PLC改造继电器控制电路时的时序问题及解决方法

李 俊

（江苏省常熟中等专业学校电气工程系，江苏 常熟 215500）

0 引 言

随着控制技术的不断发展，PLC作为自动化控制的核心技术之一，被应用到了自动化控制的各个领域。因此PLC也成了很多学校机电一体化、自动化类专业必开的课程之一。

常熟中等专业学校在开展PLC课程教学的过程中，首先让学生系统的学习了继电接触器控制的电动机基本控制线路知识。在学习PLC的过程中，一个重要的环节就是将继电接触器控制的电动机基本控制线路转换成用PLC来控制。

在教学实践中，笔者发现，如果简单的将继电接触器控制的电路直接转换成由PLC控制的电路，有时将无法达到预期的效果或者出现运行事故；当然，利用PLC也能解决继电接触器控制电路无法克服的一些困难。

本文将分析几种常见问题并提出解决的方法。

1 PLC工作原理的简单介绍

1.1 PLC控制电路和继电器电路的异同

从电路控制技术的发展来看，PLC的前身是继电接触器系统。在逻辑控制场合，PLC的梯形图和继电器电路图非常相似。但是这两者之间在运行时序问题上，有着根本的不同。在继电接触器系统中，对于同一个继电器，它的线圈，常开、常闭触点在通电或断电的时候动作是同时发生的，忽略了电磁滞后及机械滞后。但在PLC控制系统中，由于它的工作方式循环扫描，同一个元器件的线圈和触点动作时间不一致。这就是继电接触器系统的并行工作方式和PLC的串行工作方式的差别。

1.2 PLC的分时处理、循环扫描工作方式

在PLC控制系统中，PLC通过执行用户程序来实现对系统的控制。因此PLC采用的是循环扫描工作方式，主要分为如下3种工作阶段。

（1）输入信号处理

在输入信号处理阶段，CPU对输入端进行扫描，将获得的各个输入端子的信号送到输入暂存器存放。在同一扫描周期内，某个输入端的信号在输入暂存器中一直保持不变。

（2）用户程序处理

当输入端子的信号全部进入暂存器后，CPU工作进入到第二个阶段。在这个阶段，PLC进行用户程序的处理，它对用户程序进行从上到下（从第0句到结束语句）依次扫描，并根据输入暂存器的输入信号和输出暂存器中的运算信号（PLC在一个扫描周期内，其输出暂存器中的数据跟随程序执行的结果而变化）及有关指令进行运算和处理，最后将结果再写入输出暂存器中。

（3）输出信号处理

这个阶段CPU对用户程序的扫描已处理完毕，并将输出信号从输出暂存器中取出，送到输出锁存电路，驱动输出，控制被控设备进行各种相应的动作。然后，CPU又返回执行下一个循环扫描周期。

1.3 一个扫描周期的表格表示形式

PLC的扫描周期也就是PLC的一个完整工作周期，即从读入输入信号到发出输出信号所用的时间，具体如表1所示。

2 问题一：点动、连续控制电路不能实现点动

如图1所示，在用PLC来改造继电接触器控制点动、连续控制电路时，会发现按下点动按钮SB2时，电路无法实现点动控制。那么，为什么会造成这种现象呢？应该如何来解决呢？

图1 继电接触器控制的点动、连续控制电路

2.1 继电器控制点动控制电路的工作原理分析

如图1所示，当按下按钮SB2时（点动按钮），首先它的常闭触点断开，切断自锁回路，接着它的常开触点闭合，同时KM线圈得电，电动机点动运行；松开SB2，KM线圈失电，电动机停止运行[1-5]。

2.2 PLC控制点动控制电路工作原理分析

根据分析，结合PLC外部接线图（见图2），将继电器控制电路转化成PLC梯形图和指令表，如图3所示。

图3 梯形图和指令表

对图3所示的梯形图进行分析，可得到表2、表3。

从表2可以看到如下两个问题：

（1）按下SB2后，SB2由断到通稳定下来的时间远大于PLC的扫描周期；

（2）由于程序从上到下，从左到右依次扫描，先扫到Y0常开，后扫到Y0线圈（看指令表）因此造成，Y0常开和Y0线圈工作不同步。

2.3 PLC程序不能正常工作的原因

从对PLC程序运行情况的分析可以看出，造成该电路不能点动的原因是：松开SB2的第一个扫描周期内，Y0的常开触点是闭合的，从而造成自锁回路自锁。这是由PLC的分时处理与循环扫描工作方式所决定的，它同继电接触器控制电路有着本质的区别。

2.4 问题的解决方法

解决方法一：在松开SB2的第一个扫描周期内，设法让自锁回路断开，故在自锁回路中串入定时器，定时时间可通过实验确定（不能太大），如图4所示。

解决方法二：抛弃原有电路，重新进行设计，如图5所示；图5中不能将M0、M1换成Y0，否则会出现双线圈问题。

3 问题二：PLC控制星三角电路切换过程中有时发生短路

教学过程中，实际上还会出现上述同种类型的问题。典型的像正反转电路、星-三角电路、双速转换电路。安装完成PLC电路后，有时能正常运行，有时则在电路的切换过程中会发生短路事故。本文以星三角电路为例进行分析研究。

表2 按下按钮SB2后程序运行情况

表3 松开SB2后的程序运行情况

图4 在自锁回路中传入定时器

图5 利用M辅助继电器设计程序

3.1 继电器控制星三角控制电路的工作原理分析

如图6所示，按起动按钮SB2，KM1、KM3、时间继电器KT线圈得电吸合同时自锁，电动机星形（Y）接法起动。当KT延时时间到，KM3线圈电路中的通电延时断开的动断触点断开，KM3断电释放，电动机星接（Y）起动结束。此时，KM2线圈电路中的通电延时闭合的动合触点闭合。KM2线圈得电吸合，电动机改为三角形（△）接法运转[6]。

3.2 PLC控制星三角控制电路工作原理分析（程序运行的指令表不再给出）

根据图7、图8对PLC控制程序进行分析，得到表4、表5。

图7 PLC控制的星三角控制电路外部接线图

图8 PLC控制的星三角控制电路梯形图

3.3 PLC控制电路在星三角切换过程中有时发生短路的原因分析

从图7、图8的工作原理可以看出，造成该电路在星三角切换过程中有时发生短路的原因是：T0计时到7 s的第2个扫描周期中，Y2线圈（星形）失电和Y3线圈（三角形）得电是同时进行的，从而造成接触器KM2和KM3在切换过程中存在可能同时接通的重合时间，若接触器存在质量问题，则可能发生相间短路。当然，图5电路也存在这个问题，但用PLC控制时解决这个问题相对容易。

表4 按下SB1后的简单情况

表5 T0时间到时的简单情况

3.4 解决的方法

（1）方法一：选择质量高的接触器，使得KM2（星形）的释放时间小于KM3（三角形）的吸合时间，尽量缩短两者的重合时间。

（2）方法二：在程序中加入定时器，保证Y2线圈（星形）先失电，Y3线圈（三角形）后得电，即设置转换延时，延时时间可通过实验确定（一般在0.5 s以下），如图9所示。

图9 在Y2线圈前加入定时器T0常闭触点

4 问题三：自动往返电路的自启动

图10是典型的继电接触器控制的自动往返控制电路原理图，但这个图中存在一个明显的缺点，也即不安全因素：自启动问题。

图10 继电接触器控制的自动往返控制电路

如果在设备启动运行之前，工作台正好把SQ1（或SQ2）压住，则只要设备接通电源，在没有按下启动按钮的情况下，工作台就将自行启动，从而酿成事故。要克服这个缺点，在不增加元器件的基础上，将是十分困难的。

用PLC来实现工作台的自动往返，则能轻而易举的解决这个问题。

图11中巧妙地利用了PLC的开机脉冲M8002，保证设备启动运行之前，即使工作台把SQ1（或SQ2）压住，设备接通电源后，在没有按下启动按钮的情况下，工作台将不能自行启动[7-8]。

图11 PLC控制的自动往返控制电路

5 结 论

本文简单介绍了PLC的分时处理与循环扫描工作方式的特点，并通过“点动、连续控制电路不能实现点动”“PLC控制星三角电路切换过程中有时发生短路”“自动往返电路的自启动”三个案例来阐述了如何通过对PLC的每一个完整扫描周期中，输入输出信号的变化进行分析，来解决PLC控制过程中，继电器控制电路和PLC控制程序不匹配的一些问题。