西门子模块6ES7231-7PD22-0XA8技术数据
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控制系统的重心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。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
（一）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，在编写控制程序时必须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内部存储器中有专用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。[bbb=] 
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图1 PLC输入信号采集示意图
输入继电器线圈的状态取决于外部设备的状态.
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。
（二）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，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。
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图2 “起保停控制”电气原理图
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，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）：
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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。
（三）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。
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图4 “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所示梯形图程序更加符合我们的阅读习惯，也更易分析其逻辑控制功能，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，也就是说是按执行的方式工作的，只要形成电流通路，就可能有几个电器动作。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，而前面逻辑运算的结果会影响后面语句的逻辑运算结果。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：
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图5 程序1
程序1调试结果：X0接通3次，Y3接通，X0再接通1次，Y3断开。
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图6 程序2
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前面的逻辑条件均相同，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；而执行第二段程序时，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，是同一元件，在梯形图中所处的位置不同，其工作状态也会有所不同，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，才能够更为准确地实现控制。
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结果即输出。
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。
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，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：
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图7 编程元件示例程序
图7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，其中第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，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指令库中专用于顺序控制的。步进指令编程时，根据工艺流程将程序划分为一个个独立的程序段，执行时，CPU严格按梯形图编程顺序，只有执行完前一段程序后才能激活下一段程序，并在下一段程序执行之前，将前面程序段复位。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（图8）所示。
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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，其中第1步与第5步动作相同，均为上升；第3步和第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分别被定义为第1步与第5步的输出，R3、R7分别被定义为第3步与第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。
l发电站工业环境的特点
发电站的空间存在极强的电磁场，发电机的电压高达数千，电流高达数百安甚至数千安，开关站的输出电压高达数十干伏或数百千伏。由于现场条件的限制(例如老设备的改造)，有时上百米长的强电电缆和FLc的信号电缆不能有效的分隔开，甚至只能敷设在同一电缆沟内。高电压、大电流接通和断开时产生的强电干扰可能会在PLc输入线上产生很强的感应电压和感应电流，足以使PLC输入端的光电锅台器中的发光二极管发光，使光电耦台器的抗干扰作用失效，导致PLC产生误动作。如某水电站中的PLC在站内无发电机运行时工作正常，发电机起动运行后经常出现误动作，可以观察到在没有输入信号时PLC输入点的发光二极管有时也会闪动。
干扰信号除了经PLC的输入端侵入PLC外，也可能经PLC的电源侵入PLC。
与一般的工业环境不同，发电站的继电器控制系统中的继电器和执行机构(如断路器、接触器和电磁阀等)使用的是直流220V电源，在设计PLC的输出电路时，应充分考虑这一特点。
2抗干扰的隔离措施
PLc内部用光电锅台器、输出模块中的小型继电器和光电可控硅等器件来实现对外部开关量信号的隔离，PLc的模拟量I／0模块一般也采取了光电锅台的隔离措施。这些器件除了能减少或消除外部干扰对系统的影响外，还可以保护CPU模块，使之免受从外部窜入PLC的高电压的危害，一般没有必要在PLc外部再设置干扰隔离器件。
如果PLc输入端的光电耦合器不能有效地抵抗干扰，可以用小型继电器来隔离发电站中用长线引入PLC输入端的开关量信号。光电耦合器中发光二极管的工作电流仅数毫安，而小型继电器的线圈吸合电压为数十毫安，强电干扰信号通过电磁感应产生的能量一般不可能使隔离用的继电器吸合。有的系统需要使用外部信号的多对触点，例如一对触点用来给PLC提供输入信号，一对触点用来给上位计算机提供开关量信号，一对触点用于指示灯，使用继电器转接输入信号既能提供多对触点，又实现了对强电干扰信号的隔离。PLC来自开关柜内的输入信号和距开关柜不远的输入信号一般没有必要用继电器来隔离。
为了提高抗干扰能力，PLc的外部信号、PLC和计算机之间的串行通信线路也可以用光纤或带光电耦合器的通信接口来隔离，在要求防火、防爆的环境更适于采用这种方法。
3对电源的处理
电源是干扰进PLc的主要途径之一，电源干扰主要是通过供电线路的阻抗耦合产生的，各种大功率用电、发电设备是主要的干扰源。
如果PLC使用交流电源，在干扰较强或对可靠性要求很高的场合，可以在PLc的交流电源输入端加接带屏蔽层的隔离变压器和低通滤波器(见图1)，隔离变压器可以抑制窜入的外来干扰，提高抗高频共模干扰能力，屏蔽层应可靠地接地。
图1电源的抗干扰措施确
低通滤波器可以吸收掉电源中的大部分“毛刺”，图中的Ll和12用来抑制高频差模电压，L3和L4是用等长的导线反向绕在同一磁环上的，50Hz的工频电流在磁环中产生的磁通互相抵消，磁环不会饱和。两根线中的共模干扰电流在磁环中产生的磁通是迭加的，共模干扰被L3和L4阻挡。图中的Cl和C2用来滤除共模干扰电压，c3用来滤除差模干扰电压。R是压敏电阻，其击穿电压略高于电源正常工作时的高电压，平常相当于开路。遇尖峰干扰脉冲时被击穿，干扰电压被压敏电阻钳位，后者的端电压等于其击穿电压。
高频干扰信号不是通过变压器的绕组耦合，而是通过初级、次级绕组之间的分布电容传递的。在初级、次级绕组之间加绕屏蔽层，并将它和铁芯一起接地，可以减少绕组间的分布电容，提高抗高频干扰的能力。
也可以直接选用电源滤波器产品，如北京中石公司的电源滤波器具有良好的共模滤波、差模滤波性能和高频干扰抑制性能，能有效抑制线与线之间和线与地之间的干扰，其产品可用于交流单相，三相电源和直流电源。
在电力系统中，如果使用220v的直流电源(蓄电池)给PLC供电，可以显著地减少来自交流电源的干扰，在交流电源消失时，也能保证FLC的正常工作。某些PLC(如三菱公司的FX系列PLC)的电源输入端内有一个直接对220v交流电源整流的二极管整流桥，整流滤波后的直流电压送给PLc内的开关电源。开关电源的输入电压范围很宽，这种PLc也可以使用220v直流电源。使用交流电源时，整流桥的每只二极管只承受一半的负载电流，使用直流电源时，有2只二极管承受全部负载电流。考虑到PLc的电源输入电流很小，在设计时整流二极管一般都留有较大的裕量，这种PLc如使用直流220v电源电压不会有什么问题。经过长期的工业运行，证明上述方案是可行的。
4 PLC输出端的可靠性措施
继电器输出模块的触点工作电压范围宽，导通压降小，与晶体管型和双向可控硅型模块相比，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，动作速度较慢。系统输出量变化不是很频繁时，一般选用继电器型输出模块。PLc输出模块内的小型继电器的触点很小，断弧能力很差，不能直接用于发电站的DC220v电路中，必须用PLc驱动外部继电器，用外部继电器的触点驱动DC220v的负载。
断开直流电路要求较大的继电器触点，接通同一直流电路可用较小的触点。选择外接的继电器时，应仔细分析是用PLc来控制接通还是断开外部回路。例如水电站中用得较多的DC220v电磁阀内部有与其线圈串联的限位开关常闭触点，电磁阀线圈通电，阀芯动作后，是用阀内部的触点来断开电路的。在这种情况下，可以选用触点较小的小型继电器来转接PLc的输出信号。
5安装与布线的注意事项
开关量信号(如按钮、限位开关、接近开关等提供的信号)一般对信号电缆无严格的要求，可选用一般的电缆，信号传输距离较远时，可选用屏蔽电缆。模拟信号和高速信号线(如脉冲传感器、计数码盘等提供的信号)应选择屏蔽电缆。通信电缆要求可靠性高，有的通信电缆的信号频率很高(如上兆赫)，一般应选用PLc生产厂家提供的专用电缆，在要求不高或信号频率较低时，也可以选用带屏蔽的双绞线电缆。
PLc应远离强干扰源。如大功率可控硅装置、高频焊机和大型动力设备等。PLc不能与高压电器安装在同一个开关柜内，在柜内PLc应远离动力线(二者之间的距离应大于200mm)。与PLC装在同一个开关柜内的电感性元件，如继电器、接触器的线圈，应并联Rc消弧电路。
PLC的I／0线与大功率线应分开走线，如必须要在同一线槽中布线，信号线应使用屏蔽电缆。交流线与直流线应分别使用不同的电缆，开关量、模拟量I／0线应分开敷设，后者应采用屏蔽线。不同类型的线应分别装入不同的电缆管或电缆槽中，并使其有尽可能大的空间距离。
如果模拟量输人／输出信号距离PLC较远，应采用4—20mA或0.10mA的电流传输方式，而不是易受干扰的电压传输方式。
传送模拟信号的屏蔽线，其屏蔽层应一端接地，为了泄放高频干扰，数字信号线的屏蔽层应并联电位均衡线，其电阻应小于屏蔽层电阻的1／10，并将屏蔽层两端接地。如果无法设置电位均衡线，或只考虑抑制低频干扰时，也可以一端接地。不同的信号线好不用同一个插接件转接，如必须用同一个插接件，要用备用端子或地线端子将它们分隔开。以减少相互干扰。
6结束语
我们在水电站微机综合自动化控制系统中广泛使用了PLc，由于采用了上述的可靠性措施。在常年连续运行的情况下，PLC都能长期可靠工作。