PLC改造繼電器控制電路時(shí)的時(shí)序問(wèn)題及解決方法

李 俊

（江蘇省常熟中等專(zhuān)業(yè)學(xué)校電氣工程系，江蘇 常熟 215500）

0 引 言

隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展，PLC作為自動(dòng)化控制的核心技術(shù)之一，被應(yīng)用到了自動(dòng)化控制的各個(gè)領(lǐng)域。因此PLC也成了很多學(xué)校機(jī)電一體化、自動(dòng)化類(lèi)專(zhuān)業(yè)必開(kāi)的課程之一。

常熟中等專(zhuān)業(yè)學(xué)校在開(kāi)展PLC課程教學(xué)的過(guò)程中，首先讓學(xué)生系統(tǒng)的學(xué)習(xí)了繼電接觸器控制的電動(dòng)機(jī)基本控制線路知識(shí)。在學(xué)習(xí)PLC的過(guò)程中，一個(gè)重要的環(huán)節(jié)就是將繼電接觸器控制的電動(dòng)機(jī)基本控制線路轉(zhuǎn)換成用PLC來(lái)控制。

在教學(xué)實(shí)踐中，筆者發(fā)現(xiàn)，如果簡(jiǎn)單的將繼電接觸器控制的電路直接轉(zhuǎn)換成由PLC控制的電路，有時(shí)將無(wú)法達(dá)到預(yù)期的效果或者出現(xiàn)運(yùn)行事故；當(dāng)然，利用PLC也能解決繼電接觸器控制電路無(wú)法克服的一些困難。

本文將分析幾種常見(jiàn)問(wèn)題并提出解決的方法。

1 PLC工作原理的簡(jiǎn)單介紹

1.1 PLC控制電路和繼電器電路的異同

從電路控制技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，PLC的前身是繼電接觸器系統(tǒng)。在邏輯控制場(chǎng)合，PLC的梯形圖和繼電器電路圖非常相似。但是這兩者之間在運(yùn)行時(shí)序問(wèn)題上，有著根本的不同。在繼電接觸器系統(tǒng)中，對(duì)于同一個(gè)繼電器，它的線圈，常開(kāi)、常閉觸點(diǎn)在通電或斷電的時(shí)候動(dòng)作是同時(shí)發(fā)生的，忽略了電磁滯后及機(jī)械滯后。但在PLC控制系統(tǒng)中，由于它的工作方式循環(huán)掃描，同一個(gè)元器件的線圈和觸點(diǎn)動(dòng)作時(shí)間不一致。這就是繼電接觸器系統(tǒng)的并行工作方式和PLC的串行工作方式的差別。

1.2 PLC的分時(shí)處理、循環(huán)掃描工作方式

在PLC控制系統(tǒng)中，PLC通過(guò)執(zhí)行用戶(hù)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。因此PLC采用的是循環(huán)掃描工作方式，主要分為如下3種工作階段。

（1）輸入信號(hào)處理

在輸入信號(hào)處理階段，CPU對(duì)輸入端進(jìn)行掃描，將獲得的各個(gè)輸入端子的信號(hào)送到輸入暫存器存放。在同一掃描周期內(nèi)，某個(gè)輸入端的信號(hào)在輸入暫存器中一直保持不變。

（2）用戶(hù)程序處理

當(dāng)輸入端子的信號(hào)全部進(jìn)入暫存器后，CPU工作進(jìn)入到第二個(gè)階段。在這個(gè)階段，PLC進(jìn)行用戶(hù)程序的處理，它對(duì)用戶(hù)程序進(jìn)行從上到下（從第0句到結(jié)束語(yǔ)句）依次掃描，并根據(jù)輸入暫存器的輸入信號(hào)和輸出暫存器中的運(yùn)算信號(hào)（PLC在一個(gè)掃描周期內(nèi)，其輸出暫存器中的數(shù)據(jù)跟隨程序執(zhí)行的結(jié)果而變化）及有關(guān)指令進(jìn)行運(yùn)算和處理，最后將結(jié)果再寫(xiě)入輸出暫存器中。

（3）輸出信號(hào)處理

這個(gè)階段CPU對(duì)用戶(hù)程序的掃描已處理完畢，并將輸出信號(hào)從輸出暫存器中取出，送到輸出鎖存電路，驅(qū)動(dòng)輸出，控制被控設(shè)備進(jìn)行各種相應(yīng)的動(dòng)作。然后，CPU又返回執(zhí)行下一個(gè)循環(huán)掃描周期。

1.3 一個(gè)掃描周期的表格表示形式

PLC的掃描周期也就是PLC的一個(gè)完整工作周期，即從讀入輸入信號(hào)到發(fā)出輸出信號(hào)所用的時(shí)間，具體如表1所示。

2 問(wèn)題一：點(diǎn)動(dòng)、連續(xù)控制電路不能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動(dòng)

如圖1所示，在用PLC來(lái)改造繼電接觸器控制點(diǎn)動(dòng)、連續(xù)控制電路時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)按下點(diǎn)動(dòng)按鈕SB2時(shí)，電路無(wú)法實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動(dòng)控制。那么，為什么會(huì)造成這種現(xiàn)象呢？應(yīng)該如何來(lái)解決呢？

圖1 繼電接觸器控制的點(diǎn)動(dòng)、連續(xù)控制電路

2.1 繼電器控制點(diǎn)動(dòng)控制電路的工作原理分析

如圖1所示，當(dāng)按下按鈕SB2時(shí)（點(diǎn)動(dòng)按鈕），首先它的常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，切斷自鎖回路，接著它的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，同時(shí)KM線圈得電，電動(dòng)機(jī)點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行；松開(kāi)SB2，KM線圈失電，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行[1-5]。

2.2 PLC控制點(diǎn)動(dòng)控制電路工作原理分析

根據(jù)分析，結(jié)合PLC外部接線圖（見(jiàn)圖2），將繼電器控制電路轉(zhuǎn)化成PLC梯形圖和指令表，如圖3所示。

圖3 梯形圖和指令表

對(duì)圖3所示的梯形圖進(jìn)行分析，可得到表2、表3。

從表2可以看到如下兩個(gè)問(wèn)題：

（1）按下SB2后，SB2由斷到通穩(wěn)定下來(lái)的時(shí)間遠(yuǎn)大于PLC的掃描周期；

（2）由于程序從上到下，從左到右依次掃描，先掃到Y(jié)0常開(kāi)，后掃到Y(jié)0線圈（看指令表）因此造成，Y0常開(kāi)和Y0線圈工作不同步。

2.3 PLC程序不能正常工作的原因

從對(duì)PLC程序運(yùn)行情況的分析可以看出，造成該電路不能點(diǎn)動(dòng)的原因是：松開(kāi)SB2的第一個(gè)掃描周期內(nèi)，Y0的常開(kāi)觸點(diǎn)是閉合的，從而造成自鎖回路自鎖。這是由PLC的分時(shí)處理與循環(huán)掃描工作方式所決定的，它同繼電接觸器控制電路有著本質(zhì)的區(qū)別。

2.4 問(wèn)題的解決方法

解決方法一：在松開(kāi)SB2的第一個(gè)掃描周期內(nèi)，設(shè)法讓自鎖回路斷開(kāi)，故在自鎖回路中串入定時(shí)器，定時(shí)時(shí)間可通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定（不能太大），如圖4所示。

解決方法二：拋棄原有電路，重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖5所示；圖5中不能將M0、M1換成Y0，否則會(huì)出現(xiàn)雙線圈問(wèn)題。

3 問(wèn)題二：PLC控制星三角電路切換過(guò)程中有時(shí)發(fā)生短路

教學(xué)過(guò)程中，實(shí)際上還會(huì)出現(xiàn)上述同種類(lèi)型的問(wèn)題。典型的像正反轉(zhuǎn)電路、星-三角電路、雙速轉(zhuǎn)換電路。安裝完成PLC電路后，有時(shí)能正常運(yùn)行，有時(shí)則在電路的切換過(guò)程中會(huì)發(fā)生短路事故。本文以星三角電路為例進(jìn)行分析研究。

表2 按下按鈕SB2后程序運(yùn)行情況

表3 松開(kāi)SB2后的程序運(yùn)行情況

圖4 在自鎖回路中傳入定時(shí)器

圖5 利用M輔助繼電器設(shè)計(jì)程序

3.1 繼電器控制星三角控制電路的工作原理分析

如圖6所示，按起動(dòng)按鈕SB2，KM1、KM3、時(shí)間繼電器KT線圈得電吸合同時(shí)自鎖，電動(dòng)機(jī)星形（Y）接法起動(dòng)。當(dāng)KT延時(shí)時(shí)間到，KM3線圈電路中的通電延時(shí)斷開(kāi)的動(dòng)斷觸點(diǎn)斷開(kāi)，KM3斷電釋放，電動(dòng)機(jī)星接（Y）起動(dòng)結(jié)束。此時(shí)，KM2線圈電路中的通電延時(shí)閉合的動(dòng)合觸點(diǎn)閉合。KM2線圈得電吸合，電動(dòng)機(jī)改為三角形（△）接法運(yùn)轉(zhuǎn)[6]。

3.2 PLC控制星三角控制電路工作原理分析（程序運(yùn)行的指令表不再給出）

根據(jù)圖7、圖8對(duì)PLC控制程序進(jìn)行分析，得到表4、表5。

圖7 PLC控制的星三角控制電路外部接線圖

圖8 PLC控制的星三角控制電路梯形圖

3.3 PLC控制電路在星三角切換過(guò)程中有時(shí)發(fā)生短路的原因分析

從圖7、圖8的工作原理可以看出，造成該電路在星三角切換過(guò)程中有時(shí)發(fā)生短路的原因是：T0計(jì)時(shí)到7 s的第2個(gè)掃描周期中，Y2線圈（星形）失電和Y3線圈（三角形）得電是同時(shí)進(jìn)行的，從而造成接觸器KM2和KM3在切換過(guò)程中存在可能同時(shí)接通的重合時(shí)間，若接觸器存在質(zhì)量問(wèn)題，則可能發(fā)生相間短路。當(dāng)然，圖5電路也存在這個(gè)問(wèn)題，但用PLC控制時(shí)解決這個(gè)問(wèn)題相對(duì)容易。

表4 按下SB1后的簡(jiǎn)單情況

表5 T0時(shí)間到時(shí)的簡(jiǎn)單情況

3.4 解決的方法

（1）方法一：選擇質(zhì)量高的接觸器，使得KM2（星形）的釋放時(shí)間小于KM3（三角形）的吸合時(shí)間，盡量縮短兩者的重合時(shí)間。

（2）方法二：在程序中加入定時(shí)器，保證Y2線圈（星形）先失電，Y3線圈（三角形）后得電，即設(shè)置轉(zhuǎn)換延時(shí)，延時(shí)時(shí)間可通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定（一般在0.5 s以下），如圖9所示。

圖9 在Y2線圈前加入定時(shí)器T0常閉觸點(diǎn)

4 問(wèn)題三：自動(dòng)往返電路的自啟動(dòng)

圖10是典型的繼電接觸器控制的自動(dòng)往返控制電路原理圖，但這個(gè)圖中存在一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，也即不安全因素：自啟動(dòng)問(wèn)題。

圖10 繼電接觸器控制的自動(dòng)往返控制電路

如果在設(shè)備啟動(dòng)運(yùn)行之前，工作臺(tái)正好把SQ1（或SQ2）壓住，則只要設(shè)備接通電源，在沒(méi)有按下啟動(dòng)按鈕的情況下，工作臺(tái)就將自行啟動(dòng)，從而釀成事故。要克服這個(gè)缺點(diǎn)，在不增加元器件的基礎(chǔ)上，將是十分困難的。

用PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的自動(dòng)往返，則能輕而易舉的解決這個(gè)問(wèn)題。

圖11中巧妙地利用了PLC的開(kāi)機(jī)脈沖M8002，保證設(shè)備啟動(dòng)運(yùn)行之前，即使工作臺(tái)把SQ1（或SQ2）壓住，設(shè)備接通電源后，在沒(méi)有按下啟動(dòng)按鈕的情況下，工作臺(tái)將不能自行啟動(dòng)[7-8]。

圖11 PLC控制的自動(dòng)往返控制電路

5 結(jié) 論

本文簡(jiǎn)單介紹了PLC的分時(shí)處理與循環(huán)掃描工作方式的特點(diǎn)，并通過(guò)“點(diǎn)動(dòng)、連續(xù)控制電路不能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動(dòng)”“PLC控制星三角電路切換過(guò)程中有時(shí)發(fā)生短路”“自動(dòng)往返電路的自啟動(dòng)”三個(gè)案例來(lái)闡述了如何通過(guò)對(duì)PLC的每一個(gè)完整掃描周期中，輸入輸出信號(hào)的變化進(jìn)行分析，來(lái)解決PLC控制過(guò)程中，繼電器控制電路和PLC控制程序不匹配的一些問(wèn)題。