电气控制与可编程控制器, 也就是PLC应用技术, 这个内容是自动化工程这个专业领域里面的核心技能体系, 它的本质意思就是把过去那种用传统继电器来做的逻辑控制工作, 升级成现在的可以用程序来控制的数字控制模式, 想要在这个领域里面掌握相关的内容, 就必须要同时去理解主电路到底是怎么设计的, 以及PLC编程的逻辑是怎么回事, 接下来我们就按照基础原理这一条线、编程方法这一条线、还有实操调试这一条线这三个方面来对核心的要点进行系统的梳理和整理。
电气控制系统基础
1. 将电路划分为两部分, 也就是主电路和控制电路。主电路也可以称为动力回路, 控制电路也被称为信号回路。这两部分组成了整个控制系统。在主电路里面, 因为要承载大电流, 所以得使用断路器和接触器的主要触头。
而在控制电路里面, 主要是为了执行逻辑上的判断工作, 因此用的是辅助触头和继电器的线圈之类元件。在进行设计的时候, 我们必须要严格地把它们分开来设置。这样做的原因是为了避免强电部分对信号回路产生干扰的现象出现。
2. 核心元器件包括交流接触器、中间继电器、热继电器和断路器这四类控制元件, 它们是最基础的组成。选型的操作过程需要对额定电流进行校验, 同时也需要对分断能力进行校验, 以确保它们都与负载实现匹配的状态, 而热继电器的整定值一般情况之下会去选取电机额定电流的0.95到1.05倍的这个范围数值。
3. 逻辑设计的这个方法, 它就是采用所谓的启动、保持和停止的电路, 这个也被称为自保持电路, 把它当作是那个最基本的控制模式来用, 然后, 在这个基础之上再去叠加一些其他的比如互锁、顺序还有定时这类逻辑, 就这么一步一步地去把那些比较复杂的控制方案给构建出来的。
PLC核心原理与编程
1. 扫描运行机制是这样的, PLC会按照“输入采样”到“程序执行”再到“输出刷新”这三部来进行循环运行, 一个完整的周期叫做扫描周期, 典型的值是在一到十毫秒之间, 这个机制决定了PLC在响应的过程中是有固有的延迟的, 所以在进行编程的时候必须把快速脉冲信号改成用硬件电路来处理。
2. 现在的指令系统里面, 梯形图（LD）和结构化文本（ST）是那些主流的编程语言。同时, 标准IEC 61131-3也定义了功能块图、指令表和功能块语言。
因为梯形图的思路最接近继电器的工作逻辑, 所以它很适合初学者入门学习。而在面对复杂的数学运算以及数组操作等需求的时候, 使用结构化文本会显得更加合适。
3. 在国内的工业应用场景中, 西门子S7-1200、西门子S7-1500、三菱FX系列、三菱Q系列、欧姆龙CP系列、欧姆龙CS系列以及罗克韦尔CompactLogix, 这四大平台是目前最为主流的选择。进行选型的时候, 依据包括I/O点数、通讯接口、程序容量与扩展能力这些方面。
4. 编程的核心思路, 是这样的第一步先去绘制控制逻辑的流程图, 第二步把那个流程图映射转化为梯形图的网络结构, 第三步使用模拟输入输出信号, 去一步一步地验证状态转换的过程, 确保每一个分支的条件都是完备的。
实操应用与调试要点
1. 关于I/O的配置以及如何接线的说明是这样的: 在输入侧, 我们必须确认供电的电压（这里的情况是以24 V DC作为主流的）要与PLC的输入类型（这里指的是源型或者漏型）达到匹配的状态；而在输出侧, 我们需要区分的方面包括继电器式的输出、晶体管式的输出以及晶闸管式的输出, 至于负载的性质还有开关的频率, 这两个因素将会对最终的选型产生决定的影响。
2. 先把程序用编程电缆或者工业以太网的方式写进CPU里面。然后打开在线监控功能, 一条一条地去跟踪变量的状态。建议在调试的起初阶段, 先把急停这个回路隔开不用, 等确认逻辑没有错误之后, 再接上实际的设备。
3. 当故障现象出现的时候, 应当遵循从电源到i/o硬件以及程序逻辑最后再到通讯的这种顺序来进行逐级排查。使用万用表来测量电压情况是定位问题非常快速和有效的方法, 同时通过诊断软件读取i/o映像表的信息同样是一种速度最快的定位手段。
高频疑难与解决方案
控制回路发生频繁误动作的情况, 大多数是因为受到了电磁干扰的影响, 应该针对这种情况在信号线上增加金属屏蔽层并且采用单端接地的方式进行处理，同时必须让强电电缆和弱电信号线之间的距离保持在300毫米以上。
程序出现了死循环这种情况, 通常是因为在逻辑选择的时候分支条件没有做到完全覆盖完整, 所以就需要在每个用来控制循环的结构最后的那个位置上去设定一个默认的状态回退路径或者说是复位的路径, 这样一来能够确保就算是在任何一种可能出现的运行状态之下, 系统也都是可以顺利地退出这个循环的。
遇到通信偶尔中断的情况, 建议第一步优先检查一下波特率和协议是不是保持一致, 然后再去排查线缆的接触问题以及终端电阻是否匹配。
参考与拓展
如果你想系统地进行学习, 你可以去参考机械工业出版社出版的《电气控制与可编程控制器应用技术》这本书, 同时也可以去查看IEC 61131-3标准这个文本。
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