虛擬硬繼電器在可編程控制器課程中的應(yīng)用

謝芳芳

湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南長(zhǎng)沙 410208

可編程控制器(PLC)的開關(guān)量輸入/輸出模塊有直流、交流之分，其中直流輸入/輸出模塊又有源型、漏型之分[1]。此外，開關(guān)量輸出模塊有繼電器型、固態(tài)繼電器型、晶體管型、場(chǎng)效應(yīng)晶體管型、雙向晶閘管型等[2]。對(duì)于這些知識(shí)，學(xué)生理解與運(yùn)用起來(lái)比較困難。為了進(jìn)一步提高教學(xué)效果，筆者根據(jù)PLC開關(guān)量輸入/輸出模塊的電路特點(diǎn)，提出虛擬硬繼電器模型，將每個(gè)開關(guān)量輸入端或輸出端的內(nèi)部接口電路等效成一個(gè)虛擬的硬繼電器，并運(yùn)用到教學(xué)實(shí)踐中，取得了良好效果。

1 虛擬硬繼電器

1.1 開關(guān)量輸入模塊的虛擬硬繼電器

以西門子S7系列PLC的直流輸入模塊為例，圖1a是I0.0輸入端的內(nèi)部電路和外部接線[3]。當(dāng)圖中的外接開關(guān)SA1閉合時(shí)，光電耦合器中2個(gè)反并聯(lián)的發(fā)光二極管中的一個(gè)亮，光敏三極管導(dǎo)通；外接開關(guān)SA1斷開時(shí)，光電耦合器中的發(fā)光二極管熄滅，光敏三極管截止，信號(hào)經(jīng)內(nèi)部電路傳送給CPU模塊。根據(jù)這一電路特點(diǎn)，筆者將光電耦合器、電阻R1、電阻R2這3個(gè)元件等效成一個(gè)虛擬的硬繼電器(如圖1b所示)。外接開關(guān)SA1閉合時(shí)，虛擬硬繼電器的線圈得電，虛擬硬繼電器的常開觸點(diǎn)閉合；外接開關(guān)SA1斷開時(shí)，虛擬硬繼電器的線圈斷電，虛擬硬繼電器的常開觸點(diǎn)斷開。在這里，虛擬表示該繼電器在物理上是不存在的，硬繼電器是指該繼電器是硬件意義上為等效繼電器，以區(qū)別梯形圖程序里的軟繼電器。軟繼電器是軟件意義上(或講程序意義上)的繼電器，在物理上對(duì)應(yīng)CPU模塊存儲(chǔ)區(qū)的一位。

對(duì)于交流輸入模塊，每個(gè)輸入端的內(nèi)部接口電路也可等效成一個(gè)虛擬硬繼電器。類似地，其他廠家PLC的開關(guān)量輸入模塊也可等效成虛擬硬繼電器，圖2是三菱FX系列PLC的直流輸入模塊。

圖1 西門子S7系列PLC的直流輸入模塊

圖2 三菱FX系列PLC的直流輸入模塊

1.2 開關(guān)量輸出模塊的虛擬硬繼電器

以西門子S 7系列P L C的場(chǎng)效應(yīng)晶體管型(MOSFET)輸出模塊為例，圖3a是Q0.0輸出端的內(nèi)部電路和外部接線[3]。輸出信號(hào)送給內(nèi)部電路中的輸出鎖存器，再經(jīng)光電耦合器送給場(chǎng)效應(yīng)晶體管，后者的飽和導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)相當(dāng)于觸點(diǎn)的接通和斷開。根據(jù)這一電路特點(diǎn)，筆者將光電耦合器、電阻R1、穩(wěn)壓管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管這4個(gè)元件等效成一個(gè)虛擬的硬繼電器(如圖3b所示)。虛擬硬繼電器的線圈得電時(shí)，虛擬硬繼電器的常開觸點(diǎn)閉合；虛擬硬繼電器的線圈斷電時(shí)，虛擬硬繼電器的常開觸點(diǎn)斷開。常開觸點(diǎn)串聯(lián)一個(gè)二極管，以保證直流電流從Q0.0端子流出。

對(duì)于晶體管型、雙向晶閘管型輸出模塊，每個(gè)輸出端的內(nèi)部接口電路也可等效成一個(gè)虛擬硬繼電器。而對(duì)于繼電器型、固態(tài)繼電器型輸出模塊，由于物理上存在繼電器，因此無(wú)須再等效成虛擬硬繼電器。

圖3 西門子S7系列PLC的直流輸出模塊(場(chǎng)效應(yīng)晶體管型)

2 虛擬硬繼電器的應(yīng)用

2.1 在外部接線中的應(yīng)用

外部接線的任務(wù)是將PLC與外部電源、輸入側(cè)控制開關(guān)、輸出側(cè)負(fù)載連接起來(lái)。外部電源系統(tǒng)有直流、交流之分；輸入側(cè)控制開關(guān)的種類很多，有機(jī)械開關(guān)、電子開關(guān)，其中電子開關(guān)有兩線式、三線式之分，還有源型、漏型之分[4]；輸出側(cè)負(fù)載的種類也很多，有阻性負(fù)載、感性負(fù)載、容性負(fù)載等[5]。對(duì)于開關(guān)量輸入/輸出電路來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵是構(gòu)成電流回路。初學(xué)者在進(jìn)行外部接線時(shí)，可將輸入端的虛擬硬繼電器的線圈畫出來(lái)，將輸出端的虛擬硬繼電器的常開觸點(diǎn)畫出來(lái)(如圖4所示)。按這樣的圖來(lái)分析電流回路、進(jìn)行外部接線，簡(jiǎn)單清晰，不容易出錯(cuò)。

圖4 PLC輸入/輸出模塊的虛擬硬繼電器

以PLC與輸入側(cè)三線式電子開關(guān)的接線為例(如圖5所示)。在圖5a中，電流從直流電源正極出發(fā)，在L+端分成兩路，一路的電流回路是“L+端→棕端→藍(lán)端→M端→直流電源負(fù)極”，另一路的電流回路是“L+端→1M端→虛擬硬繼電器線圈→I0.0端→黑端→藍(lán)端→M端→直流電源負(fù)極”。在圖5b中，電流從直流電源正極出發(fā)，也分成兩路，一路的電流回路是“+24 V端→棕端→藍(lán)端→COM端→直流電源負(fù)極”，另一路的電流回路是“虛擬硬繼電器線圈→X0端→黑端→藍(lán)端→COM端→直流電源負(fù)極”。

圖5 PLC與輸入側(cè)三線式電子開關(guān)的接線

2.2 在PLC工作原理分析中的應(yīng)用

清晰地理解PLC工作原理是正確編程的基礎(chǔ)，運(yùn)用虛擬硬繼電器模型可以方便地理解PLC工作原理。如圖6所示，當(dāng)外接開關(guān)SA1閉合時(shí)，I0.0端的虛擬硬繼電器的線圈得電，輸入過(guò)程映像寄存器(即I區(qū))中的I0.0軟繼電器也“得電”；梯形圖程序中的I0.0軟常開觸點(diǎn)接通，Q0.0軟繼電器“得電”并自鎖，輸出過(guò)程映像寄存器(即Q區(qū))中的Q0.0軟繼電器也“得電”；Q0.0端的虛擬硬繼電器的常開觸點(diǎn)閉合，指示燈H1亮。5秒之后，梯形圖程序中的T37軟常開觸點(diǎn)接通，Q0.1軟繼電器“得電”，輸出過(guò)程映像寄存器中的Q0.1軟繼電器也“得電”；Q0.1端的虛擬硬繼電器的常開觸點(diǎn)閉合，指示燈H2亮。

在分析工作原理時(shí)，虛擬硬繼電器與對(duì)應(yīng)的軟繼電器兩者的得電和斷電狀態(tài)是相同的。當(dāng)然，虛擬硬繼電器的得電和斷電是硬件意義上的，而軟繼電器的“得電”和“斷電”則是程序意義上的。

圖6 PLC工作原理示意圖

2.3 教學(xué)應(yīng)用效果

在教學(xué)實(shí)踐中，筆者發(fā)現(xiàn)有的學(xué)生不善于分析PLC輸入側(cè)、輸出側(cè)的電流回路，靠記一些接線口訣來(lái)完成PLC外部接線。例如對(duì)于西門子PLC有接線口訣“帶M的端子連在一起，帶L的端子連在一起”，即1M，2M，3M與M連在一起，1L，2L，3L與L1連在一起。這些接線口訣對(duì)于初學(xué)者能起到一定作用，但并非適用于所有工況，實(shí)際工況是多種多樣的。經(jīng)過(guò)教學(xué)分析之后，筆者在PLC課程的第一次課就介紹“虛擬硬繼電器”模型，讓學(xué)生一開始就在腦海里樹立起牢固的“虛擬硬繼電器”模型；并且在后面的課堂中，凡涉及I/O模塊，都應(yīng)用“虛擬硬繼電器”模型來(lái)分析問(wèn)題。經(jīng)過(guò)幾輪教學(xué)實(shí)踐，取得了良好效果，在實(shí)訓(xùn)教學(xué)任務(wù)中，學(xué)生都能進(jìn)行正確的外部接線，在電氣自動(dòng)化專業(yè)、機(jī)電一體化專業(yè)的技能抽查中，學(xué)生的PLC模塊硬件接線部分的平均得分率由原來(lái)的92.3%提高到98.5%。

曾有學(xué)生在課程快要結(jié)束時(shí)提出問(wèn)題“PLC里面的程序是怎樣控制PLC外面的電磁閥的？”筆者認(rèn)為這是對(duì)PLC工作原理沒有達(dá)到深刻理解、靈活運(yùn)用的緣故。因此，在每個(gè)教學(xué)項(xiàng)目的梯形圖編程中，筆者都要求學(xué)生運(yùn)用虛擬硬繼電器模型分析程序的執(zhí)行過(guò)程，通過(guò)重復(fù)訓(xùn)練、刻意練習(xí)學(xué)生能夠清晰地理解PLC工作原理，提高了結(jié)構(gòu)化程序的正確率。在專業(yè)技能抽查中，學(xué)生的PLC模塊軟件編程部分的平均得分率由之前的88.4%提高到95.5%。另?yè)?jù)參加省級(jí)和國(guó)家級(jí)技能大賽的學(xué)生反饋，虛擬硬繼電器模型給他們提供了一個(gè)強(qiáng)有力的工具，對(duì)比賽現(xiàn)場(chǎng)的故障診斷、軟硬聯(lián)調(diào)幫助很大。

3 結(jié)語(yǔ)

為進(jìn)一步提高教學(xué)效果，針對(duì)PLC開關(guān)量輸入/輸出模塊的電路特點(diǎn)，提出虛擬硬繼電器模型，將每個(gè)數(shù)字量輸入端或輸出端的內(nèi)部接口電路等效成一個(gè)虛擬的硬繼電器。教學(xué)實(shí)踐表明，運(yùn)用虛擬硬繼電器模型學(xué)生能牢固掌握PLC數(shù)字控制系統(tǒng)的外部接線，清晰理解PLC的工作原理，為梯形圖編程打下良好基礎(chǔ)。