《可编程控制技术》快速入门

2017-05-11辛贵杰

进出口经理人 2017年2期

辛贵杰

摘要：随着我国自动化的发展，我国的基础自动化日趋完善并逐步进入过程自动化的开发阶段，智能化控制也同时展开。现今计算机技术、网络技术和先进的控制技术相结合，已不再停留在理论和实验阶段，如模型预测、神经元和神经网络、模糊控制、多变量控制，自适应和自寻优等先进控制算法已进入实践并用于DCS、PLC等控制器中。对于刚进入自动化技术领域的技术人员，面对如此庞大的知识结构，有没有快速的学习方法、从何处入门学习、才能够较快的掌握这门技术？为帮助学生快速入门可编程控制这门课，笔者在这里谈一下多年的教学心得，期望对学习者有所帮助。

关键词：可编程控制；继电器；应用

首先分析一下可编程控制这门课的性质。可编程控制这门课产生于1969年，由于汽车的性能更换很快，一年左右就得推出新产品，电气控制柜都得重新更换，这样一是成本高，二是更换电气控制柜周期长，因此美国通用汽车公司提出，找出一种可以代替继电器控制，具备逻辑控制，定时计数存储，现场可修改等功能的器件。因此，可编程控制器主要是用来取代继电器接触器控制系统。

可编程控制器采用了类似继电器接触器控制电路的梯形图语言，采用了计算机顺序执行存储程序的原理，采用了微电子设计和控制技术，是继电接触控制技术与计算机技术、微电子技术相结合的产物。

可编程控制器随着计算机技术和微电子技術的发展而发展，随着微处理器的进步而进步，从1位机发展到8位机，进一步发展到16位机、32位机，并且实现了多处理器多通道处理。此外，通信技术、网络技术使可编程控制器得到了更为广阔的应用。

可编程控制器的硬件向着体积小、容量大、速度高、集成度高、模块化、网络化的方向发展。可编程控制器的软件向着简单易行、使用方便、功能更强、便于进行模拟和数字控制、便于网络通信、便于实现复杂或分散控制任务的方向不断发展并完善。

在熟悉了可编程控制器这门课的性质后，其次是要对可编程控制器这门课要有整体性的认识，每一部分的内容是什么？要掌握哪些内容？这些内容在实际应用中起那些作用？各部分的内容又是如何衔接？这些内容是可编程控制入门的重要知识，下面就对这些内容作一些讨论。

从可编程控制器的整体性来看，基础内容分为四部分；第一部分是讲解可编程控制器的组成和工作原理；第二部分讲解的是基本指令及应用；第三部分讲解的是步进指令及其应用；第四部分讲解的是功能指令及其应用。掌握这四部分的内容，对可编程控制器就算是入门了，也达到了教学的要求及目的。如何学好这四部分的内容，接下来就进行一一讨论。

第一部分可编程控制器的组成和工作原理。虽然各种可编程控制器（PLC）产品的组成形式和功能特点各不相同，但它们在结构上基本是相同的，一般由处理器，存储器，输入/输出系统极其可选部件四大部分组成。

PLC 在运行过程中，一般由处理器，存储器，输入/输出系统三个部分即可完成预定的各种控制任务，因此可将这三部分称为PLC的基本组成部分。其它可选部件包括编程器，外存储器，模拟输入、输出，通信接口以及测试设备等，主要用于系统的编程组态，程序存储，通讯联网，系统扩展和系统的测试与维护等，是 PLC 的辅助组成部分，在 PLC 正常运行期间这些部件并不起作用，它们主要用于系统的开发、调试和维护。

可编程控制器的基本原理：

可编程控制器的工作过程分以下三个阶段。

（一）输入处理：程序执行前，可编程控制器的全部输入端子的通/断状态读入输入映像寄存器。在程序执行中，即使输入状态变化，输入映像寄存器的内容也不变。直到下一扫描周期的输入处理阶段才读入这变化。另外，输入触点从通（ ON ）→断（ OFF ）或从断（ OFF ）→通（ ON ）变化到处于确定状态止，输入滤波器还有一响应延迟时间（约 10ms ）。

（二）程序处理：对应用户程序存储器所存的指令，从输入映像寄存器和其它软元件的映像寄存器中将有关软元件的通/断状态读出，从 0 步开始顺序运算，每次结果都写入有关的映像寄存器，因此，各软元件（ X 除外）的映像寄存器的内容随着程序的执行在不断变化。输出继电器的内部触点的动作由输出映像寄存器的内容决定。

（三）输出处理：全部指令执行完毕，将输出映象寄存器的通/断状态向输出锁存寄存器传送，成为可编程控制器的实际输出。可编程控制器的外部输出触点对输出软元件的动作有一个响应时间，即要有一个延迟才动作。所以第一部分中，可编程控制器的基本原理是重点，必需理解掌握。

第二部分基本指令及应用。相关理论知识及概念要清楚，如数据结构及软元件（继电器）概念。

（一）数据结构：在PLC内部结构和用户应用程序中使用着大量的数据。这些数据从结构或数制上具有以下几种形式。

（1）十进制数

十进制数在PLC中又称字数据。它主要存在于定时器和计数器的设定值K；辅助继电器、定时器、计数器、状态继电器等的编号；定时器和计数器当前值等区域。

（2）二进制数

十进制数、八进制数、十六进制数、BCD码在PLC内部均是以二进制数的形态存在。但在使用外围设备进行系统运行监控显示时，会还原成原来的数制，。

一位二进制数在PLC中又称位数据。它主要存在于各类继电器、定时器、计数器的触点及线圈。

（3）八进制数

PLC的输入继电器、输出继电器的地址编号采用八进制。

（4）十六迸制数

十六进制数用于指定应用指令中的操作数或指定动作。

（5）BCD码

BCD码是以4位二进制数表示十进制数各位0--9数值的方法。在PLC中常将十进制数以BCD码的形态出现，它还常用于BCD输出形式的数字式开关或七段码的显示器控制等方面。

（6）常数K、H

常数是PLC内部定时器、计数器、应用指今不可分割的一部分。如前所述，十进制常数K是定时器、计数器的设定值；十进制常数K与十六进制常数H也是应用指令的操作数。

（二）软元件（继电器）概念

软元件简称元件。PLC的输入输出端子及内部存储器的每一个存储单元均称为元件。各个元件与PLC的监控程序、用户的应用程序合作，会产生或模拟出不同的功能。当元件产生的是继电器功能时，称这类元件为软继电器，简称继电器。它不是物理意义上的实物继电器，而是一定的存储单元与程序的结合产物。后述的各类继电器、定时器、计数器、指针均为此类软元件。

元件的数量及类别是由PLC监控程序规定的，它的规模决定着PLC整体功能及数据处理能力。

可编程序控制器用于工业控制，其实质是用程序表达控制过程中事物间的逻辑或控制关系。

编程元件定义：在可编程序控制器内部设置具有各种各样功能的，能方便地代表控制过程中各种事物的元器件。

编程元件物理实质：是电子电路及存储器。具有不同使用目的的元件的电路有所不同。

在讲解指令和各种继电器时，要理论联系实际，一边讲解一边实际训练，这样学生理解指令和继电器的应用就更为全面。

第三部分步进指令及其应用。对相关理论知识的要求，根据状态转移图，采用步进指令可对复杂的顺序控制进行编程。为了对步进指令灵活地运用，我们在此应对顺序控制和状态转移图的概念加强了解。

（一）顺序控制

所谓顺序控制，就是按照生产工艺所要求的动作规律，在各个输入信号的作用下，根据内部的状态和时间顺序，使生产过程的各个执行机构自动地、有秩序地进行操作。

在顺序控制中，生产过程是按顺序、有秩序地连续工作。因此可以将一个较复杂的生产过程分解成若干步骤，每一步对应生产过程中的一个控制任务，即一个工步或一个状态。且每个工步往下进行都需要一定的条件，也需要一定的方向，這就是转移条件和转移方向。

（二）状态继电器

在状态转移图中，每个状态都分别采用连续的、不同的状态继电器表示。FX2N系列PLC的状态继电器的分类、编号、数量及功能。说明：

（1）状态的编号必须在指定范围内选择。

（2）各状态元件的触点，在 PLC内部可自由使用，次数不限。

（3）在不用步进指令时，状态元件可作为辅助继电器在程序中使用。

（4）通过参数设置，可改变一般状态元件和掉电保持状态元件的地址分配。

（三）状态转移图的设计法

何谓状态转移图（系统状态）设计法，系统程序设计一般有两种思路：一是针对某一具体对象（输出）来考虑，另一种就是功能图设计法。它把整个系统分成几个时间段，在这段时间里可以有一个输出，也可有多个输出，但他们各自状态不变。一旦有一个变化，系统即转入下一个状态。给每一个时间段设定一个状态器（步进接点），利用这些状态器的组合控制输出。

（四）状态转移的实现

任何一个顺序控制过程都可分解为若干步骤，每一工步就是控制过程中的一个状态，所以顺序控制的动作流程图也称为状态转移图，状态转移图就是用状态（工步）来描述控制过程的流程图。

在状态转移图中，一个完整的状态必须包括：

（1）该状态的控制元件；

（2）该状态所驱动的对象；

（3）向下一个状态转移的条件；

（4）明确的转移方向。

状态转移的实现，必须满足两个方面：一是转移条件必须成立，二是前一步当前正在进行。二者缺一不可，否则程序的执行在某些情况下就会混乱。

（五）画状态转移图的一般步骤

（1）分析控制要求和工艺流程，确定状态转移图结构（复杂系统需要）；

（2）工艺流程分解若干步，每一步表示一稳定状态；

（3）确定步与步之间转移条件及其关系；