可编程控制器及其与继电控制的差异.doc

陈永康：可编程控制器及其与继电控制的差异分析可编程控制器及其与继电控制的差异分析陈永康（龚嘴水力发电总厂 四川 乐山 614000）【摘要】： PLC控制方式近些年来大行其道，电气自动化专业的工程技术人员从继电控制转型到PLC控制。大家在学习、应用新知识、新工艺上存在一定的认识差异，本人对PLC控制原理和梯形图的应用以及PLC控制与传统继电器控制的一些主要差异进行归纳整理和汇总分析，供同仁学习参考，以促进大家加快掌握PLC编程的进程并在实际工程应用中做到得心应手。【关键词】：可编程序控制器；梯形图；PLC控制与继电控制的差异分析。现代化大工业要求相应生产设备的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，可编程控制器（PLC）正是顺应这一要求而出现的，它是以微型计算机技术为核心而发展起来的新型通用自动控制装置，它的功能强大，可靠性高，编程简单，体积小巧，使用方便，近年来在工业生产中得到广泛应用。一、可编程控制器可编程序控制器（Programmable Logical Controller）简称PLC，它从继电器控制系统发展而来，它的梯形图程序与继电器系统电路图相似，与继电器系统中的物理继电器在功能上有某些相似之处，梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称，这种用计算机程序实现的“软继电器”，我们在PLC控制中同样叫做继电器，如输入继电器、输出继电器等等。1基本逻辑运算在开关量控制系统中，变量仅有两种相反的工作状态，如继电器线圈的通电和断电、触点的接通和断开，他们分别用逻辑代数中的“1”和“0”来表示。设A、B为输入逻辑变量，M为输出逻辑变量，两个或多个接点的串联可以实现逻辑“与”运算，而并联则可以实现逻辑“或”运算，他们之间的“与”、“或”、“非”逻辑运算关系可用梯形图或继电器电路来实现，见图1、图2所示：2可编程控制器的工作原理可编程控制器（PLC）有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态和停止（STOP）状态。在运行状态，PLC通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能，为了使PLC的输出及时地响应随时变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复循环执行，直至可编程控制器停机或切换到停止（STOP）状态。可编程控制器除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，PLC图3：扫描过程内部处理通信服务输入处理程序执行输出处理RUNSTOP图2：继电器控制电路图KMMAC 380VSB1ACSB2KMKMMBA&（a）与逻辑ABM（b）或逻辑MBAMAB（c）非逻辑MAMA图1：基本逻辑运算还要完成内部处理、通信处理等工作，每次循环可分为5个阶段（见图3所示），PLC的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。由于计算机执行指令的速度非常快，从外部输入、输出关系来看，我们直观的感觉到处理过程似乎是同时完成的。 当可编程控制器处于停止（STOP）状态时，只执行内部处理和通信服务两个阶段的操作；当可编程控制器处于运行（RUN）状态时，还要执行后面三个阶段的操作。2.1 内部处理阶段：PLC检查CPU模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位以及完成一些其它的内部工作。2.2 通信服务阶段：可编程控制器与带有微处理器的其它智能控制装置进行通信，响应编程器输入的命令，更新编程器的显示内容等。2.3 输入处理阶段：可编程控制器把所有反映外部输入电路的接通/断开状态读入到输入映像寄存器中存储起来。2.4 程序执行阶段：执行反映控制要求的用户程序，在同一个扫描周期内，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器的状态也不会立即随之改变，变化了的输入信号状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入。用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按照步序号的顺序排列，在没有跳转指令时，CPU从第一条指令开始，逐条顺序地执行用户程序，直到用护程序结束之处。2.5 输出处理阶段：CPU将输出映像寄存器的状态传送到输出锁存器，然后输出，驱动外部元件执行相应动作，如外部中间继电器等。3可编程控制器梯形图的基本电路梯形图程序设计是可编程控制器应用中最关键的问题，下面简单介绍梯形图中常用的一些基本电路。31启动、保持和停止电路（起-保-停）图4：启动、保持和停止电路PLC梯形图(a)外部接线图AC 220VSB2X0 Y0X1 COMCOMSB1KMX1Y0X0Y0(b)梯形图以图2中的继电器控制电路图为例来进一步说明可编程控制器的扫描工作过程，转换成PLC梯形图后见图4所示。启动信号X0和停止信号X1（比如启动按钮和停止按钮提供的信号）持续为ON的时间一般都很短暂，这种信号称为短信号。当启动信号X0变为ON时（用高电平表示），X0的常开触点接通，如果这时X1为OFF，X1的常闭触点接通，Y0的线圈“通电”，它的常开触点同时接通。这时放开启动按钮，X0变为OFF（用低电平表示），其常开触点断开，此时电流经Y0的常开触点和X1的常闭触点使Y0的线圈维持“通电”状态，Y0仍然为ON，这就是所谓的自保持功能。当X1为ON时，它的常闭接点断开，停止条件满足，YO的线圈“断电”，其常开触点断开，以后即使X1再次变为ON，但是由于X0和Y0均为OFF，Y0的线圈仍然在“断电”状态。32三相异步电动机正、反转控制电路图5：三相异步电动机正、反转控制电路FU2AC 380VABCMKM1FU1KM2FR反转正转KM1SB2KM2SB3SB3SB2KM1FR1SB1KM2KM1KM2图6：三相异步电动机正、反转控制电路PLC梯形图FRKM2KM1AC 380VKM1KM2(a)外部接线图SB3SB1SB2X0 Y0X1 Y1X2 COM1COM(b)梯形图反转正转X1Y1X1X2Y0X0Y0Y0X0X2Y1Y1图5是三相异步电动机正、反转控制的主电路和继电器控制电路图，图6是功能与它相同的PLC控制系统的外部接线图和梯形图。其中KM1和KM2分别是控制正转和反转的交流接触器，由KM1和KM2的主触点来改变电动机三相电源的相序，即改变电动机的旋转方向。SB1是停止按钮；SB2和SB3分别是正转和反转按钮；FR是热继电器，电机过载时由它的常闭触点断开KM1和KM2的线圈，使电机断电停转。在图6的梯形图中，用两个“起-保-停”电路来分别控制电动机的正转和反转：按下正转按钮SB2，X0变为ON，其常开接点接通，Y0的线圈“通电”并自保持，使KM1的线圈“通电”，电机开始正转运行；按下停止按钮SB1，X2变为ON，其常闭触点断开，使Y0线圈“失电”，电动机停止运行。在梯形图中，将Y0和Y1的常闭触点分别与对方的线圈串联，可以保证它们不会同时为ON，因此KM1和KM2的线圈不会同时通电，这种安全措施在继电器电路中称为“互锁”。此外，为了方便操作和保证Y0、Y1不会同时为ON，在梯形图中设置了按钮互锁，即将反转启动按钮控制的X1的常闭触点与控制正转的YO线圈串联，将正转启动按钮控制的X0的常闭触点与控制正转的Y1线圈串联。设Y0为ON，电机正转，这时如果想改为反转，可以不按停止按钮SB1而直接按反转按钮SB3，X1变为ON，它的常闭触点断开，使Y0线圈“失电”，同时X1的常开触点接通，使Y1线圈“通电”，电机由正转变为反转。梯形图中的互锁和按钮互锁电路只能保证输出模块中与Y0和Y1对应的硬件继电器的常开触点不会同时接通，如因接触器的主触点粘连，这时另一接触器的线圈通电仍然会造成三相短路事故。为了防止出现这种情况，应在PLC外部设置由KM1和KM2的辅助常闭触点组成的硬件闭锁电路（如图6所示），假设KM1的主触点被粘连，这时它的与KM2线圈串联的辅助常闭触点处于断开状态，因此KM2的线圈仍然不可能“通电”,从而避免了上述情况的出现。33定时器、计数器应用程序 定时范围扩展T0K600X1K60T0X1C0图7：定时范围的扩展T0RSTC0C0Y0每个PLC中定时器的最长定时时间都有限制，如果需要更长的定时时间，可使用图7所示的定时扩展电路。当X1为OFF时，T0和C0处于复位壮态，他们不能工作；当X1为ON时，其常开触点接通，T0开始定时，60s后T0的定时时间到，其当前值等于设定值，它的常闭触点断开，使它自己复位，复位后其当前值等于0，同时它的常闭触点接通，使它自己的线圈重新“通电”，又开始新以轮定时。T0将这样周而复始地工作，直到X1变为OFF为止。从上面的分析可知，图7中最上面一行电路实际上是一个脉冲信号发生器，脉冲周期等于T0的设定值。T0产生的脉冲送到C0记数，记满60个数（1h）后，CO的当前值等于设定值60，它的常开触点闭合，输出到Y0驱动外部电路。设T0和C0的设定值分别为KT和KC，对于100ms定时器，总的定时时间为T=0.1KT KC (S) 闪烁电路，见图8所示K30X0T0K20T1图8：闪烁电路T0T1Y0设开始时T0和T1君为OFF，X0的常开触点接通后，T0的线圈“通电”，2s后定时时间到，T0的常开触点接通，使Y0变为ON，同时T1的线圈“通电”，开始记时。3s后T1的定时时间到，它的常闭触点断开，使T0的线圈断电，T0的常开触点断开，T0的常开触点断开，使Y0变为OFF，同时使T1的线圈断电，其常闭触点闭合，T0又开始定时，以后Y0的线圈将这样周期性地“通电”和“断电”，直到X0变为OFF为止，其中Y0“通电”和“断电”的时间分别等于T1和T0的设定值。闪烁电路实际上是一个具有正反馈的振荡电路，T0和T1的输出信号通过他们的触点分别控制对方的线圈，从而形成了正反馈。Y1T0Y1X0K70K90X0图9：延时接通/断开电路T1T0Y1T1 延时接通/断开电路，见图9所示图9中的电路用X0控制Y1，X0的常开触点接通后，T0开始定时，9s后T0的常开触点接通，使Y1变为ON，X0为ON时,其常闭触点断开,使T1复位，X0变为OFF后,T1开始记时，7s后T1的常闭触点断开,使Y1变为OFF，T1亦被复位。二、可编程控制器与继电控制的差异我们在学习可编程序控制器的最初阶段，往往将PLC 梯形图与传统继电器控制电路图（以下简称继电控制电路图）作等效类比。无可否认，这种以已知知识引入新知识的做法，其学习效果是值得肯定的。但是，这样做很容易使我们把PLC 梯形图与继电控制电路图混为一谈。我们必须注意，PLC 作为一种工业控制的专用计算机，其梯形图与继电控制电路图确实存在很多差异，具体如表1所示。那么，我们应该怎样对待并处理这些差异呢？表1：PLC梯形图与继电控制电路图的主要差异序号差异名称PLC 梯形图继电控制 电路图说 明1工作方式串行工作，按照预先确定的顺序，依次逐条执行指令并行工作，几个线圈或几个触点可能同时动作两者具有本质差异2竞争现象无竞争现象，控制效果稳定易发生竞争现象，控制效果不稳定PLC具有明显优点3可靠性软触点可靠性高使用机械触点，可靠性较低PLC优越4控制功能可以实现各种复杂控制控制功能比较单一PLC优越5线圈位置排列直接影响控制效果不会影响控制效果使用PLC应特别注意6触点间连接关系必须是简单的串、并联关系无特殊要求使用PLC应特别注意7图中输入元件输入继电器的软触点，与PLC输入接口的硬继电器一一对应使用按钮、位置开关等硬元件两者性质完全不同8图中输出元件输出继电器的软线圈和软触点，与PLC输出接口的硬继电器一一对应接触器类硬元件两者性质完全不同9中间继电器软继电器，资源丰富，触点数量无限硬继电器，应尽量减少使用量，触点数量较少PLC具有明显优势10控制内容修改只需修改程序，工作量较小改变硬件连接，工作量比较大PLC优越1重视差异分析，温故而知新 在引入PLC梯形图知识以后，我们必须注重表1中列出的这些主要差异，温习、巩固已掌握的知识进而引入新知识，冲破已知知识给我们造成的思维定势，从而深入领会PLC知识的内涵与外延，只有这样方可收到较满意的学习效果。2. 应用梯形图设计方法，消除竞争现象在表1中我们已经列举了PLC控制可以消除竞争现象，控制效果稳定可靠，下面我们就举一个实例进行剖析，以此说明PLC 梯形图设计的优越性。图10 表示继电器控制电路，该电路试图使用最少元件达到如下控制要求： 按下启动按钮SB 后，三个中间继电器KM1，KM2 和KM3 轮流动作，动作的间隔时间为3 秒（以此可以控制3 盏灯或3 个电磁阀之类的工作元件轮流动作）。 当行程开关SQ被压住时，电路正常工作；若将行程开关SQ松开，则松开的瞬间，KM1，KM2 和KM3 全部失电复位。图10：继电器控制电路图KA2KM3SBKA1KM2KM3KM1KM1KTKM3KM2KM2KM1KM1KM3KM3KM2KTKM1KM2KM3KA2KA1SQSQKT对电路做通电试验时，如果碰到各元件的动作时间正好比较理想，则电路可以正常工作；如果碰到某一元件的动作时间稍微变长或变短，则电路将出现竞争现象。现以电路图10中由KM2线圈得电动作转换为KM3线圈得电动作的过程为例，分析电路的几种竞争现象及其原因。 如果KT的延时闭合常开触点断开的速度比KM3的自锁速度快，则KM3依然处于失电状态而导致轮流动作转换失败。 如果KM3的常闭触点已使KM2失电复位，而KM3自身又来不及自锁，则电路被全部复位而导致意外停止。2DAC 220VSQSB+ -24VCom ComX0Y0Y1X1Y21D3D输入继电器电源外部信号输入输入接口PLC主机输出接口外部工作元件工作元件电源图11：I/O接线图 如果KT的延时闭合常开触点断开的时间稍微长一点，则KM3得电并自锁后，KM1又得电自锁并KM3失电复位，这将造成轮流转换失步。同理，利用SQ 控制电路停止，也会因为竞争现象而造成控制失败。上述竞争现象，通过增加一些元件和增加一些触点，并把电路作适当改进，是完全可以消除的，但是这样既增加经济成本，又使电路复杂化。由本例不难看出，竞争现象是困扰传统继电控制电路设计的一个大问题。图12：PLC梯形图电路Y002Y000Y001T1M0Y001Y001Y002Y000Y001Y002M1Y000Y002T1M0T1 |30T1X1X1M1M0ENDY001Y002Y000T1M0X0Y002Y000如果将上述图10所示的继电器控制电路按照图11所示的I/0 连接图进行接线，改造设计成如图12所示的PLC 梯形图，则PLC可以稳定地实现本例的控制要求而不会产生上述竞争现象。PLC控制可以消除竞争现象，其基本的原理在于PLC梯形图采用的是逐条执行指令的串行工作方式，从根本上杜绝了竞争现象，可以保证控制效果的稳定性和唯一性。这正是PLC梯形图与继电器控制电路图在工作原理上的根本差异，也是PLC所具有的突出优点。3. 注重分析方法，用好PLC梯形图现结合表1有关内容和本例实际，将PLC梯形图这一突出优点和设计梯形图应注意的几个问题简要分析如下： 我们必须运用符合串行工作方式的思维方法去分析图12所示PLC 梯形图的工作原理。现假设图10中输出继电器Y1的线圈已经得电动作，则3 秒后T1的常开触点先使Y2线圈得电动作；接着T1的常闭触点又使自身线圈失电复位。然后，在接下来的PLC扫描周期中，Y2的自锁常闭触点才断开，使Y1线圈失电复位；接着Y2的自锁触点起作用；再接着T1开始重新计时。同理，3 秒后则Y0动作，Y2复位控制效果非常稳定，而不会像图10电路那样可能出现转换失败、意外停止或转换失步等不稳定控制效果。由此可以看出，采用串行工作方式的PLC在工作过程中总是按梯形图程序所预先确定的顺序，依次逐条执行指令，所以其工作过程简单清晰，其控制效果稳定唯一，这一突出优点，为我们设计梯形图和分析梯形图工作原理带来很大的方便。 PLC梯形图中线圈的位置排列将直接影响其控制效果，这是我们设计梯形图时应特别注意的问题。例如图12中的M0和M1两个线圈必须如图中那样排列，SQ方能按要求实现停止控制。如果我们将控制M0线圈和控制M1线圈这两个逻辑行的位置互换，即在梯形图中把控制M1线圈的逻辑行调到控制M0线圈逻辑行的上方，则控制效果将随之发生变化。这时按下SB，三个输出继电器可以正常轮流转换动作；再压住SQ控制效果也正常。但是在刚松开SQ的瞬间，由于处在梯形图中较上位置的X1常开触点先断开，使M1线圈先失电复位；接着处在梯形图中较下位置的X1常闭触点才闭合，而这时M1的常开触点已经断开，所以M0 线圈不会得电动作，这就导致了控制的失败。由分析可知，梯形图中这种像上述的线圈位置排列是错误的。 我们将图10翻译成图12所示的PLC梯形图时，还应注意梯形图中软触点之间的连接关系必须是简单的串、并联关系。比如，在图10的KM1线圈控制回路中，KM3常开触点与KM1常开触点、KT常开触点之间的连接关系就不是简单的串、并联关系，我们必须将它们整理成如图