关于PLC工作原理的教学分析与设计

简立明，李 敏，甘功程，陈 科

（湖南财经工业职业技术学院，湖南 衡阳 421002）

关于PLC工作原理的教学分析与设计

简立明，李 敏，甘功程，陈 科

（湖南财经工业职业技术学院，湖南 衡阳 421002）

随着技术的发展与人们生活质量的不断提高，工农业和民用各个领域对自动化程度的要求与日俱进。要提高自动化程度，少不了要应用可编程控制器（简称PLC），所以高等教育有关工科专业都开设了PLC技术相关课程。老师们对PLC工作原理的教学抱有不同态度，特别是职业院校老师，大多数认为工作原理抽象难懂，学生听不懂也没多大必要。笔者在教学过程中多次巧遇学生设计的PLC控制系统存在异常，分析原因都是由于没理解好PLC的工作原理造成的。

PLC；工作原理；教学；分析；设计

PLC应用日益广泛，随着工业机器人技术的开发应用，很多已就职的机械类技术员都意识到要恶补PLC知识和技能，学习、使用PLC都要进行系统的设计、调试和维修，都离不开PLC控制程序，都需要理解PLC的工作原理。

1 异常现象的案例介绍

（1）电动机点动——连续控制系统异常。①电动机点动——连续控制的要求。某企业一台机床的主轴电动机需要采用PLC控制，该电动机要求能正反转点动——连续运转。请设计其控制系统并调试，即：设计电气原理图（包含主电路和PLC控制I/O接线图），列PLC的I/O地址分配表，编写PLC控制程序，安装、并通电调试。②初学者的设计方案。此案例采用节约PLC输入点的做法，热继电器的触点不占PLC输入点，在接触器线圈回路中串热继电器的常闭触点，另外，所有按钮都接常开触点。因篇幅原因，在此省略主电路和PLC控制I/O接线图，I/O地址表如表1所示，初学者设计的PLC控制程序如图1所示。③调试出现的异常现象。按图1程序进行调试，接线、硬件都正确，按正转、反转启动按钮能进行正常启动，在运转情况下，按停止按钮也能进行正常停止，但是，正转、反转点动都异常，按下正转或反转点动按钮，松开按钮后，电动机并不停止而是像连续运转一样继续旋转。

图1 电动机正反转点动-连续的PLC控制程序（有异常现象）

表1 电动机点动-连续控制的I/O地址表

2 PLC工作原理

PLC有RUN和STOP两种工作模式，只有在RUN模式才执行用户程序（又叫PLC控制程序）。PLC在RUN模式时，不仅需要完成内部处理和通信服务，还要按顺序进行输入采样、程序执行和输出刷新。

输入采样阶段：实际是集中输入。在程序执行之前，将每个输入端子对应的输入电路的通断状态进行采样，并将信息写入输入寄存器。外部输入电路接通，写入“1”，称为“1”状态。外部输入电路断开，写入“0”，称为“0”状态。

程序执行阶段：PLC是典型的串行工作方式，是按第一步运算→第二步运算……最后一步运算，扫描到END指令才算程序执行完。PLC在程序执行阶段，总是按先左后右，先上后下的顺序对每条指令进行扫描。每执行一条指令时，所需要的输入状态或其他元件的状态，分别从输入寄存器或元件寄存器中读取，再将执行结果（逻辑运算的结果）写入到元件寄存器中。

输出刷新阶段：PLC是典型的串行工作方式，是按第一步运算→第二步运算……最后一步运算，扫描到END指令才算程序执行完。PLC输出刷新实际是集中输出，它并不是每执行程序的一个逻辑行就立即驱动外部负载工作，而是在整个程序执行一遍后，将所有输出寄存器的0、1状态在同一时刻集中传送到输出锁存器，如果用户程序中某一个输出的逻辑值为“1”，对应的输出寄存器为“1”状态，外部负载得电工作。反之外部负载失电停止工作。

3 运用PLC工作原理分析、排查案例异常问题

正转点动操作：如图1所示，按下正转点动按钮SB3，在按下SB3的一个扫描周期的输入采样阶段，SB3对应的输入寄存器X2为“1”状态，在这个扫描周期的程序执行阶段，计算出输出Y000的逻辑值为“1”，后面的逻辑行都不满足条件，所以，扫描运行到END，都只有Y000的逻辑值为“1”，通过输出刷新，于是电动机正转。在电动机已正转的情况下，松开按钮SB3，在松开SB3的下一个扫描周期的输入采样阶段，SB3对应的输入寄存器X002为“0”状态，于是X2的常闭触点逻辑值为“1”，但此时因Y000在上一个扫描周期（即：在松开SB3的那个扫描周期）中还是“1”状态，所以，本次扫描周期中，Y000常开触点逻辑值为“1”，于是对Y000常开触点串联X2常闭触点的逻辑行进行计算，得出Y000的逻辑值继续为“1”，通过输出刷新，电动机继续正转。后面周而复始循环扫描的结果，Y000的逻辑值都为“1”，所以用图1所示控制程序，出现了即使按正转点动按钮并不是点动效果的异常现象，用同样的原理可以分析出图1反转点动异常的原因。

4 PLC工作原理的教学设计

PLC工作原理抽象，如果采用传统的理论教学方法，学生很难理解，因为不理解，如果出现上述案例所述的这种异常情况，学生没办法分析故障原因，更谈不上排除故障了。上述电动机点动——连续控制的异常现象是个很好的PLC工作原理教学案例，可以设计成电动机点动——连续控制系统异常的故障分析与排查任务，让学生先体验异常现象，带着故障分析与排查任务，讲授PLC工作原理，这样，肯定能提高学生的学习兴趣，进而提高学习效率。

[1]廖常初.PLC基础及应用：第3版[M].重庆：重庆大学出版社，2014.

[2]郑燕.PLC基础及应用[M].北京：人民邮电出版社，2014.

[3]阮友德.任务引领型PLC应用技术教程[M].北京：机械工业出版社，2014.

简立明（1968-），女，湖南邵东人，主要研究方向：PLC、变频调速、伺服等工控技术。