器的线圈通电或断电，那么该继电器的所有常开常闭触点不论处在控制线路的哪个位置上，都会立即同时运动作；而可编程控制器采用扫描工作方式(或串行工作方式)，如果某个软继电器的线圈被接通或断开，基所有的触点不会立即动作，必须等扫描到该点时才会动作.

学习最好的方法是实践. 因此，学习者最好通过实验观察或实践来理解可编程控制器的工作方式，但是，由于PLC的扫描周期太短，最长也不超过100ms，上述时序图中虽然Y000比Y002延迟一个机器扫描周期点亮，人们通过眼睛观察不出它们之间的差别.为了能够在实践中理解PLC的工作方式，能够观察到这种工作方式对输出结果的影响，不妨设计梯形图程序来实现依次点亮Y0至Y3，图6给出了两个梯形图程序来观察它们输出的区别.图6中程序a的第一行给Y0置1，第二行表示把Y3Y2Y1Y0四位二进制数向左移一位，以上两条指令每当X010来一个上升沿执行一次.程序b就是把程序a的两条指令上下交换位置.当X010连续有4个上升沿后，a程序可以依次点亮Y1、Y2、Y3，而程序b则可以实现自Y0至Y3的依次点亮.那么为什么a程序不能点亮Y1而程序b则可以呢？这就是由可编程控制器的工作方式决定的.

a程序先是给Y0置1紧接着又执行移位指令，就把Y0刚置的1移到了Y1上而Y0又变成了0，所以虽然有置1指令给Y0置1，但Y0永远都不可能为1.程序b则是先移位再置1,实际就是先把Y0位的值先移给Y1后再给Y0置1，如此就可以实现自Y0至Y3的依次点亮.如果能够理解这两个程序执行的不同结果，则可以说对PLC的工作方式已经有了比较深的了解，然后再回过头来看图3和图4的两个程序就非常简单了.

图6 左移位梯形图

3 结语

在学习可编程控制器的过程中，每个人应该根据自己的实际情况寻找适合自己的不同方法，但是动手实践是一个最重要的环节，本文总结了初学者最常碰到的难点，并依据多年的教学实践提出了相应的解决办法，希望对刚涉及工控行业和有志从事该领域的人们有所启发.

[1] 史国生.电气控制与可编程控制器技术[M]. 北京:化学工业出版社，2010.

[2] 化满香.电气控制及PLC应用[M].北京:北京大学出版社，2009.