“電氣控制與PLC”課程中疑難指令的教學(xué)探討

王榕生

(福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建福州 350108)

0 引言

“電氣控制與PLC”課程中梯形圖的編程形式具有形象直觀的特點(diǎn)，易于被學(xué)生接受［1-5］。然而，課程通篇貫穿邏輯思維與推理，又涉及大量指令內(nèi)容，而使部分學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒，學(xué)習(xí)信心不足。尤其是那些PLC特有的指令及控制環(huán)節(jié)方面會(huì)存在理解上的難度，如果講述不透，將影響學(xué)生對后續(xù)內(nèi)容的學(xué)習(xí)。因此這部分內(nèi)容事實(shí)上成了本門課程的教學(xué)難點(diǎn)。本文結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，試圖解決PLC中的一些疑難指令的教學(xué)及一些容易忽視的問題。

1 暫存繼電器TR釋疑

TR不是編程指令，而是暫存繼電器［1-2］。盡管教材給出了明確說明，但對其在程序中所起作用，缺乏必要闡釋，導(dǎo)致概念不清。在歐姆龍CPM1A系列PLC中只提供編號(hào)TR0～TR7共8個(gè)暫存繼電器，數(shù)目雖少，卻構(gòu)成了全部工作數(shù)據(jù)區(qū)中的一個(gè)分區(qū)，足見其地位之重要。暫存繼電器TR實(shí)質(zhì)是“?！保尚蜗蟊扔鳛檠b東西的口袋，裝什么東西呢?弄清這點(diǎn)很重要，這是打開TR這把鎖的鑰匙。以下通過圖1所示的暫存繼電器TR的實(shí)例加以說明。

1 使用暫存繼電器TR實(shí)例

上圖的梯形圖支點(diǎn)意義是其左側(cè)繼電器00000參與(或控制)其后所有的邏輯運(yùn)算。因此，程序從上到下先進(jìn)行(00000)與(00001)之間的邏輯“與”運(yùn)算，將結(jié)果輸出給(01000);再進(jìn)行(00000)的復(fù)位操作，使其復(fù)0;然后進(jìn)行(00000)與(00002)之間的邏輯“與”運(yùn)算，其結(jié)果輸出給(01001)。

整個(gè)邏輯關(guān)系簡單明了，但里面隱藏著一個(gè)問題，即RESET指令有可能改變(00000)的邏輯值，影響到其后的邏輯運(yùn)算。如果在程序開始運(yùn)行時(shí)(00000)的邏輯值為1，在RESET指令執(zhí)行后，又使(00000)由1復(fù)位為0，導(dǎo)致參與后續(xù)邏輯“與”運(yùn)算的(00000)的值不再是原值，顯然違背了梯形圖原有的邏輯關(guān)系。

為避免這一情況發(fā)生，其解決辦法是在梯形圖的支點(diǎn)處擺放如圖1中的TR0。即如同設(shè)置一個(gè)“口袋”，將其左邊(00000)的值收入囊中，起到保存“原生態(tài)”的作用。欲達(dá)此目的，相關(guān)的兩個(gè)動(dòng)作不可或缺，一是“裝入”，即OUT TR0指令;另一則是“取出”，即 LD TR0指令，否則“口袋”形同虛設(shè)。“裝入”指令OUT TR0必須緊跟在所要保存的繼電器(圖例為00000)的加載指令之后，“取出”指令LD TR0則應(yīng)放在涉及“口袋”中的量的邏輯運(yùn)算之前。有了暫存繼電器TR之后，就不用擔(dān)心程序中任何地方是否改變了支點(diǎn)左側(cè)的繼電器值了。問題的關(guān)鍵是能否正確使用OUT TR0與LD TR0這兩個(gè)指令。

當(dāng)程序運(yùn)行到 RESET 00000指令時(shí)，如果(00000)為1，則對(00000)作復(fù)位操作，其值變?yōu)?。雖然改變了(00000)的原值，但其后跟隨的指令LD TR0將TR0內(nèi)的值即(00000)原值重新賦給了R，即所謂“取出”，使隨后參與邏輯運(yùn)算的(00000)仍為原值，從而確保了梯形圖原有的邏輯關(guān)系。

那么是否凡遇有支點(diǎn)都要使用TR呢?未必盡然。如果梯形圖所有邏輯運(yùn)算都不改變支點(diǎn)左側(cè)繼電器原值，例如在圖1梯形圖中如果沒有RESET 00000指令，可不使用TR。同理，雖然使用了TR，但邏輯運(yùn)算未改變支點(diǎn)左側(cè)繼電器原值之前也可不使用LD TRx(x=0～7)指令。例如，上例中RESET 00000指令前的LD TR0指令可改用LD 00000，因?yàn)榇藭r(shí)的(00000)值尚未變化。

2 關(guān)于指令的微分與非微分形式

PLC指令具有微分和非微分兩種形式，凡微分型指令均在助記符前加@符予以標(biāo)識(shí)。大多數(shù)應(yīng)用指令兼有微分型/非微分型。兩種指令形式的功能完全一樣，區(qū)別在于指令的執(zhí)行條件。對于非微分型指令，當(dāng)執(zhí)行條件為ON時(shí)，則每個(gè)掃描周期都執(zhí)行該指令;對于微分型指令僅在其執(zhí)行條件由OFF跳變?yōu)镺N時(shí)才執(zhí)行一次，如果執(zhí)行條件沒有OFF到ON的變化，則該指令不執(zhí)行。然而教學(xué)中發(fā)現(xiàn)不少學(xué)生對此感到抽象。究其原因有兩個(gè)方面:①如何理解執(zhí)行條件由OFF到ON的變化;②將指令設(shè)計(jì)為兩種形式的意義在哪里?

先談第一個(gè)問題。為厘清執(zhí)行條件由OFF到ON的變化，關(guān)鍵要將PLC固有工作方式即所謂“循環(huán)掃描”結(jié)合起來講。“循環(huán)掃描”即為重復(fù)地執(zhí)行程序。無論程序何種結(jié)構(gòu)及其大小，一旦PLC開機(jī)，都對程序重復(fù)運(yùn)行，循環(huán)不已。因此，程序中每條指令也將一遍遍地執(zhí)行，然而事先須考察執(zhí)行條件是否滿足，滿足則執(zhí)行，否則不執(zhí)行?？疾彀础把h(huán)掃描”運(yùn)行節(jié)拍進(jìn)行。如果指令為非微分型，當(dāng)每個(gè)掃描周期的執(zhí)行條件都為ON時(shí)，則重復(fù)執(zhí)行該指令，直到條件變?yōu)镺FF時(shí)停止執(zhí)行;如果指令為微分型，則要考察前后兩次掃描周期執(zhí)行條件的變化來決定當(dāng)前是否執(zhí)行指令。如果上次掃描周期的執(zhí)行條件為OFF，當(dāng)前掃描周期的執(zhí)行條件變?yōu)镺N，則PLC感知了條件的上跳變化，則執(zhí)行指令，否則不執(zhí)行。請看圖2所示的例子。

圖2 微分指令執(zhí)行原理示意圖

上圖的梯形圖示出了微分指令@INC(功能為加1運(yùn)算)執(zhí)行原理，該指令的執(zhí)行條件是(00000)繼電器。梯形圖右側(cè)箭頭線代表對程序一遍遍掃描，實(shí)線表示執(zhí)行@INC指令，虛線表示不執(zhí)行該指令。箭頭下方數(shù)字表示掃描序號(hào)，上方為每次掃描時(shí)@INC指令執(zhí)行條件(00000)的狀態(tài)。當(dāng)?shù)谝槐閽呙钑r(shí)，25315先對(000)通道清零，之后由于(00000)=OFF，則指令@INC不執(zhí)行，于是(000)=0;第二遍掃描時(shí)，(00000)=ON，PLC感知了(00000)邏輯量的上跳變化，因此執(zhí)行@INC，使(000)=1;第三遍掃描時(shí)，(00000)仍為ON，相對于上次掃描沒有發(fā)生上跳變化，則不執(zhí)行@INC，(000)值仍為1。后續(xù)掃描如保持(00000)ON不變，則都不執(zhí)行@INC。由此看出當(dāng)執(zhí)行條件變?yōu)镺N時(shí)，PLC對微分指令只執(zhí)行一次。所以從指令執(zhí)行次數(shù)方面考察，非微分型指令可簡單理解為執(zhí)行多次的指令，微分指令則為只執(zhí)行一次的指令。

由此引出了第二個(gè)問題，即為什么PLC將指令設(shè)計(jì)為兩種形式，其實(shí)際意義在哪里?前已提到PLC的固有工作方式是“循環(huán)掃描”，它是針對控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要PLC重復(fù)執(zhí)行程序這一通常情況而設(shè)計(jì)的，但不排除實(shí)際應(yīng)用中存在只執(zhí)行一次指令的需要。試想如果拿掉圖2中INC指令前的@使之變?yōu)榉俏⒎种噶?，則一旦執(zhí)行條件(00000)為ON，經(jīng)一段時(shí)間運(yùn)行后，(000)值是多少就難以確知了，程序變得無甚意義。所以PLC的兩種指令形式，是針對不同控制需要而設(shè)計(jì)的，不可混用。

3 關(guān)于順序控制步轉(zhuǎn)換條件

PLC中的控制問題只要屬于順序控制類型，無論大小，都能通過套用PLC提供的模板輕易得以解決，因此能在很大程度上減輕編程難度。順序控制編程涉及兩大步驟:畫功能表圖和畫梯形圖。功能表圖應(yīng)準(zhǔn)確表達(dá)每步所做的事項(xiàng)及步與步之間的轉(zhuǎn)換條件，畫梯形圖則是在此基礎(chǔ)上套用模板而已。然而必須指出步與步之間的轉(zhuǎn)換條件體現(xiàn)在梯形圖模板時(shí)卻發(fā)生了變形，即加入了上一步控制位這一條件，使步轉(zhuǎn)換條件變?yōu)槎呦唷芭c”的邏輯條件。那么我們不禁要問，所加入的條件是必要的嗎?教材或參考書對此缺乏必要闡釋，使不少學(xué)生產(chǎn)生困惑。為澄清這一問題，應(yīng)扣緊順序控制的實(shí)質(zhì)要求，即下一步活動(dòng)必須在前一步活動(dòng)結(jié)束之后才能展開，這就意味著整個(gè)控制過程不充許發(fā)生任何跳轉(zhuǎn)。試想如果在梯形圖的轉(zhuǎn)換條件中取消上一步控制位，僅留下步轉(zhuǎn)換條件，將會(huì)發(fā)生什么情況。我們現(xiàn)在結(jié)合圖3所示的實(shí)例進(jìn)行討論。

圖3 順序控制示例

在上圖所示的順序控制梯形圖中，每個(gè)梯級(jí)的步轉(zhuǎn)換邏輯條件為控制位 20000、20001、20002、20003 分別與 00000、00001、00002、00003 繼電器相“與”。假設(shè)將其中的控制位取消，留下 00000、00001、00002、00003位似乎也能實(shí)現(xiàn)步轉(zhuǎn)換。如果控制位20001為ON，即當(dāng)前活動(dòng)步為“工進(jìn)”，當(dāng)該步結(jié)束時(shí)必使00001繼電器為ON，進(jìn)而使20002為ON，即活動(dòng)步轉(zhuǎn)為“快進(jìn)”，并使上一步控制位20001變?yōu)镺FF，似乎也符合順序控制邏輯要求。但這樣一來埋下了一個(gè)隱患，即只要發(fā)生某種干擾使轉(zhuǎn)換條件00000、00001、00002、20003繼電器位中的任何一個(gè)為ON都可觸發(fā)相應(yīng)控制位為ON，使該步變?yōu)榛顒?dòng)步，而不管其上一步是否結(jié)束了活動(dòng)狀態(tài)，這就導(dǎo)致了事實(shí)上的程序跳轉(zhuǎn)，違背了順序控制的本意。由此可見在步轉(zhuǎn)換邏輯條件中加(串)入上一步控制位是完全必要的，它對步轉(zhuǎn)換起到了嚴(yán)格限制作用，使其僅在上一步活動(dòng)結(jié)束后方可進(jìn)行，以防止干擾引起程序跳轉(zhuǎn)，確保順序控制按正確邏輯步驟推進(jìn)。

4 常用指令容易忽略的問題

PLC常用指令是關(guān)于“位”的邏輯運(yùn)算指令，其中的加載指令LD N應(yīng)予以特別重視，因?yàn)樗瑑煞N不同操作。然而教學(xué)中發(fā)現(xiàn)學(xué)生對該指令的認(rèn)知只停留在助記符所表達(dá)的操作功能層面上，卻忽視了隱藏在助記符后面的另一操作功能。恰恰這一忽視對后續(xù)“塊”邏輯運(yùn)算指令的教學(xué)影響很大，因此有必要對加載指令LD N功能作深入解讀。

圖4 塊邏輯運(yùn)算示例

LD N指令包含的兩種操作功能分別是，①將N繼電器狀態(tài)送入結(jié)果寄存器R;②結(jié)果寄存器R的原內(nèi)容存入堆棧。對這兩種操作應(yīng)理解為有先有后，第2種操作在先，第1種操作在后，否則R的原內(nèi)容將丟失(被覆蓋)。于是指令執(zhí)行時(shí)，先將R的內(nèi)容保存進(jìn)堆棧中，然后再接收N繼電器狀態(tài)。該指令對R內(nèi)容的保存功能對“塊”邏輯運(yùn)算指令功能的發(fā)揮至關(guān)重要，同時(shí)也是正確理解與運(yùn)用“塊”邏輯運(yùn)算指令的關(guān)鍵所在?，F(xiàn)在可通過圖4所示的實(shí)例進(jìn)行剖析。算，即(00000)·(00001)+(00002)，結(jié)果存入 R中。接下來進(jìn)行第二“塊”邏輯運(yùn)算時(shí)務(wù)必先應(yīng)用指令LD 00003將R內(nèi)容即第一“塊”的邏輯運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)存堆棧S中。再加載(00003)至R，連同其后的AND NOT 00004和OR NOT 00005指令完成第二“塊”的邏輯運(yùn)算。至此，前兩“塊”邏輯運(yùn)算都告完成，結(jié)果分別存放在堆棧S與R中。接下來應(yīng)用AND LD指令進(jìn)行堆棧S與R內(nèi)容相“與”，即前兩

上圖中“塊”邏輯運(yùn)算梯形圖示例中共有3個(gè)邏輯塊。梯形圖先對上方2個(gè)邏輯塊進(jìn)行“與”運(yùn)算，然后再對下方的塊進(jìn)行“或”的運(yùn)算，所得結(jié)果傳送給01000，其邏輯關(guān)系直觀明了。但如何正確地應(yīng)用指令語句加以實(shí)現(xiàn)，主要取決于對LD N指令的透徹理解與正確運(yùn)用。

在圖4梯形圖中，先對第一“塊”進(jìn)行邏輯運(yùn)“塊”邏輯值相“與”運(yùn)算，結(jié)果存放R中。其后進(jìn)行第三“塊”的邏輯運(yùn)算時(shí)，同樣先應(yīng)用LD NOT 00006指令將R內(nèi)容轉(zhuǎn)移到堆棧S中，再加載(00006)，連同其后的AND 00007指令完成第三“塊”邏輯運(yùn)算，其值仍在R中，再應(yīng)用OR LD指令完成堆棧S與R內(nèi)容相“或”，也就是前兩“塊”相“與”的結(jié)果再與第三“塊”邏輯值相“或”的運(yùn)算，最后通過 OUT 01000指令輸出結(jié)果。

由以上分析可以看出，在對含有“塊”邏輯運(yùn)算的梯形圖寫語句表時(shí)，應(yīng)先弄清各“塊”之間的邏輯關(guān)系，明確各“塊”邏輯運(yùn)算順序，在此基礎(chǔ)上正確運(yùn)用LD N指令及“塊”邏輯指令(AND LD與OR LD)加以實(shí)現(xiàn)。LD N指令將前一“塊”邏輯值轉(zhuǎn)存堆棧S中，并開啟下一“塊”的邏輯運(yùn)算，而“塊”邏輯指令則對之前存放于堆棧中的“塊”邏輯值再取出進(jìn)而完成規(guī)定的“塊”間邏輯運(yùn)算，其執(zhí)行總是在相關(guān)的二“塊”邏輯值算完之后，與LD N指令形成交替疊進(jìn)關(guān)系。

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