可編程控制器（Programmable Logic Controller ，簡稱PLC，下同）是電氣自動(dòng)控制的新技術(shù)，目前公開發(fā)行適用于技校的教材較少，給廣大師生的學(xué)習(xí)帶來諸多不便。本文介紹PLC的編程設(shè)計(jì)方案，使電氣工程技術(shù)人員特別是初學(xué)者對(duì)PLC技術(shù)加深了解和認(rèn)識(shí)；同時(shí)幫助學(xué)生更好地解決學(xué)習(xí)PLC技術(shù)中最難掌握的編程難題，達(dá)到能夠牢固掌握、熟練運(yùn)用、提高應(yīng)用設(shè)計(jì)能力和加快推廣應(yīng)用的目的。
現(xiàn)在各技校相關(guān)專業(yè)都開設(shè)這門課程，PLC成為了電氣專業(yè)新的技術(shù)基礎(chǔ)課，也成為廣大非電專業(yè)學(xué)生要了解的基礎(chǔ)知識(shí)。目前的PLC設(shè)備以歐美日等國家的產(chǎn)品占主導(dǎo)，技術(shù)日臻成熟，在關(guān)鍵的軟件編程技術(shù)方面卻未有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)有的教材也很難對(duì)眾多的品牌都進(jìn)行介紹，學(xué)生在學(xué)習(xí)中就難免無所適從。學(xué)生對(duì)PLC這一新技術(shù)都產(chǎn)生濃郁的學(xué)習(xí)興趣，在學(xué)習(xí)上碰到不少難題，對(duì)編程的掌握是尤為突出，更是缺乏技巧。
PLC控制系統(tǒng)是以程序的形式來體現(xiàn)其控制功能的，因此在學(xué)習(xí)時(shí)大量的時(shí)間將用在程序的設(shè)計(jì)上，也就是軟件編程的設(shè)計(jì)上。程序設(shè)計(jì)是整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，應(yīng)包含設(shè)計(jì)文件(包括電氣原理圖、軟件程序清單、使用說明書、元件明細(xì)表)的編寫、編程軟件的使用、程序的編寫和調(diào)試。教學(xué)工作中，針對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)PLC編程時(shí)因缺乏實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)思路模糊的情況，我總結(jié)出PLC的編程設(shè)計(jì)方案。該方案流程為：設(shè)計(jì)構(gòu)思、邏輯分析、硬件配置、安裝接線和程序設(shè)計(jì)、總裝調(diào)試、實(shí)際運(yùn)行。流程如上圖所示。
PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)第一階段是設(shè)計(jì)構(gòu)思，其任務(wù)是理順設(shè)計(jì)思路，將控制系統(tǒng)的要求轉(zhuǎn)化為PLC的控制模式，尋求程序設(shè)計(jì)的解決方案。這正是PLC控制優(yōu)越性的具體體現(xiàn)階段。依據(jù)控制系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)構(gòu)思時(shí)我們只需考慮期望的邏輯功能，確定被控制系統(tǒng)必須完成的動(dòng)作和動(dòng)作的順序，提出簡潔、完整的功能描述，畫出完整的功能表圖或控制流程圖，以此作為設(shè)計(jì)藍(lán)本，也為使用說明書的編寫定稿。
第二階段是邏輯分析：以設(shè)計(jì)構(gòu)思作為參考，在對(duì)控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)進(jìn)行邏輯分析時(shí)要對(duì)被控制對(duì)象的工作要求、工藝特點(diǎn)以及控制系統(tǒng)的控制過程、功能和特性進(jìn)行深入分析。明確地劃分出控制的各個(gè)階段及列出各階段的特點(diǎn)、各階段之間轉(zhuǎn)換的條件。弄清哪些外圍設(shè)備輸入信號(hào)到PLC，哪些外圍設(shè)備接收來自PLC輸出的信號(hào)；輸入、輸出量是開關(guān)量還是模擬量。確定控制系統(tǒng)需要的輸入、輸出點(diǎn)數(shù)量，確定內(nèi)部輔助繼電器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等參數(shù)。最后畫出邏輯時(shí)序圖，為程序的設(shè)計(jì)提供指引。
第三階段是硬件配置，包括器件選擇和I/O設(shè)備分配。根據(jù)前兩階段的分析，參照PLC的結(jié)構(gòu)與功能特性，重點(diǎn)考慮PLC的指令系統(tǒng)是否完善、有沒有模擬量輸入輸出、有沒有擴(kuò)展能力、有沒有中斷能力和聯(lián)網(wǎng)能力，以及功能范圍、I/O點(diǎn)數(shù)、存儲(chǔ)器容量、處理時(shí)間，以便確定PLC的型號(hào)。選擇機(jī)型時(shí)要考慮性價(jià)比、備品備件及技術(shù)支持等問題，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需要選用合適的型號(hào)，并且選擇相應(yīng)的外圍配件，列出元件明細(xì)表。
設(shè)計(jì)時(shí)，為減少外界干擾和提高控制精度，一般以開關(guān)量為主，并根據(jù)實(shí)際I/O點(diǎn)數(shù)留有20%-30%的余量作為備用。將PLC的I/O接口與之對(duì)應(yīng)進(jìn)行分配后，列出I/O設(shè)備分配表和畫出I/O設(shè)備接線圖，為編寫使用說明書和安裝接線提供依據(jù)。
第四階段為安裝接線和程序設(shè)計(jì)，可同時(shí)進(jìn)行。在控制柜中，強(qiáng)電和弱電控制信號(hào)應(yīng)盡可能進(jìn)行隔離和屏蔽，防止強(qiáng)電磁干擾PLC的正常運(yùn)行。PLC的程序設(shè)計(jì)和現(xiàn)場的安裝接線施工可同時(shí)進(jìn)行，從而大大地縮短控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及施工的周期。
程序設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在PLC程序設(shè)計(jì)中，可采用梯形圖、指令表、SFC（程序流程圖）進(jìn)行編程。目前各個(gè)PLC的生產(chǎn)廠家都把梯形圖作為第一用戶編程語言。它是一種圖形語言，由接觸繼電控制系統(tǒng)變換而來的，具有形象、直觀、易懂好記的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)梯形圖時(shí)，一種辦法是根據(jù)已知的繼電器控制電路直接改畫成梯形圖；另一種辦法是根據(jù)控制要求重新設(shè)計(jì)梯形圖。對(duì)于初學(xué)者通?？刹捎美^電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中的逐步探索法作參考，以基本指令為基礎(chǔ)，以步為核心，一步一步設(shè)計(jì)下去，一步一步修改調(diào)試，反復(fù)設(shè)計(jì)，調(diào)整邏輯關(guān)系，不斷優(yōu)化以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，直到完成整個(gè)程序的設(shè)計(jì)。
我在電工中級(jí)證考核訓(xùn)練一體化教學(xué)中，對(duì)我校制冷0105班（中技班）學(xué)生實(shí)施PLC教學(xué)時(shí)，引用《電力拖動(dòng)控制線路與技能訓(xùn)練》書（第三版）P139圖2-19（C）為例，作適當(dāng)?shù)男薷暮螅ㄒ妶DA），要求學(xué)生根據(jù)它的控制邏輯關(guān)系，在滿足順序啟動(dòng)逆序停止的控制前提下，用基本指令進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，并畫出梯形圖草圖。目的是檢查學(xué)生對(duì)PLC知識(shí)的掌握程度和檢驗(yàn)他們的編程技巧。結(jié)果在30分鐘內(nèi)，全班51名同學(xué)除5人（占10%）不會(huì)做外，只有12人（占24%）能按要求正確地完成。絕大多數(shù)人即使完成設(shè)計(jì)任務(wù)，要花費(fèi)很大精力，設(shè)計(jì)出的程序出現(xiàn)了邏輯錯(cuò)誤或者無法在計(jì)算機(jī)上編程的現(xiàn)象。
圖B是有34人（占66%）設(shè)計(jì)出的程序，是具有代表性的一種錯(cuò)誤。他們是直接將圖A直接改畫成梯形圖，并且忽略了不能編程的電路和程序的次序等設(shè)計(jì)問題。具體解決對(duì)策如下：
①、不能編程的電路與對(duì)策：
如圖B的Y1線圈支路中的5個(gè)觸點(diǎn)構(gòu)成了橋式電路，不符合從左到右、從上到下的順序執(zhí)行原則，屬于不能編程的電路。
解決對(duì)策是：如圖C所示，將它改變成為雙向電流流動(dòng)的電路，即將沒有X1的電路與沒有Y1的電路作并聯(lián)處理。
?、?、程序的次序與簡化對(duì)策：
在動(dòng)作相同的控制電路中，借助觸點(diǎn)的構(gòu)成方法可簡化程序與節(jié)省程序步數(shù)。如圖B的Y2線圈支路中，由X2、X3、Y1和Y2四個(gè)觸點(diǎn)構(gòu)成的電路共需6步程序，用簡化對(duì)策:即將串聯(lián)電路多的電路寫在上方；將并聯(lián)電路多的電路寫在左方進(jìn)行簡化后，不需要用ORB和ANB指令，節(jié)省2步程序，使程序更簡潔。
③、線圈的連接位置：
在畫梯形圖時(shí)要注意每個(gè)從左邊母線開始的邏輯行必須終止于一個(gè)計(jì)數(shù)器、定時(shí)器或繼電器線圈，且線圈不能直接與左母線相連，這一點(diǎn)與實(shí)際的電路圖不一樣。如圖B的Y2線圈支路中在Y2線圈的右側(cè)不能有Y1觸點(diǎn)，應(yīng)該將Y2線圈與Y1觸點(diǎn)的位置對(duì)調(diào)。
通過以上的3點(diǎn)措施對(duì)圖B進(jìn)行優(yōu)化修改后，如圖C所示，共需要16步程序。修改后雖然能滿足順序啟動(dòng)逆序停止的控制要求，但采用直接改畫成梯形圖的這種辦法所設(shè)計(jì)出的梯形圖還是顯得比較累贅，不夠優(yōu)化。若采用第二種辦法重新設(shè)計(jì)，依據(jù)PLC是以掃描方式按順序執(zhí)行程序的基本原理，按照動(dòng)作的先后順序，從上往下逐行繪制梯形圖，如圖D所示，只需要11步程序。這樣設(shè)計(jì)出的梯形圖比繼電器控制電路改畫成的梯形圖更加清楚、更容易理解。這需要學(xué)生對(duì)PLC的概念要清晰、分析要透徹、思路要正確。
解決問題的方法可能不是唯一的，我們在設(shè)計(jì)同一要求的程序也可能會(huì)有多個(gè)設(shè)計(jì)方案。比較這多個(gè)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣性可用掃描周期的長短來衡量。掃描周期=步數(shù)×每步時(shí)間，時(shí)間越短說明該程序越優(yōu)越，顯然第二種辦法設(shè)計(jì)出的程序更為優(yōu)越。編程設(shè)計(jì)時(shí)在符合要求的前提下要考慮盡量少占用內(nèi)存，設(shè)計(jì)出來的程序也必須作比較和進(jìn)行優(yōu)化處理。在沒采用本文介紹的編程設(shè)計(jì)方案之前，學(xué)生設(shè)計(jì)時(shí)片面地套用繼電系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式，急于求成，沒有很好地深入研究電路的控制功能，缺乏對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行邏輯分析，顯得設(shè)計(jì)思路不清晰，運(yùn)用不夠靈活，導(dǎo)致出現(xiàn)以上的錯(cuò)誤。對(duì)于開始學(xué)PLC的學(xué)生來說，這是比較容易犯的毛病。通過對(duì)以上程序的對(duì)比分析和重點(diǎn)講解編程設(shè)計(jì)方案的思路，90%的學(xué)生能很快地找到出錯(cuò)的原因，并意識(shí)到編程設(shè)計(jì)方案的重要性。經(jīng)過一個(gè)星期的編程訓(xùn)練，學(xué)習(xí)交通燈控制和簡單電梯的控制等比較復(fù)雜的編程設(shè)計(jì)時(shí)，運(yùn)用編程設(shè)計(jì)方案對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行針對(duì)性的分析，教學(xué)講解一遍后，85%的學(xué)生都能正確設(shè)計(jì)出來。
總裝調(diào)試為第五階段，將已經(jīng)設(shè)計(jì)好的程序輸入到PLC用戶存儲(chǔ)器中。PLC所構(gòu)成的控制電路可以先在模擬板上采用實(shí)際使用的檢測元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成模擬控制系統(tǒng)進(jìn)行模擬調(diào)試，以檢查硬件是否完整和正確；軟件是否滿足工藝要求并檢驗(yàn)控制器的實(shí)際帶負(fù)載能力。滿足系統(tǒng)控制要求后再安裝到生產(chǎn)現(xiàn)場，進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試，這時(shí)應(yīng)對(duì)某些參數(shù)（如定時(shí)器設(shè)定時(shí)間、傳感器的位置和信號(hào)大?。┻M(jìn)行現(xiàn)場整定和調(diào)整。還需要對(duì)系統(tǒng)的所有安全措施（如接地、保護(hù)、互鎖等環(huán)節(jié)）做徹底的安全檢查。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試、校對(duì)無誤，即可投入考驗(yàn)性試運(yùn)行。若不滿足系統(tǒng)控制要求，則應(yīng)作相應(yīng)的修改和檢查，一切正常后，再將程序?qū)懭隤LC的EPROM中，形成最終的控制系統(tǒng)程序，即可完成整個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)，投入實(shí)際運(yùn)行。
最后整理設(shè)計(jì)文件，畫出電氣原理圖、設(shè)備安裝圖以及接線圖、列出軟件程序清單、使用說明書和元件明細(xì)表，形成一整套完善的設(shè)計(jì)方案。
PLC在使用過程中當(dāng)控制要求發(fā)生改變時(shí)，可不需更換或較少地改變硬件設(shè)備，只要修改PLC控制程序就可以滿足新的要求，具備較強(qiáng)的在線修改、功能擴(kuò)展的能力，充分體現(xiàn)出其“可編、可擴(kuò)展”的特性。PLC還能與計(jì)算機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話、遠(yuǎn)程控制，具有在線實(shí)時(shí)監(jiān)控與故障自診斷功能，在自控領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用。
根據(jù)本人的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合教學(xué)中學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，從應(yīng)用的角度來說，想學(xué)習(xí)好PLC技術(shù)，重點(diǎn)是要注意對(duì)以下兩方面的知識(shí)掌握：即硬件系統(tǒng)的配置和軟件的程序設(shè)計(jì)。硬件系統(tǒng)的配置需要對(duì)PLC的類型、結(jié)構(gòu)、單元或模塊、外設(shè)等特點(diǎn)和性能作深入了解，相對(duì)而言是比較容易掌握。難點(diǎn)是軟件的程序設(shè)計(jì)，重點(diǎn)要掌握編程設(shè)計(jì)方案，必須做到熟悉PLC各個(gè)內(nèi)部器件的特點(diǎn)、掌握指令系統(tǒng)（基本指令和功能指令）的運(yùn)用、理解編程方法及其正確使用的要求。要提高編程技巧，必須在學(xué)習(xí)PLC原理的基礎(chǔ)上，不斷地進(jìn)行編程操作訓(xùn)練、指令系統(tǒng)訓(xùn)練、程序設(shè)計(jì)訓(xùn)練，才能加深對(duì)各種指令的功能及其特點(diǎn)的理解，達(dá)到熟練地掌握編程方法，提高編程技巧，從而可以提高PLC技術(shù)的綜合應(yīng)用設(shè)計(jì)能力。
：鞏經(jīng)理
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