《可編程控制技術(shù)》快速入門

辛貴杰

摘 要：隨著我國(guó)自動(dòng)化的發(fā)展，我國(guó)的基礎(chǔ)自動(dòng)化日趨完善并逐步進(jìn)入過(guò)程自動(dòng)化的開發(fā)階段，智能化控制也同時(shí)展開。現(xiàn)今計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和先進(jìn)的控制技術(shù)相結(jié)合，已不再停留在理論和實(shí)驗(yàn)階段，如模型預(yù)測(cè)、神經(jīng)元和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、多變量控制，自適應(yīng)和自尋優(yōu)等先進(jìn)控制算法已進(jìn)入實(shí)踐并用于DCS、PLC等控制器中。對(duì)于剛進(jìn)入自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員，面對(duì)如此龐大的知識(shí)結(jié)構(gòu)，有沒有快速的學(xué)習(xí)方法、從何處入門學(xué)習(xí)、才能夠較快的掌握這門技術(shù)？為幫助學(xué)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(xué)心得，期望對(duì)學(xué)習(xí)者有所幫助。

關(guān)鍵詞：可編程控制；繼電器；應(yīng)用

首先分析一下可編程控制這門課的性質(zhì)?？删幊炭刂七@門課產(chǎn)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(chǎn)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(zhǎng)，因此美國(guó)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(shí)計(jì)數(shù)存儲(chǔ)，現(xiàn)場(chǎng)可修改等功能的器件。因此，可編程控制器主要是用來(lái)取代繼電器接觸器控制系統(tǒng)。

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(yǔ)言，采用了計(jì)算機(jī)順序執(zhí)行存儲(chǔ)程序的原理，采用了微電子設(shè)計(jì)和控制技術(shù)，是繼電接觸控制技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。

可編程控制器隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，隨著微處理器的進(jìn)步而進(jìn)步，從1位機(jī)發(fā)展到8位機(jī)，進(jìn)一步發(fā)展到16位機(jī)、32位機(jī)，并且實(shí)現(xiàn)了多處理器多通道處理。此外，通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使可編程控制器得到了更為廣闊的應(yīng)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(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展?？删幊炭刂破鞯能浖蛑?jiǎn)單易行、使用方便、功能更強(qiáng)、便于進(jìn)行模擬和數(shù)字控制、便于網(wǎng)絡(luò)通信、便于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜或分散控制任務(wù)的方向不斷發(fā)展并完善。

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

從可編程控制器的整體性來(lái)看，基礎(chǔ)內(nèi)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(yīng)用；第三部分講解的是步進(jìn)指令及其應(yīng)用；第四部分講解的是功能指令及其應(yīng)用。掌握這四部分的內(nèi)容，對(duì)可編程控制器就算是入門了，也達(dá)到了教學(xué)的要求及目的。如何學(xué)好這四部分的內(nèi)容，接下來(lái)就進(jìn)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(chǎn)品的組成形式和功能特點(diǎn)各不相同，但它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)上基本是相同的，一般由處理器，存儲(chǔ)器，輸入/輸出系統(tǒng)極其可選部件四大部分組成。

PLC 在運(yùn)行過(guò)程中，一般由處理器，存儲(chǔ)器，輸入/輸出系統(tǒng)三個(gè)部分即可完成預(yù)定的各種控制任務(wù)，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(chǔ)器，模擬輸入、輸出，通信接口以及測(cè)試設(shè)備等，主要用于系統(tǒng)的編程組態(tài)，程序存儲(chǔ)，通訊聯(lián)網(wǎng)，系統(tǒng)擴(kuò)展和系統(tǒng)的測(cè)試與維護(hù)等，是 PLC 的輔助組成部分，在 PLC 正常運(yùn)行期間這些部件并不起作用，它們主要用于系統(tǒng)的開發(fā)、調(diào)試和維護(hù)。

可編程控制器的基本原理：

可編程控制器的工作過(guò)程分以下三個(gè)階段。

（一）輸入處理：程序執(zhí)行前，可編程控制器的全部輸入端子的通/斷狀態(tài)讀入輸入映像寄存器。在程序執(zhí)行中，即使輸入狀態(tài)變化，輸入映像寄存器的內(nèi)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(diǎn)從通（ ON ）→斷（ OFF ）或從斷（ OFF ）→通（ ON ）變化到處于確定狀態(tài)止，輸入濾波器還有一響應(yīng)延遲時(shí)間（約 10ms ）。

（二）程序處理：對(duì)應(yīng)用戶程序存儲(chǔ)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(guān)軟元件的通/斷狀態(tài)讀出，從 0 步開始順序運(yùn)算，每次結(jié)果都寫入有關(guān)的映像寄存器，因此，各軟元件（ X 除外）的映像寄存器的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行在不斷變化。輸出繼電器的內(nèi)部觸點(diǎn)的動(dòng)作由輸出映像寄存器的內(nèi)容決定。

（三）輸出處理：全部指令執(zhí)行完畢，將輸出映象寄存器的通/斷狀態(tài)向輸出鎖存寄存器傳送，成為可編程控制器的實(shí)際輸出?？删幊炭刂破鞯耐獠枯敵鲇|點(diǎn)對(duì)輸出軟元件的動(dòng)作有一個(gè)響應(yīng)時(shí)間，即要有一個(gè)延遲才動(dòng)作。所以第一部分中，可編程控制器的基本原理是重點(diǎn)，必需理解掌握。

第二部分基本指令及應(yīng)用。相關(guān)理論知識(shí)及概念要清楚，如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及軟元件（繼電器）概念。

（一）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：在PLC內(nèi)部結(jié)構(gòu)和用戶應(yīng)用程序中使用著大量的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)從結(jié)構(gòu)或數(shù)制上具有以下幾種形式。

（1）十進(jìn)制數(shù)

十進(jìn)制數(shù)在PLC中又稱字?jǐn)?shù)據(jù)。它主要存在于定時(shí)器和計(jì)數(shù)器的設(shè)定值K；輔助繼電器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、狀態(tài)繼電器等的編號(hào)；定時(shí)器和計(jì)數(shù)器當(dāng)前值等區(qū)域。

（2）二進(jìn)制數(shù)

十進(jìn)制數(shù)、八進(jìn)制數(shù)、十六進(jìn)制數(shù)、BCD碼在PLC內(nèi)部均是以二進(jìn)制數(shù)的形態(tài)存在。但在使用外圍設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控顯示時(shí)，會(huì)還原成原來(lái)的數(shù)制，。

一位二進(jìn)制數(shù)在PLC中又稱位數(shù)據(jù)。它主要存在于各類繼電器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器的觸點(diǎn)及線圈。

（3）八進(jìn)制數(shù)

PLC的輸入繼電器、輸出繼電器的地址編號(hào)采用八進(jìn)制。

（4）十六迸制數(shù)

十六進(jìn)制數(shù)用于指定應(yīng)用指令中的操作數(shù)或指定動(dòng)作。

（5）BCD碼

BCD碼是以4位二進(jìn)制數(shù)表示十進(jìn)制數(shù)各位0--9數(shù)值的方法。在PLC中常將十進(jìn)制數(shù)以BCD碼的形態(tài)出現(xiàn)，它還常用于BCD輸出形式的數(shù)字式開關(guān)或七段碼的顯示器控制等方面。

（6）常數(shù)K、H

常數(shù)是PLC內(nèi)部定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、應(yīng)用指今不可分割的一部分。如前所述，十進(jìn)制常數(shù)K是定時(shí)器、計(jì)數(shù)器的設(shè)定值；十進(jìn)制常數(shù)K與十六進(jìn)制常數(shù)H也是應(yīng)用指令的操作數(shù)。

（二）軟元件（繼電器）概念

軟元件簡(jiǎn)稱元件。PLC的輸入輸出端子及內(nèi)部存儲(chǔ)器的每一個(gè)存儲(chǔ)單元均稱為元件。各個(gè)元件與PLC的監(jiān)控程序、用戶的應(yīng)用程序合作，會(huì)產(chǎn)生或模擬出不同的功能。當(dāng)元件產(chǎn)生的是繼電器功能時(shí)，稱這類元件為軟繼電器，簡(jiǎn)稱繼電器。它不是物理意義上的實(shí)物繼電器，而是一定的存儲(chǔ)單元與程序的結(jié)合產(chǎn)物。后述的各類繼電器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、指針均為此類軟元件。

元件的數(shù)量及類別是由PLC監(jiān)控程序規(guī)定的，它的規(guī)模決定著PLC整體功能及數(shù)據(jù)處理能力。

可編程序控制器用于工業(yè)控制，其實(shí)質(zhì)是用程序表達(dá)控制過(guò)程中事物間的邏輯或控制關(guān)系。

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

編程元件物理實(shí)質(zhì)：是電子電路及存儲(chǔ)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(shí)，要理論聯(lián)系實(shí)際，一邊講解一邊實(shí)際訓(xùn)練，這樣學(xué)生理解指令和繼電器的應(yīng)用就更為全面。

第三部分步進(jìn)指令及其應(yīng)用。對(duì)相關(guān)理論知識(shí)的要求，根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，采用步進(jìn)指令可對(duì)復(fù)雜的順序控制進(jìn)行編程。為了對(duì)步進(jìn)指令靈活地運(yùn)用，我們?cè)诖藨?yīng)對(duì)順序控制和狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖的概念加強(qiáng)了解。

（一）順序控制

所謂順序控制，就是按照生產(chǎn)工藝所要求的動(dòng)作規(guī)律，在各個(gè)輸入信號(hào)的作用下，根據(jù)內(nèi)部的狀態(tài)和時(shí)間順序，使生產(chǎn)過(guò)程的各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)地、有秩序地進(jìn)行操作。

在順序控制中，生產(chǎn)過(guò)程是按順序、有秩序地連續(xù)工作。因此可以將一個(gè)較復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程分解成若干步驟，每一步對(duì)應(yīng)生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)控制任務(wù)，即一個(gè)工步或一個(gè)狀態(tài)。且每個(gè)工步往下進(jìn)行都需要一定的條件，也需要一定的方向，這就是轉(zhuǎn)移條件和轉(zhuǎn)移方向。

（二）狀態(tài)繼電器

在狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖中，每個(gè)狀態(tài)都分別采用連續(xù)的、不同的狀態(tài)繼電器表示。FX2N系列PLC的狀態(tài)繼電器的分類、編號(hào)、數(shù)量及功能。說(shuō)明：

（1）狀態(tài)的編號(hào)必須在指定范圍內(nèi)選擇。

（2）各狀態(tài)元件的觸點(diǎn) ，在 PLC內(nèi)部可自由使用 ，次數(shù)不限。

（3）在不用步進(jìn)指令時(shí) ，狀態(tài)元件可作為輔助繼電器在程序中使用。

（4）通過(guò)參數(shù)設(shè)置 ，可改變一般狀態(tài)元件和掉電保持狀態(tài)元件的地址分配。

（三）狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖的設(shè)計(jì)法

何謂狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖（系統(tǒng)狀態(tài)）設(shè)計(jì)法，系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)一般有兩種思路：一是針對(duì)某一具體對(duì)象（輸出）來(lái)考慮，另一種就是功能圖設(shè)計(jì)法。它把整個(gè)系統(tǒng)分成幾個(gè)時(shí)間段，在這段時(shí)間里可以有一個(gè)輸出，也可有多個(gè)輸出，但他們各自狀態(tài)不變。一旦有一個(gè)變化，系統(tǒng)即轉(zhuǎn)入下一個(gè)狀態(tài)。給每一個(gè)時(shí)間段設(shè)定一個(gè)狀態(tài)器（步進(jìn)接點(diǎn)），利用這些狀態(tài)器的組合控制輸出。

（四）狀態(tài)轉(zhuǎn)移的實(shí)現(xiàn)

任何一個(gè)順序控制過(guò)程都可分解為若干步驟，每一工步就是控制過(guò)程中的一個(gè)狀態(tài)，所以順序控制的動(dòng)作流程圖也稱為狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖就是用狀態(tài)（工步）來(lái)描述控制過(guò)程的流程圖。

在狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖中，一個(gè)完整的狀態(tài)必須包括：

（1）該狀態(tài)的控制元件；

（2）該狀態(tài)所驅(qū)動(dòng)的對(duì)象；

（3）向下一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移的條件；

（4）明確的轉(zhuǎn)移方向。

狀態(tài)轉(zhuǎn)移的實(shí)現(xiàn)，必須滿足兩個(gè)方面：一是轉(zhuǎn)移條件必須成立，二是前一步當(dāng)前正在進(jìn)行。二者缺一不可，否則程序的執(zhí)行在某些情況下就會(huì)混亂。

（五）畫狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖的一般步驟

（1）分析控制要求和工藝流程，確定狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖結(jié)構(gòu)（復(fù)雜系統(tǒng)需要）；

（2）工藝流程分解若干步，每一步表示一穩(wěn)定狀態(tài)；

（3）確定步與步之間轉(zhuǎn)移條件及其關(guān)系；

（4）確定初始狀態(tài)。（可用輸出或狀態(tài)器）；

（5）解決循環(huán)及正常停車問題；

（6）急停信號(hào)的處理。

理解了這些關(guān)鍵的概念后，實(shí)例編程就簡(jiǎn)單了，做完一題調(diào)試一題，大量做題調(diào)試，水平自然就上來(lái)了。

第四部分是功能指令及其應(yīng)用。要學(xué)好這部分內(nèi)容，必須對(duì)前三部分要非常熟悉。要學(xué)好可編程控制器這門課，不但要有扎實(shí)的理論知識(shí)，還要有豐富的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)。因此，學(xué)習(xí)可編程控制器入門容易，提高難，只有長(zhǎng)期堅(jiān)持不懈理論聯(lián)系實(shí)際，多分析，多討論，多做題，多調(diào)試，日積月累，可編程控制器這門技術(shù)就提高起來(lái)了。

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