基于高職PLC基本原理的單點(diǎn)動(dòng)控制系統(tǒng)教學(xué)探討

陳揆能 朱琴 賀旖琳 尹暉

摘? 要：在高職教育《PLC編程技術(shù)》教學(xué)過程中，經(jīng)常會(huì)碰到單個(gè)點(diǎn)動(dòng)按鈕進(jìn)行操作的情況。該文根據(jù)單個(gè)點(diǎn)動(dòng)按鈕的特點(diǎn)，通過設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的PLC程序，來(lái)控制系統(tǒng)狀態(tài)的改變，以達(dá)到控制的目的。闡述控制思路與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、PLC功能指令和程序掃描的工作原理，為生產(chǎn)過程提供控制方法和編程思路。PLC編程技術(shù)是高職類電氣、機(jī)電等專業(yè)的專業(yè)核心課，點(diǎn)動(dòng)開關(guān)在PLC設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的使用是最為頻繁的，它是PLC控制電氣系統(tǒng)的重要組成元件。理解和掌握PLC可編程控制器程序掃描的工作原理和功能指令的使用特點(diǎn)，是學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)方法、掌握編程技巧的關(guān)鍵點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)吸c(diǎn)動(dòng)? PLC控制? 方法與思路

中圖分類號(hào)：TP391.45 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）07（c）-0090-02

1? PLC系統(tǒng)單點(diǎn)動(dòng)控制的特點(diǎn)

單點(diǎn)動(dòng)PLC控制就是用一個(gè)點(diǎn)動(dòng)按鈕來(lái)控制PLC系統(tǒng)輸出設(shè)備的多個(gè)狀態(tài)的控制方法，相對(duì)比于采用置位開關(guān)的控制系統(tǒng)，采用單點(diǎn)動(dòng)控制具有線路接線少、器件使用少、操作高效方便、成本低廉、功能更易于拓展等特點(diǎn)[1]，在生產(chǎn)實(shí)踐和教學(xué)中廣泛應(yīng)用。

2? PLC系統(tǒng)點(diǎn)動(dòng)控制的方法

該文以一個(gè)點(diǎn)動(dòng)按鈕控制一盞燈為例，以S7-200作為編程載體，從按鈕的結(jié)構(gòu)原理與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存以及PLC的程序掃描工作原理、PLC的功能指令3個(gè)方面來(lái)進(jìn)行分析和研究。具體要求如下：系統(tǒng)啟動(dòng)后，燈為熄滅狀態(tài)，當(dāng)按下點(diǎn)動(dòng)按鈕后，燈亮;再次按下點(diǎn)動(dòng)按鈕，燈熄滅;如此循環(huán)。

2.1 點(diǎn)動(dòng)按鈕結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)位儲(chǔ)存

點(diǎn)動(dòng)按鈕通常由一對(duì)常開、常閉觸點(diǎn)、推桿、彈簧組成。常開觸點(diǎn)斷開，常閉觸點(diǎn)閉合。當(dāng)按下后，常開觸點(diǎn)會(huì)閉合，而常閉觸點(diǎn)斷開。

當(dāng)前的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都是采用馮諾依曼結(jié)構(gòu)，其數(shù)據(jù)運(yùn)算和儲(chǔ)存都是采用二進(jìn)制的形式進(jìn)行的，PLC可編程控制器作為一種工業(yè)控制設(shè)備，它的結(jié)構(gòu)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類似。由不同位數(shù)的二進(jìn)制位可以組成不同大小的儲(chǔ)存空間，PLC系統(tǒng)中較為常見的儲(chǔ)存單元大小有：字節(jié)（byte）、字（word）、雙字（double word）等。當(dāng)對(duì)某個(gè)儲(chǔ)存空間的數(shù)據(jù)進(jìn)行加一操作時(shí)，其最低位滿足“逢二進(jìn)一”的原則而其數(shù)值發(fā)生改變。

根據(jù)點(diǎn)動(dòng)按鈕的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的特點(diǎn)，由此我們可得到第一種問題解決的思路：脈沖延邊+INC指令。程序如圖1所示。

默認(rèn)MB10的初始值為10，二進(jìn)制的表示為00001010，對(duì)應(yīng)的M10.0的初始值為0。當(dāng)I0.0接通時(shí)，MB10的值自動(dòng)加1，其值為11，二進(jìn)制的表示為00001011，對(duì)應(yīng)的M10.0的初始值為1。M10.0對(duì)應(yīng)的線圈得電，Q0.0得電，實(shí)現(xiàn)I0.0對(duì)Q0.0的接通;當(dāng)再次接通I0.0，MB10的值為12，對(duì)應(yīng)M10.0線圈失電，Q0.0失電，實(shí)現(xiàn)I0.0對(duì)Q0.0的關(guān)斷，如此循環(huán)。

除以上的方法外，根據(jù)脈沖延邊與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)位儲(chǔ)存的特點(diǎn)，我們還可以通過位移指令+邊沿脈沖、數(shù)據(jù)運(yùn)算指令+邊沿脈沖等功能指令+邊沿脈沖的實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)動(dòng)PLC控制的方法。

2.2? 程序掃描

S7-200型PLC的程序掃描過程可以總結(jié)為一句話，那就是“集中批處理和順序掃描[2]”。集中批處理就是PLC在程序一個(gè)掃描周期內(nèi)，一次全部讀取輸入映像寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)運(yùn)算后，并一次全部讀出運(yùn)算后的結(jié)果將其輸出至輸出映像寄存器的過程。順序掃描的原則就是PLC在進(jìn)行程序掃描時(shí)是由上往下逐條反復(fù)的掃描。

一個(gè)掃描周期由3個(gè)部分組成：輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新。其中輸入采樣的數(shù)據(jù)和輸出刷新的數(shù)據(jù)是以集中批次的方式處理的;程序執(zhí)行的過程以先左后右，從上至下的順序原則依次掃描。

根據(jù)PLC的掃描原理，結(jié)合點(diǎn)動(dòng)按鈕的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，得到第二種問題解決的思路：脈沖延邊+中間繼電器+順序掃描。程序如圖2所示。

初始狀態(tài)為M12.0線圈失電，Q0.0線圈失電。在I0.0接通的瞬間，I0.0上升沿的掃描周期內(nèi)，M12.0線圈得電，但M12.0常開觸點(diǎn)處于斷開狀態(tài)，Q0.0失電。下一掃描周期，M12.0常開觸點(diǎn)閉合，Q0.0常閉觸點(diǎn)閉合，Q0.0得電。第三個(gè)掃描周期，Q0.0常開觸點(diǎn)閉合，M12.0常閉觸點(diǎn)閉合，Q0.0繼續(xù)保持得電狀態(tài)，如此，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)動(dòng)的開通。在I0.0再次接通時(shí)，原Q0.0得電，在I0.0接通的瞬間，I0.0上升沿掃描周期內(nèi)，M12.0線圈得電，Q0.0得電。下個(gè)掃描周期，常開M12.0/Q0.0常閉支路與常閉M12.0/Q0.0常開支路都處于斷開狀態(tài)，Q0.0線圈失電，則實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)動(dòng)的關(guān)斷功能。由圖2程序可知，以脈沖延脈沖延邊+中間繼電器+順序掃描的程序設(shè)計(jì)思路，中間繼電器的作用為儲(chǔ)存脈沖邊沿的狀態(tài);開通和關(guān)斷過程均需2個(gè)掃描周期才能完成。

根據(jù)PLC程序掃描的特點(diǎn)，在此介紹另一種單按鈕PLC控制系統(tǒng)的編程思路，程序如圖3示。原理同上，在此不再重復(fù)。

2.3 功能指令

在S7-200型PLC中有很多的功能指令，如比較指令、轉(zhuǎn)換指令、傳送指令、通訊指令等，它們使PLC具備了更加強(qiáng)大的功能，能處理更大數(shù)據(jù)量、更復(fù)雜的控制問題，而且對(duì)一些特殊的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一種更加便捷的編程方式，例如，某個(gè)系統(tǒng)的控制要求是以時(shí)間軸為主線的，這些情況的例子有多花樣音樂噴泉、流水燈、交通燈等。通過以定時(shí)器+比較指令的編程方式，將時(shí)間分段進(jìn)行編程，可以大大縮減程序的長(zhǎng)度，使程序結(jié)構(gòu)更加緊湊、簡(jiǎn)單，增強(qiáng)了程序的可讀性。

根據(jù)單點(diǎn)動(dòng)PLC控制系統(tǒng)要求的特點(diǎn)，結(jié)合PLC程序掃描的特點(diǎn)，在此介紹第三種解決單點(diǎn)動(dòng)PLC控制的編程思路，采用置復(fù)位指令+自鎖。程序如圖4所示。

初始狀態(tài)Q0.0線圈處于失電狀態(tài)，常閉觸點(diǎn)Q0.0處于閉合狀態(tài)。當(dāng)I0.0第一次按下時(shí)，由圖4可知，SR置位優(yōu)先雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器置位復(fù)位兩條支路都得電，置位優(yōu)先，Q0.0得電;第二次按下I0.0，因按鍵前Q0.0線圈得電，Q0.0常閉觸點(diǎn)處于斷開狀態(tài)，第二次按下按鍵所產(chǎn)出的上升沿使SR指令的復(fù)位端得電，置位端斷開，Q0.0線圈失電，如此反復(fù)。

同樣的道理，單點(diǎn)動(dòng)按鈕控制也可以采用RS復(fù)位優(yōu)先雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器指令。只需將Q0.0常閉觸點(diǎn)改成常開觸點(diǎn)串聯(lián)至復(fù)位端即可。程序如圖5所示。

3? 結(jié)語(yǔ)

單按鈕點(diǎn)動(dòng)PLC控制作為一種較為經(jīng)典的控制方式，在生產(chǎn)實(shí)踐、教學(xué)和學(xué)生競(jìng)賽中經(jīng)常使用，其實(shí)現(xiàn)的方式有很多種。除以上介紹的幾種外，還有計(jì)數(shù)指令+邊沿脈沖、取反指令+邊沿脈沖等很多種，其中以程序掃描和PLC工作原理為基礎(chǔ)的邏輯編程方法形式變化多樣，雖在程序形式上，各種編程方法和結(jié)構(gòu)有所不同，但其本質(zhì)是相通的。學(xué)生只要認(rèn)真掌握PLC的工作原理及器件的基本特性并研究和總結(jié)規(guī)律，就能開拓個(gè)人的編程思維。在不斷的編程實(shí)踐中，運(yùn)用、總結(jié)和升華，舉一反三，編寫出更加簡(jiǎn)潔、高效的程序來(lái)。

參考文獻(xiàn)

[1] 張建濱.西門子S7-200 PLC單鈕控制啟/停的方法[J].科技展望，2016，26（8）：168.

[2] 祝福.西門子S7-200系列PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2017.