虚拟硬继电器在可编程控制器课程中的应用

谢芳芳

湖南工业职业技术学院 湖南长沙 410208

可编程控制器(PLC)的开关量输入/输出模块有直流、交流之分，其中直流输入/输出模块又有源型、漏型之分[1]。此外，开关量输出模块有继电器型、固态继电器型、晶体管型、场效应晶体管型、双向晶闸管型等[2]。对于这些知识，学生理解与运用起来比较困难。为了进一步提高教学效果，笔者根据PLC开关量输入/输出模块的电路特点，提出虚拟硬继电器模型，将每个开关量输入端或输出端的内部接口电路等效成一个虚拟的硬继电器，并运用到教学实践中，取得了良好效果。

1 虚拟硬继电器

1.1 开关量输入模块的虚拟硬继电器

以西门子S7系列PLC的直流输入模块为例，图1a是I0.0输入端的内部电路和外部接线[3]。当图中的外接开关SA1闭合时，光电耦合器中2个反并联的发光二极管中的一个亮，光敏三极管导通；外接开关SA1断开时，光电耦合器中的发光二极管熄灭，光敏三极管截止，信号经内部电路传送给CPU模块。根据这一电路特点，笔者将光电耦合器、电阻R1、电阻R2这3个元件等效成一个虚拟的硬继电器(如图1b所示)。外接开关SA1闭合时，虚拟硬继电器的线圈得电，虚拟硬继电器的常开触点闭合；外接开关SA1断开时，虚拟硬继电器的线圈断电，虚拟硬继电器的常开触点断开。在这里，虚拟表示该继电器在物理上是不存在的，硬继电器是指该继电器是硬件意义上为等效继电器，以区别梯形图程序里的软继电器。软继电器是软件意义上(或讲程序意义上)的继电器，在物理上对应CPU模块存储区的一位。

对于交流输入模块，每个输入端的内部接口电路也可等效成一个虚拟硬继电器。类似地，其他厂家PLC的开关量输入模块也可等效成虚拟硬继电器，图2是三菱FX系列PLC的直流输入模块。

图1 西门子S7系列PLC的直流输入模块

图2 三菱FX系列PLC的直流输入模块

1.2 开关量输出模块的虚拟硬继电器

以西门子S 7系列P L C的场效应晶体管型(MOSFET)输出模块为例，图3a是Q0.0输出端的内部电路和外部接线[3]。输出信号送给内部电路中的输出锁存器，再经光电耦合器送给场效应晶体管，后者的饱和导通和截止状态相当于触点的接通和断开。根据这一电路特点，笔者将光电耦合器、电阻R1、稳压管、场效应晶体管这4个元件等效成一个虚拟的硬继电器(如图3b所示)。虚拟硬继电器的线圈得电时，虚拟硬继电器的常开触点闭合；虚拟硬继电器的线圈断电时，虚拟硬继电器的常开触点断开。常开触点串联一个二极管，以保证直流电流从Q0.0端子流出。

对于晶体管型、双向晶闸管型输出模块，每个输出端的内部接口电路也可等效成一个虚拟硬继电器。而对于继电器型、固态继电器型输出模块，由于物理上存在继电器，因此无须再等效成虚拟硬继电器。

图3 西门子S7系列PLC的直流输出模块(场效应晶体管型)

2 虚拟硬继电器的应用

2.1 在外部接线中的应用

外部接线的任务是将PLC与外部电源、输入侧控制开关、输出侧负载连接起来。外部电源系统有直流、交流之分；输入侧控制开关的种类很多，有机械开关、电子开关，其中电子开关有两线式、三线式之分，还有源型、漏型之分[4]；输出侧负载的种类也很多，有阻性负载、感性负载、容性负载等[5]。对于开关量输入/输出电路来说，关键是构成电流回路。初学者在进行外部接线时，可将输入端的虚拟硬继电器的线圈画出来，将输出端的虚拟硬继电器的常开触点画出来(如图4所示)。按这样的图来分析电流回路、进行外部接线，简单清晰，不容易出错。

图4 PLC输入/输出模块的虚拟硬继电器

以PLC与输入侧三线式电子开关的接线为例(如图5所示)。在图5a中，电流从直流电源正极出发，在L+端分成两路，一路的电流回路是“L+端→棕端→蓝端→M端→直流电源负极”，另一路的电流回路是“L+端→1M端→虚拟硬继电器线圈→I0.0端→黑端→蓝端→M端→直流电源负极”。在图5b中，电流从直流电源正极出发，也分成两路，一路的电流回路是“+24 V端→棕端→蓝端→COM端→直流电源负极”，另一路的电流回路是“虚拟硬继电器线圈→X0端→黑端→蓝端→COM端→直流电源负极”。

图5 PLC与输入侧三线式电子开关的接线

2.2 在PLC工作原理分析中的应用

清晰地理解PLC工作原理是正确编程的基础，运用虚拟硬继电器模型可以方便地理解PLC工作原理。如图6所示，当外接开关SA1闭合时，I0.0端的虚拟硬继电器的线圈得电，输入过程映像寄存器(即I区)中的I0.0软继电器也“得电”；梯形图程序中的I0.0软常开触点接通，Q0.0软继电器“得电”并自锁，输出过程映像寄存器(即Q区)中的Q0.0软继电器也“得电”；Q0.0端的虚拟硬继电器的常开触点闭合，指示灯H1亮。5秒之后，梯形图程序中的T37软常开触点接通，Q0.1软继电器“得电”，输出过程映像寄存器中的Q0.1软继电器也“得电”；Q0.1端的虚拟硬继电器的常开触点闭合，指示灯H2亮。

在分析工作原理时，虚拟硬继电器与对应的软继电器两者的得电和断电状态是相同的。当然，虚拟硬继电器的得电和断电是硬件意义上的，而软继电器的“得电”和“断电”则是程序意义上的。

图6 PLC工作原理示意图

2.3 教学应用效果

在教学实践中，笔者发现有的学生不善于分析PLC输入侧、输出侧的电流回路，靠记一些接线口诀来完成PLC外部接线。例如对于西门子PLC有接线口诀“带M的端子连在一起，带L的端子连在一起”，即1M，2M，3M与M连在一起，1L，2L，3L与L1连在一起。这些接线口诀对于初学者能起到一定作用，但并非适用于所有工况，实际工况是多种多样的。经过教学分析之后，笔者在PLC课程的第一次课就介绍“虚拟硬继电器”模型，让学生一开始就在脑海里树立起牢固的“虚拟硬继电器”模型；并且在后面的课堂中，凡涉及I/O模块，都应用“虚拟硬继电器”模型来分析问题。经过几轮教学实践，取得了良好效果，在实训教学任务中，学生都能进行正确的外部接线，在电气自动化专业、机电一体化专业的技能抽查中，学生的PLC模块硬件接线部分的平均得分率由原来的92.3%提高到98.5%。

曾有学生在课程快要结束时提出问题“PLC里面的程序是怎样控制PLC外面的电磁阀的？”笔者认为这是对PLC工作原理没有达到深刻理解、灵活运用的缘故。因此，在每个教学项目的梯形图编程中，笔者都要求学生运用虚拟硬继电器模型分析程序的执行过程，通过重复训练、刻意练习学生能够清晰地理解PLC工作原理，提高了结构化程序的正确率。在专业技能抽查中，学生的PLC模块软件编程部分的平均得分率由之前的88.4%提高到95.5%。另据参加省级和国家级技能大赛的学生反馈，虚拟硬继电器模型给他们提供了一个强有力的工具，对比赛现场的故障诊断、软硬联调帮助很大。

3 结语

为进一步提高教学效果，针对PLC开关量输入/输出模块的电路特点，提出虚拟硬继电器模型，将每个数字量输入端或输出端的内部接口电路等效成一个虚拟的硬继电器。教学实践表明，运用虚拟硬继电器模型学生能牢固掌握PLC数字控制系统的外部接线，清晰理解PLC的工作原理，为梯形图编程打下良好基础。