昆明西门子授权一级代理商电源供应商

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  PLC的控制方式属于存储程序控制，其控制功能是通过存放在存储器内的程序来实现的，若要对控制功能作必要修改，只需改变控制程序即可，这就实现了控制的软件化。可编程控制器的优点在于"可"字，从软件来讲，其控制程序可编辑、可修改；从硬件上讲，其外部设备配置可变。构建一个PLC控制系统的就在于控制程序的编制，但外部设备的选用也将对程序的编制产生影响。因此在进行程序设计时应结合实际需要，硬、软件综合考虑。本文就硬、软两方面，选取梯形图为编程语言，以松下电工FPO-C32型PLC为例，对PLC使用过程中易出现的几个问题及解决方法进行了分析。

    一、外部输入设备的选用与PLC输入继电器的使用

    1. 外部输入信号的采集

    PLC的外部设备主要是指控制系统中的输入输出设备，其中输人设备是对系统发出各种控制信号的主令电器，在编写控制程序时注意外部输入设备使用的是常开还是常闭触点，并以此为基础进行程序编制。否则易出现控制错误。

    在PLC内部存储器中有于输入状态存储的输入继电器区，各输入设备（开关、按钮、行程开关或传感器信号）的状态经由输入接口电路存储在该区域内，每个输入继电器可存储一个输入设备状态。PLC中使用的"继电器"并非实体继电器，而是"软继电器"，可提供无数个常开、常闭触点用于编程。每个"软继电器"仅对应PLC存储单元中的一位（bit），该位状态为"1"，表示该"软继电器线圈"通电，则程序中所有该继电器的触点都动作。输入继电器作为PLC接收外部主令信号的器件，通过接线与外部输入设备相联系，其"线圈"状态只能由外部输入信号驱动。输入信号的采集工作示意图如图1。

输入继电器线圈其状态取决于外部设备状态

    图1中，输入设备选用的是按钮SB0的常闭触点，输入继电器X0的线圈状态取决于SB0的状态。该按钮未按下时，输入继电器X0线圈状态为"1"通电状态，程序中所有X0触点均动作，即常开触点接通，常闭触点断开；若按下该按钮，则输入继电器X0线圈状态为"0"断电状态，程序中所有X0触点均恢复常态。如果输入继电器连接的输入设备是按钮SB0的常开触点，则情况恰好相反：在该按钮未按下时，输入继电器X0线圈状态为"0"断电状态，程序中所有X0触点均不动作；若按下该按钮，输入继电器X0线圈状态为"1"通电状态，程序中所有X0触点均动作。

    2. 停车按钮使用常闭型

    由于PLC在运行程序判别触点通断状态时，只取决于其内存中输入继电器线圈的状态，并不直接识别外部设备，因此编程时，外部设备的选用与程序中的触点类型密切相关。这是一个在对照电气控制原理图进行PLC编程时易出现的问题。典型的例子是基本控制--"起保停控制"中的停车控制。

    图2为"起保停控制"电气原理图，在该系统中，按钮SB0用于停车控制，因此使用其常闭触点串联于控制线路。SBl为起动按钮，使用其常开触点。若使用相同的设备（即停车SB0用常闭触点，起动SBl用常开触点），利用PLC进行该控制，则需编程梯形图程序（图3）：

图3 "起保停控制"梯形图程序（停车按钮使用常闭触点）
I/O分配：SB0--X0，SBl--Xl，输出Y0

    该梯形图中停车信号X0使用的是常开触点串联在控制线路中，这是因为外部停车设备选取按钮常闭触点所致，不操作该按钮，则输出Y0正常接通，若按下该按钮，输出Y0断电。

    3. 停车按钮使用常开型

    若希望编制出符合我们平时阅读习惯的梯形图程序（图4），则在选用外部停车设备时需使用按钮SB0的常开触点与X0相连。"起保停控制"梯形图程序（停车按钮使用常开触点）
I/O分配：SB0--X0，SBl--Xl，输出Y0

    图3、4梯形图完成相同的控制功能，程序中停车信号X0使用的触点类型却不相同，其原因就是连接在输入继电器X0上的外部停车按钮触点类型选用不同。图4所示梯形图程序加符合我们的阅读习惯，也易分析其逻辑控制功能，因此在PLC构成控制系统中，外部开关、按钮无论用于起动还是停车，一般都选用常开型，这是一个在使用PLC时需要格外注意的问题。

    二、PLC的"串行"运行方式与控制程序的编制

    PLC与继电接触器控制的重要区别之一就是工作方式不同。继电接触器控制系统是按"并行"方式工作的，也就是说是按同时执行的方式工作的，只要形成电流通路，就可能有几个电器同时动作。而PLC是以"串行"方式工作的，PLC在循环执行程序时，是按照语句的书写顺序自上而下进行逻辑运算，而逻辑运算的结果会影响后面语句的逻辑运算结果。因此梯形图编程时，各语句的位置也会对控制功能产生关键影响。例如：

    程序1调试结果：X0接通3次，Y3接通，X0再接通1次，Y3断开。

[NextPage]

    程序2程序调试结果．X0接通3次，Y3接通瞬间即断开。

    上面两个程序中，输出Y3、计数器CTl02及内部通用继电器R0的逻辑条件均相同，仅仅是计数器CTl02所在语句位置发生了变化，而两段程序的运行结果就截然不同。这是因为CTl02对输出Y3的影响方式发生了变化。执行段程序时，将判断输出Y3的状态，再判断CTl02的状态，CTl02的状态变化只能在下一个扫描周期对Y3产生影响；而执行二段程序时，将判断CTl02的状态，再判断输出Y3的状态，CTl02的状态变化将在该扫描周期直接影响Y3的状态。

从以上讨论可以得出，由于PLC采用"串行"工作方式，所以即使是同件，在梯形图中所处的位置不同，其工作状态也会有所不同，因此在利用梯形图进行控制程序编制时，应对控制任务进行充分分析，合理安排各编程元件的位置，才能够为准确地实现控制。

    三、PLC的编程元件

    PLC的各种功能主要是通过运行控制程序来实现。编制程序时，需要合理使用PLC提供的编程元件（即软元件）。FPO型PLC中常用的编程元件有两种：位元件（bit）和字元件（word）。位元件实际上是PLC内存区域所提供的一个二进制位单元，又被称为软继电器，主要用作基本顺序指令的编程元件，如输入继电器Xn、输出继电器Yn、内部通用继电器Rn、定时（计数）器等，其参与控制的方式主要是通过对应触点的通断状态改变影响逻辑运算即输出。

    字元件则为PLC内存区域内的一个字单元（16bit），主要用作功能指令和指令的编程元件，通常用以存放数据，如数据寄存器DTn，定时(计数)器的设定值SVn、经过值EVn等。字元件没有触点，通常以整体内容参与控制。

    值得注意的是内存中的输入（X）区、输出（Y）区和内部通用（R）区，该区中的每个bit均可用作位元件，而且每16bit可构成一个字元件，如WRIO即是由16个位元件R100～R10F构成的字元件，该字元件中的内容一旦发生变化，这16个位的状态也随之发生改变。如：

    所示程序中，WR0即为字元件，是左移位指令SR的编程元件，而Y0为输出软继电器的线圈，X0、X1、X2、X3则为输人软继电器的触点，其中4步的R4触点为位元件R4的常开触点，而位元件R4又是字元件WR0中的一位，因此其状态受限于WR0的移位结果。

    四、顺序控制多步同输出的编程方法

    顺序控制是生产现场常见的一类控制任务，步进指令是PLC指令库中于顺序控制的。步进指令编程时，根据工艺流程将程序划分为一个个立的程序段，执行时，CPU严格按梯形图编程顺序，只有执行完段程序后才能下一段程序，并在下一段程序执行之前，将程序段复位。并且在语法上要求各程序段所使用的输出不允许重复。这在解决顺序控制任务中有多步同输出的情况时，就带来了一定的困难。借助于内部通用继电器可方便解决这一难题。如某一顺序控制任务如以下流程图

    从机械手动作流程图可以看出，这个控制任务每个循环的工作可以划分为八步，其中1步与5步动作相同，均为上升；3步和7步动作相同，均为下降。在利用步进指令进行编程时，这两个工步所对应的程序段的输出不能直接设置为Y3、Y4，同一个输出使用两次则会出现语法错误。这时应考虑使用用于存储中间状态的内部通用继电器Rn来解决这个问题。如图7所示梯形图程序，其中R1、R5分别被定义为1步与5步的输出，R3、R7分别被定义为3步与7步的输出，在步进结束后再将R1、R5的状态输出到上升Y3，将R3、R7的状态输出到下降Y4，通过这样的方法可方便解决顺序控制任务中若干工步输出相同的问题。

    五、结束语

    初学者对于PLC的基本应用易于掌握，但要做到灵活使用仍需对一些技术难点和使用技巧深刻理解。在编程之前，要对控制任务进行认真分析，合理选择外部设备和编程元件，并以此为基础进行编程；在编程过程中，如能灵话巧妙地使用编程元件，合理地进行程序编排，可使程序逻辑清楚，可读性增强。

任何PLC都具有自诊断功能，当PLC异常时应该充分利用其自诊断功能以分析故障原因。一般当PLC发生异常时，请检查电源电压、PLC及I/O端子的螺丝和接插件是否松动，以及有无其他异常。然后再根据PLC基本单元上设置的各种LED的指示灯状况，以检查PLC自身和外部有无异常。

下面以FX系列PLC为例，来说明根据LED指示灯状况以诊断PLC故障原因的方法。

1.电源指示（[POWER]LED指示）

     当向PLC基本单元供电时，基本单元表面上设置的［POWER］LED指示灯会亮。如果电源合上但［POWER］LED指示灯不亮，请确认电源接线。另外，若同一电源有驱动传感器等时，请确认有无负载短路或过电流。若不是上述原因，则可能是PLC内混入导电性异物或其他异常情况，使基本单元内的保险丝熔断，此时可通过换保险丝来解决。

    2.出错指示（［EPROR］LED闪烁）

    当程序语法错误（如忘记设定定时器或计数器的常数等），或有异常噪音、导电性异物混入等原因而引起程序内存的内容变化时，［EPROR］LED会闪烁，PLC处于STOP状态，同时输出全部变为OFF。在这种情况下，应检查程序是否有错，检查有无导电性异物混入和高强度噪音源。

     发生错误时，8009、8060~8068其中之一的值被写入特殊数据寄存器D8004中，设这个写入D8004中内容是8064，则通过查看D8064的内容便可知道出错代码。与出错代码相对应的实际出错内容参见PLC使用手册的错误代码表。

    3.出错指示（［EPROR］LED灯亮）

    由于PLC内部混入导电性异物或受外部异常噪音的影响，导致CPU失控或运算周期过200ms，则WDT出错，［EPROR］LED灯亮，PLC处于STOP，同时输出全部都变为OFF。此时可进行断电复位，若PLC恢复正常，请检查一下有无异常噪音发生源和导电性异物混入的情况。另外，请检查PLC的接地是否符合要求。

检查过程如果出现［EPROR］LED灯亮→闪烁的变化，请进行程序检查。如果［EPROR］LED依然一直保持灯亮状态时，请确认一下程序运算周期是否过长（监视D8012可知大扫描时间）。

如果进行了全部的检查之后，［EPROR］LED 的灯亮状态仍不能解除，应考虑PLC内部发生了某种故障，请与厂商联系。

4.输入指示

不管输入单元的LED灯亮还是灭，请检查输入信号开关是否确实在ON或OFF状态。如果输入开关的额定电流容量过大或由于油侵入等原因，容易产生接触不良。当输入开关与LED灯亮用电阻并联时，即使输入开关OFF但并联电路仍导通，仍可对PLC进行输入。如果使用光传感器等输入设备，由于发光／受光部位粘有污垢等，引起灵敏度变化，有可能不能进入“ON”状态。在比PLC运算的时间内，不能接收到ON和OFF的输入。如果在输入端子上外加不同的电压时，会损坏输入回路。

5.输出指示

不管输出单元的LED灯亮还是灭，如果负载不能进行ON或OFF时，主要是由于过载、负载短路或容量性负载的冲击电流等，引起继电器输出接点粘合，或接点接触面不好导致接触不良。

1．电源模块的选择

  电源模块选择仅对于模块式结构的PLC而言，对于整体式PLC不存在电源的选择。

电源模块的选择主要考虑电源输出额定电流和电源输入电压。电源模块的输出额定电流大于CPU模块、I／O模块和其它特殊模块等消耗电流的总和，同时还应考虑今后I／O模块的扩展等因素；电源输入电压一般根据现场的实际需要而定。

   2．编程器的选择

   对于小型控制系统或不需要在线编程的系统，一般选用价格的简易编程器。对于由中、PLC构成的复杂系统或需要在线编程的PLC系统，可以选配功能强、编程方便的智能编程器，但智能编程器价格较贵。如果有现成的个人计算机，也可以选用PLC的编程软件，在个人计算机上实现编程器的功能。

  3．写入器的选择

为了防止由于干扰或锂电池电压不足等原因破坏RAM中的用户程序，可选用EPROM写入器，通过它将用户程序固化在EPROM中。有些PLC或其编程器本身就具有EPROM 写入的功能。

一般I／O模块的价格占PLC价格的一半以上。PLC的I／O模块有开关量I／O模块、模拟量I／O模块及各种特殊功能模块等。不同的I／O模块，其电路及功能也不同，直接影响PLC的应用范围和价格，应当根据实际需要加以选择。

   （一）开关量I／O模块的选择

 1. 开关量输入模块的选择

开关量输入模块是用来接收现场输入设备的开关信号，将信号转换为PLC内部接受的低电压信号，并实现PLC内、外信号的电气隔离。选择时主要应考虑以下几个方面：

1）输入信号的类型及电压等级

开关量输入模块有直流输入、交流输入和交流／直流输入三种类型。选择时主要根据现场输入信号和周围环境因素等。直流输入模块的延迟时间较短，还可以直接与接近开关、光电开关等电子输入设备连接；交流输入模块性好，适合于有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。

开关量输入模块的输入信号的电压等级有：直流5Ｖ、12Ｖ、24Ｖ、48Ｖ、60Ｖ等；交流110Ｖ、220Ｖ等。选择时主要根据现场输入设备与输入模块之间的距离来考虑。一般5Ｖ、12Ｖ、24Ｖ用于传输距离较近场合，如5Ｖ输入模块远不得过１０米。距离较远的应选用输入电压等级较高的模块。

2）输入接线方式

开关量输入模块主要有汇点式和分组式两种接线方

a)汇点式输入    b)分组式输入

汇点式的开关量输入模块所有输入点共用一个公共端（COM）；而分组式的开关量输入模块是将输入点分成若干组，每一组（几个输入点）有一个公共端，各组之间是分隔的。分组式的开关量输入模块价格较汇点式的高，如果输入信号之间不需要分隔，一般选用汇点式的。

3）注意同时接通的输入点数量

对于选用高密度的输入模块(如32点、48点等)，应考虑该模块同时接通的点数一般不要过输入点数的60％。

4）输入门槛电平

为了提高系统的性，考虑输入门槛电平的大小。门槛电平越高，抗干扰能力越强，传输距离也越远，具体可参阅PLC说明书。

 2. 开关量输出模块的选择

开关量输出模块是将PLC内部低电压信号转换成驱动外部输出设备的开关信号，并实现PLC内外信号的电气隔离。选择时主要应考虑以下几个方面：

1）输出方式

开关量输出模块有继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出三种方式。

继电器输出的价格，既可以用于驱动交流负载，又可用于直流负载，而且适用的电压大小范围较宽、导通压降小，同时承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但其属于有触点元件，动作速度较慢（驱动感性负载时，触点动作频率不得过1HZ）、寿命较短、性较差，只能适用于不频繁通断的场合。

对于频繁通断的负载，应该选用晶闸管输出或晶体管输出，它们属于无触点元件。但晶闸管输出只能用于交流负载，而晶体管输出只能用于直流负载。

2）输出接线方式

开关量输出模块主要有分组式和分隔式两种接线方式，如图6-3所示。

图6-3 开关量输出模块的接线方式

  a)分组式输出   b)分隔式输出

分组式输出是几个输出点为一组，一组有一个公共端，各组之间是分隔的，可分别用于驱动不同电源的外部输出设备；分隔式输出是每一个输出点就有一个公共端，各输出点之间相互隔离。选择时主要根据PLC输出设备的电源类型和电压等级的多少而定。一般整体式PLC既有分组式输出，也有分隔式输出。

 3）驱动能力

  开关量输出模块的输出电流(驱动能力)大于PLC外接输出设备的额定电流。用户应根据实际输出设备的电流大小来选择输出模块的输出电流。如果实际输出设备的电流较大，输出模块无法直接驱动，可增加中间放大环节。

  4）注意同时接通的输出点数量

 选择开关量输出模块时，还应考虑能同时接通的输出点数量。同时接通输出设备的累计电流值小于公共端所允许通过的电流值，如一个220V／2A的８点输出模块，每个输出点可承受2A的电流，但输出公共端允许通过的电流并不是16A(8×2A)，通常要比此值小得多。一般来讲，同时接通的点数不要出同一公共端输出点数的60％。

  5)输出的大电流与负载类型、环境温度等因素有关

开关量输出模块的技术指标，它与不同的负载类型密切相关，特别是输出的大电流。另外，晶闸管的大输出电流随环境温度升高会降低，在实际使用中也应注意。

（二）模拟量I／O模块的选择

  模拟量I／O模块的主要功能是数据转换，并与PLC内部总线相连，同时为了也有电气隔离功能。模拟量输入（A／D）模块是将现场由传感器检测而产生的连续的模拟量信号转换成PLC内部可接受的数字量；模拟量输出(D／A)模块是将PLC内部的数字量转换为模拟量信号输出。

  典型模拟量I／O模块的量程为-10V~+10V、0~+10V、4~20mA等，可根据实际需要选用，同时还应考虑其分辨率和转换精度等因素。

  一些PLC制造厂家还提供特殊模拟量输入模块，可用来直接接收低电平信号（如RTD、热电偶等信号）。

(三)特殊功能模块的选择

 目前，PLC制造厂家相继推出了一些具有特殊功能的I／O模块，有的还推出了自带CPU的智能型I／O模块，如高速计数器、凸轮模拟器、位置控制模块、PID控制模块、通信模块等。

（一）分析被控对象并提出控制要求

详细分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，提出被控对象对PLC控制系统的控制要求，确定控制方案，拟定设计任务书。

（二）确定输入／输出设备

 根据系统的控制要求，确定系统所需的全部输入设备（如：按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等）和输出设备（如：接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等），从而确定与PLC有关的输入/输出设备，以确定PLC的I/O点数。

  （三）选择PLC

PLC选择包括对PLC的机型、容量、I/O模块、电源等的选择，详见本章二节。

（四）分配I/O点并设计PLC外围硬件线路

1.分配I/O点

画出PLC的I/O点与输入／输出设备的连接图或对应关系表，该部分也可在２步中进行。

2.设计PLC外围硬件线路

画出系统其它部分的电气线路图，包括主电路和未进入PLC的控制电路等。

由PLC的I/O连接图和PLC外围电气线路图组成系统的电气原理图。到此为止系统的硬件电气线路已经确定。

 （五）程序设计

1. 程序设计

根据系统的控制要求，采用合适的设计方法来设计PLC程序。程序要以满足系统控制要求为主线，逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序，逐步完善系统的功能。除此之外，程序通常还应包括以下内容：

1）初始化程序。在PLC上电后，一般都要做一些初始化的操作，为启动作必要的准备，避免系统发生误动作。初始化程序的主要内容有：对某些数据区、计数器等进行清零，对某些数据区所需数据进行恢复，对某些继电器进行置位或复位，对某些初始状态进行显示等等。

2）检测、故障诊断和显示等程序。这些程序相对立，一般在程序设计基本完成时再添加。

3）保护和连锁程序。保护和连锁是程序中不可缺少的部分，认真加以考虑。它可以避免由于非法操作而引起的控制逻辑混乱，。

2. 程序模拟调试

程序模拟调试的基本思想是，以方便的形式模拟产生现场实际状态，为程序的运行创造必要的环境条件。根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式。

1）硬件模拟法是使用一些硬件设备（如用另一台PLC或一些输入器件等）模拟产生现场的信号，并将这些信号以硬接线的方式连到PLC系统的输入端，其时效性较强。

2）软件模拟法是在PLC中另外编写一套模拟程序，模拟提供现场信号，其简单易行，但时效性不易保证。模拟调试过程中，可采用分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。

（六）硬件实施

硬件实施方面主要是进行控制柜（台）等硬件的设计及现场施工。主要内容有：

1) 设计控制柜和操作台等部分的电器布置图及安装接线图。

2)设计系统各部分之间的电气互连图。

3)根据施工图纸进行现场接线，并进行详细检查。

由于程序设计与硬件实施可同时进行，因此PLC控制系统的设计周期可大大缩短。 

    （七）联机调试

 联机调试是将通过模拟调试的程序进一步进行在线统调。联机调试过程应循序渐进，从PLC只连接输入设备、再连接输出设备、再接上实际负载等逐步进行调试。如不符合要求，则对硬件和程序作调整。通常只需修改部份程序即可。

全部调试完毕后，交付试运行。经过一段时间运行，如果工作正常、程序不需要修改，应将程序固化到EPROM中，以防程序丢失。

（八）整理和编写技术文件

技术文件包括设计说明书、硬件原理图、安装接线图、电气元件明细表、PLC程序以及使用说明书等。

任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：

 1. 大限度地满足被控对象的控制要求

充分发挥PLC的功能，大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的要前提，这也是设计中重要的一条原则。这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收制现场的资料，收集相关的国内、国外资料。同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的问题和疑难问题。

2. 保证PLC控制系统

保证PLC控制系统能够长期、、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要考虑，以确保控制系统。例如：应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。

3. 力求简单、经济、使用及维修方便

 一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、，不宜盲目追求自动化和高指标。

  4. 适应发展的需要

    由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。

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