西门子S7-400中央控制器CPU416-2

PLC应用人才的关键是自主学习

可编程控制器（PLC）具有结构灵巧，硬件配置灵活方便、可靠性高、抗能力强，易学易用的特点，已作为普遍的自动化控制器件广泛应用于各行各业。《PLC原理及应用》课程已成为工科院校一门覆盖面较广的专业课，作为学校如何出高素质应用型PLC人才，这成为社会、学校、与家长关注的焦点。根据多年的教学实践，就影响PLC人才的各个因素的与协同，我提出以下几点建议以供参考：

PLC学习和使用中易出现的几个问题及解决PLC的分类PLC的控制属于存储程序控制，其控制功能是通过存存储器内的程序来实现的，若要对控制功能作必要修改，只需改变控制程序即可，这就实现了控制的化。 　　另外PLC的24VDC和24GND已引出到面板，供外接输入器件（如传感器）的工作电源用.定子是用来产生磁场的。可编程控制器的优点在于"可"字，从来讲，其控制程序可编辑、可修改；从硬件上讲，其外部设备配置可变。 　　构建一个PLC控制的重心就在于控制程序的编制，但外部设备的选用也将对程序的编制产生影响。因此在进行程序设计时应结合实际需要，硬、综合考虑。本文就硬、软两方面，选取梯形图为编程语言，以电工FPO-C32型PLC为例，对PLC使用中易出现的几个问题及解决进行了分析。 　　一、外部输入设备的选用与PLC输入继电器的使用1.外部输入的采集PLC的外部设备主要是指控制中的输入输出设备，其中输人设备是对发出各种控制的主令电器，在编写控制程序时必须注意外部输入设备使用的是常开还是常闭触点，并以此为基础进行程序编制。 　　否则易出现控制错误。在PLC内部存储器中有**于输入状态存储的输入继电器区，各输入设备（开关、按钮、行程开关或传感器）的状态经由输入接口电路存储在该区域内，每个输入继电器可存储一个输入设备状态。PLC中使用的"继电器"并非实体继电器，而是"软继电器"，可提供无数个常开、常闭触点用于编程。 　　每个"软继电器"仅对应PLC存储单元中的一位（bit），该位状态为"1"，表示该"软继电器线圈"通电，则程序中所有该继电器的触点都。输入继电器作为PLC接收外部主令的器件，通过接线与外部输入设备相联系，其"线圈"状态只能由外部输入驱动。 　　输入的采集工作示意图如图1。输入继电器线圈其状态取决于外部设备状态图1PLC输入采集示意图图1中，输入设备选用的是按钮0的常闭触点，输入继电器X0的线圈状态取决于0的状态。该按钮未按下时，输入继电器X0线圈状态为"1"通电状态，程序中所有X0触点均，即常开触点接通，常闭触点断开；若按下该按钮，则输入继电器X0线圈状态为"0"断电状态，程序中所有X0触点均恢复常态。 　　如果输入继电器连接的输入设备是按钮0的常开触点，则情况恰好相反：在该按钮未按下时，输入继电器X0线圈状态为"0"断电状态，程序中所有X0触点均不；若按下该按钮，输入继电器X0线圈状态为"1"通电状态，程序中所有X0触点均。 　　2.停车按钮使用常闭型由于PLC在运行程序判别触点通断状态时，只取决于其内存中输入继电器线圈的状态，并不直接识别外部设备，因此编程时，外部设备的选用与程序中的触点类型密切相关。这是一个在对照电气控制原理图进行PLC编程时易出现的问题。 　　典型的例子是基本控制--"起保停控制"中的停车控制。图2"起保停控制"电气原理图图2为"起保停控制"电气原理图，在该中，按钮0用于停车控制，因此使用其常闭触点串联于控制线路。l为起动按钮，使用其常开触点。 　　若使用相同的设备（即停车0用常闭触点，起动l用常开触点），利用PLC进行该控制，则需编程梯形图程序（图3）：图3"起保停控制"梯形图程序（停车按钮使用常闭触点）I/O分配：0--X0，l--Xl，输出Y0该梯形图中停车X0使用的是常开触点串联在控制线路中，这是因为外部停车设备选取。 　　图4"起保停控制"梯形图程序（停车按钮使用常开触点）I/O分配：0--X0，l--Xl，输出Y0图3、4梯形图完成相同的控制功能，程序中停车X0使用的触点类型却不相同，其原因就是连接在输入继电器X0上的外部停车按钮触点类型选用不同。 　　3.停车按钮使用常开型若希望编制出符合我们平时阅读习惯的梯形图程序（图4），则在选用外部停车设备时需使用按钮0的常开触点与X0相连。图4所示梯形图程序更加符合我们的阅读习惯，也更易分析其逻辑控制功能，因此在PLC构成控制中，外部开关、按钮无论用于起动还是停车，一般都选用常开型，这是一个在使用PLC时需要格外注意的问题。 　　二、PLC的"串行"运行与控制程序的编制PLC与继电器控制的重要区别之一就是工作不同。继电器控制是按"并行"工作的，也就是说是按同时执行的工作的，只要形成电流通路，就可能有几个电器同时。 　　而PLC是以"串行"工作的，PLC在循环执行程序时，是按照语句的书写顺序自上而下进行逻辑运算，而前面逻辑运算的结果会影响后面语句的逻辑运算结果。因此梯形图编程时，各语句的位置也会对控制功能产生关键影响。 　　例如：图5程序1程序1调试结果：X0接通3次，Y3接通，X0再接通1次，Y3断开。图6程序2程序2程序调试结果．X0接通3次，Y3接通瞬间即断开。上面两个程序中，输出Y3、计数器CTl02及内部通用继电器R0前面的逻辑条件均相同，仅仅是计数器CTl02所在语句位置发生了变化，而两段程序的运行结果就截然不同。 　　执行段程序时，将首先判断输出Y3的状态，再判断CTl02的状态，CTl02的状态变化只能在下一个扫描周期对Y3产生影响；而执行*二段程序时，将首先判断CTl02的状态，再判断输出Y3的状态，CTl02的状态变化将在该扫描周期直接影响Y3的状态。 　　从以上讨论可以得出，由于PLC采用"串行"工作，所以即使是同一元件，在梯形图中所处的位置不同，其工作状态也会有所不同，因此在利用梯形图进行控制程序编制时，应对控制任务进行充分分析，合理安排各编程元件的位置，才能够更为准确地实现控制。 　　这是因为CTl02对输出Y3的影响发生了变化。三、PLC的编程元件PLC的各种功能主要是通过运行控制程序来实现。编制程序时，需要合理使用PLC提供的编程元件（即软元件）。FPO型PLC中常用的编程元件有两种：位元件（bit）和字元件（word）。 　　位元件实际上是PLC内存区域所提供的一个二进制位单元，又被称为软继电器，主要用作基本顺序指令的编程元件，如输入继电器Xn、输出继电器Yn、内部通用继电器Rn、定时（计数）器等，其参与控制的主要是通过对应触点的通断状态改变影响逻辑运算结果即输出。 　　字元件则为PLC内存区域内的一个字单元（16bit），主要用作功能指令和指令的编程元件，通常用以存放数据，如数据寄存器DTn，定时(计数)器的设定值SVn、经过值EVn等。字元件没有触点，通常以整容参与控制。 　　值得注意的是内存中的输入（X）区、输出（Y）区和内部通用（R）区，该区中的每个bit均可用作位元件，而且每16bit可构成一个字元件，如WRIO即是由16个位元件R100～R10F构成的字元件，该字元件中的内容一旦发生变化，这16个位的状态也随之发生改变。 　　如：图7编程元件示例程序图7所示程序中，WR0即为字元件，是左移位指令SR的编程元件，而Y0为输出软继电器的线圈，X0、X1、X2、X3则为输人软继电器的触点，其中第4步的R4触点为位元件R4的常开触点，而位元件R4又是字元件WR0中的一位，因此其状态受限于WR0的移位结果。 　　四、顺序控制多步同输出的编程顺序控制是生产现场常见的一类控制任务，步进指令是PLC指令库中**于顺序控制的。步进指令编程时，根据工艺流程将程序划分为一个个的程序段，执行时，CPU严格按梯形图编程顺序，只有执行完**段程序后才能下一段程序，并在下一段程序执行之前，将前面程序段复位。 　　并且在语法上要求各程序段所使用的输出不允许重复。这在解决顺序控制任务中有多步同输出的情况时，就带来了一定的困难。借助于内部通用继电器可方便解决这一难题。如某一顺序控制任务如以程图（图8）所示。图8某机械手流程图从机械手流程图可以看出，这个控制任务每个循环的工作可以划分为八步，其中第1步与第5步相同，均为上升；第3步和第7步相同，均为下降。 　　如图7所示梯形图程序，其中R1、R5分别被定义为第1步与第5步的输出，R3、R7分别被定义为第3步与第7步的输出，在步进结束后再将R1、R5的状态输出到上升Y3，将R3、R7的状态输出到下降Y4，通过这样的可方便解决顺序控制任务中若干工步输出相同的问题。 　　在利用步进指令进行编程时，这两个工步所对应的程序段的输出不能直接设置为Y3、Y4，同一个输出使用两次则会出现语法错误。这时应考虑使用用于存储中间状态的内部通用继电器Rn来解决这个问题。图9机械手控制梯形图五、结束语初学者对于PLC的基本应用易于，但要做到灵活使用仍需对一些技术难点和使用深刻理解。 　　在编程之前，要对控制任务进行认真分析，合理选择外部设备和编程元件，并以此为基础进行编程；在编程中，如能灵话巧妙地使用编程元件，合理地进行程序编排，可使程序逻辑清楚，可读性增强。

国产中小型三相电动机型号的含义国产中小型三相电动机型号的系列为Y系列，是按电工会IEC设计生产的三相异步电动机，它是以电机中心高度为依据编制型号谱的，如Y-200L2-6??中、小型三相异步电动机的机座号与定子铁心外径及中心高度的关系见表1和表2。 　　表1小型异步三相电动机表2中型异步三相电动机中、小型三相异步电动机的机座号与定子铁心外径及中心高度的关系见表1和表2。2．额定功率额定功率是指在满载运行时三相电动机轴上所输出的额定机械功率，用表示，以千瓦（kW）或瓦（W）为单位。 　　3．额定电压额定电压是指接到电动机绕组上的线电压，用UN表示。三相电动机要求所接的电源电压值的变动一般不应**过额定电压的±5%。电压过高，电动机容易烧毁；电压过低，电动机难以启动，即使启动后电动机也可能带不动负载，容易烧坏。 　　4．额定电流额定电流是指三相电动机在额定电源电压下，输出额定功率时，流入定子绕组的线电流，用IN表示，以安（A）为单位。若**过额定电流过载运行，三相电动机就会过热乃至烧毁。三相异步电动机的额定功率与其他额定数据之间有如下关系式式中——额定功率因数——额定效率5．额定额定是指电动机所接的交流电源每秒钟内周期变化的，用fN表示。 　　我国规定电源为50Hz。6．额定转速额定转速表示三相电动机在额定工作情况下运行时每分钟的转速，用nN表示，一般是略小于对应的同步转速n1。如n1=1500r/min，则nN=1440r/min。 　　7．绝缘等级绝缘等级是指三相电动机所采用的绝缘材料的耐热能力，它表明三相电动机允许工作温度。三相电动机的绝缘等级允许温度参见表8.1。8．定额定额是指三相电动机的运转状态，即允许连续使用的时间，分为连续、短时、周期断续三种。 　　1）连续连续工作状态是指电动机带额定负载运行时，运行时间很长，电动机的温升可以达到稳态温升的工作2）短时短时工作状态是指电动机带额定负载运行时，运行时间很短，使电动机的温不到稳态温升；停机时间很长，使电动机的温升可以降到零的工作。 　　（3）周期断续周期断续工作状态是指电动机带额定负载运行时，运行时间很短，使电动机的温不到稳态温升；停止时间也很短，使电动机的温升降不到零，工作周期小于10min的工作。9．接法三相电动机定子绕组的连接有星形（Y）和三角形（△）两种。 　　定子绕组的连接只能按规定连接，不能任意改变接法，否则会损坏三相电动机。10．防护等级防护等级表示三相电动机外壳的防护等级，其中IP是防护等级标志符号，其后面的两位数字分别表示电机防固体和防水能力。数字越大，防护能力越强，如IP44中位数字“4”表示电机能防止直径或厚度大于1毫米的固体进入电机内壳。 　　*二位数字“4”表示能承受任何方向的溅水。

型PLC的特点和结构型PLC又称外装型或通用型PLC。对数控机床而言，型PLC于CNC装置，具有完备的硬件结构和功能，能够完成规定的控制任务。采用型PLC的数控框图（如图1所示）。 　　图1型PLC的CNC框图型PLC具有如下特点(1)型PLC具有CPU及其控制电路，程序存储器、用户程序存储器、输入／输出接口电路、与编程器等外部设备通信的接口和电源等基本功能结构(如图2所示)。 　　

    一、教学与实习设备投入。在PLC课程的实践教学中，应把机械、电工、电子、液压、气动和计算机等知识与PLC技术进行**地联系，扩大实习实训课时的比重，逐步加大学校相关设备的投入，建立较为完备的PLC技术实训室，从而为“PLC项目”的实训教学创造良好条件。教学实践证明，只有通过PLC项目方面的实训，让学生亲自编程、实际接线和调试，并对运行中所遇到的问题进行分析和改进，才能真正学生创新思维和综合职业能力，真正实现学生后在PLC技术应用领域“**上岗”的终教学目标。

    二、理论、实验与实训教学。任何课程教学活动的首要任务都是激发学生的学习，同样在PLC教学中激发学生的并不难，重要的是让学生不断地，不断地到成功的喜悦，这样才能始终保持其浓厚的。

     1、理论课的首要任务是让学生明确PLC是什么？PLC能做什么？怎么做？可以通过一个简单、形象实例（如：电机的长动控制）的完整讲解、操作与演示，先让学生了解PLC控制包括主电路与控制电路，PLC的外部硬件连线与内部编程两个基本的环节仅仅充当控制电路部分，让学生整体了解PLC控制的构成与工作，再以此为基础进行外部硬件连线与内部编程两个基本环节的深入讲解，这样便于学生对比继电器控制对本课程的整体把握，明确课程的中心任务，有了目标也就有了学习的动力。

PLC的工作的三个基本内容PLC采用循环扫描的工作，在PLC中用户程序按先后顺序存放，CPU从条指令开始执行程序，直到遇到结束符后又返回条，如此周而复始不断循环。 　　PLC的扫描分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。全扫描一次所需的时间称为扫描周期。当PLC处于停状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。1．输入处理输入处理也叫输入采样。 　　在此阶段，顺序读入所有输入端子的通端状态，并将读入的信息存入内存中所对应的映象寄存器。在此输入映象寄存器被刷新。接着进入程序执行阶段。在程序执行时，输入映象寄存器与外界隔离，即使输入发生变化，其映象寄存器的内容也不会发生变化，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入信息。 　　2．程序执行根据PLC梯形图程序扫描原则，按先左后右先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。遇到程序跳转指令，根据跳转条件是否来决定程序的跳转地址。从用户程序涉及到输入输出状态时，PLC从输入映象寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映象寄存器读出对应映象寄存器，根据用户程序进行逻辑运算，存入有关器件寄存器中。 　　对每个器件来说，器件映象寄存器中所寄存的内容，会随着程序执行而变化。3．输出处理程序执行完毕后，将输出映象寄存器，即器件映象寄存器中的Y寄存器的状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制，驱动外部负载。 　　可编程控制出现在美国，1968年，美国的汽车制造公司通用汽车公司(GM)提出了研制一种新型控制器的要求，并从用户角度提出新一代控制器应具备以下**条件：（1）编程简单，可在现场修改程序；（2）方便是插件式；（3）可靠性**继电器控制柜；（4）体积小于继电器控制柜；（5）可将数据直接送。 　　随着计算机控制技术的不断发展，可编程控制器的应用已广泛普及，成为自动化技术的重要组成。条件提出后，立即引起潮。1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出了上台可编程序控制器，并应用于通用汽车公司的生产线上。 　　当时叫可编程逻辑控制器PLC（ProgrammableLogicController），目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。紧接着，美国MODICON公司也出同名的控制器，1971年，从美国引进了这项新技术，很快研制成了台可编程控制器。 　　随着半导体技术，尤其是微处理器和微型计算机技术的发展，到70年代中期以后，特别是进入80年代以来，PLC已广泛地使用16位甚至32位微处理器作为处理器，输入输出模块和电路也都采用了中、大规模甚至**大规模的集成电路，使PLC在概念、设计、性能价格比以及应用方面都有了新的突破。 　　这时的PLC已不仅仅是逻辑判断功能，还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能，称之为可编程序控制器（ProgrammableController）更为，简称为PC，但为了与个人计算机（Persona1Computer）的简称PC相区别，一般仍将它简称为PLC（ProgrammableLogi。 　　1973年，西欧也研制出他们的台可编程控制器。PLC是微机技术与的继电器-器控制技术相结合的产物，其基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是的、通用的。 　　继电器控制已有上**历史，它是用弱电控制强电的控制，在复杂的继电器控制中，故障的查找和排除困难，花费时间长，严重地影响工业生产。在工艺要求发生变化的情况下，控制柜内的元件和接线需要作相应的变动，改造工期长、费用高，以至于用户宁愿另外制作一台新的控制柜。 　　而PLC克服了继电器-器控制中机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用微处理器的优点，并将控制器和被控对象方便的连接起来。由于PLC是由微处理器、存储器和器件组成，所以应属于工业控制计算机中的一类。 　　对用户来说，可编程控制器是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺，因此如果在初步设计阶段就选用可编程控制器，可以使得设计和调试简单容易。从制造生产可编程控制器的厂商角度看，在制造阶段不需要根据用户的订货要求专门设计控制器，适合批量生产。 　　我国从1974年也开始研制可编程序控制器，1977年开始工业应用。目前它已经大量地应用在楼宇自动化、家庭自动化、商业、公用事业、设备和农业等领域，并涌现出大批应用可编程序控制器的新型设备。可编程序控制器的工作原理，具备设计、调试和可编程序控制器控制的能力，已经成为现代工业对电气技术人员和工科学生的基本要求。 　　

组合机床液压滑台进给运动功能表图绘制举例某组合机床液压滑台进给运动示意图如图1所示，其工作分成原位、快进、工进、快退四步，相应的转换条件为、SQ1、SQ2、SQ3。液压滑台各液压元件情况如表5-1所示。 　　图1某组合机床液压滑台进给运动示意图表1液压元件表元件工步YV1YV2YV3原位―――快进┼――工进┼―┼快退―┼―图2液压滑台的功能表图如果PLC已经确定，可直接用编程元件～M303（FX系列）来代表这四步，设输入/输出设备与PLC的I/O点对应关系如表2所示，则可直接画出如图2b。 　　表2输入/输出设备与PLCI/O对应关系PLCI/OX0X1X2X3Y0Y1Y2输入/输出设备SQ1SQ2SQ3YV1YV2YV3

PLC控制实例——定时计数本例无实际意义，但非常有利于分析程序执行。 　　输入端只需接一个按钮，无输出，参考图5-2，只接X0。分析图5-5中，（a）、(b)、(c)三种情况下，观察计数器的当前值，分析程序执行。程序中M8011为特殊辅助继电器，只要PLC处于运行状态，将不停发出10ms的脉冲（5ms通、5ms断）。 　　程序中T0为1s定时，X0闭合后1s，T0导通。C0为增计数器，在X0闭合、T0没有闭合的前提下，记录M8011发出的脉冲个数。理论上，在T0导通，C0计数器停止计数时，计数器的当前值应为100个（1s/10ms=100个脉冲）。 　　三段程序中，只是改变了执行的前后位置，但结果却不同。结合对应的时序图分析其原因。一、项目所需设备、工具、材料见表5-1。二、训练内容按照前面的例子完成接线、输入程序，按照要求进行观察。2、实训要求表5-1项目所需设备、工具、材料2.1接线图与控制程序按照图5-6，完成PLC控制的硬件连接。 　　按照图5-7提供的梯形图，利用计算机或手持编程器写入PLC。3时序图分析按下开关以后，部分继电器时序图如图5-8所示。三、实训报告要求与考核1实训报告要求（1）整理实训操作结果，按写出实训报告。 　　a．根据给出的梯形图，写出指令表；b．回答观察要求中的思考题；c．补充图5-8中的部分时序；d．总结实训操作中出现的问题；e．按照接线示意图画出实际接线图；f．图5-5的三段程序中，只是改变了执行的前后位置，但结果却不同，结合对应的时序图分析其原因。 　　

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