謝芳芳

湖南工業(yè)職業(yè)技術學院 湖南長沙 410208

可編程控制器(PLC)的開關量輸入/輸出模塊有直流、交流之分，其中直流輸入/輸出模塊又有源型、漏型之分[1]。此外，開關量輸出模塊有繼電器型、固態(tài)繼電器型、晶體管型、場效應晶體管型、雙向晶閘管型等[2]。對于這些知識，學生理解與運用起來比較困難。為了進一步提高教學效果，筆者根據(jù)PLC開關量輸入/輸出模塊的電路特點，提出虛擬硬繼電器模型，將每個開關量輸入端或輸出端的內部接口電路等效成一個虛擬的硬繼電器，并運用到教學實踐中，取得了良好效果。

1 虛擬硬繼電器

1.1 開關量輸入模塊的虛擬硬繼電器

以西門子S7系列PLC的直流輸入模塊為例，圖1a是I0.0輸入端的內部電路和外部接線[3]。當圖中的外接開關SA1閉合時，光電耦合器中2個反并聯(lián)的發(fā)光二極管中的一個亮，光敏三極管導通；外接開關SA1斷開時，光電耦合器中的發(fā)光二極管熄滅，光敏三極管截止，信號經內部電路傳送給CPU模塊。根據(jù)這一電路特點，筆者將光電耦合器、電阻R1、電阻R2這3個元件等效成一個虛擬的硬繼電器(如圖1b所示)。外接開關SA1閉合時，虛擬硬繼電器的線圈得電，虛擬硬繼電器的常開觸點閉合；外接開關SA1斷開時，虛擬硬繼電器的線圈斷電，虛擬硬繼電器的常開觸點斷開。在這里，虛擬表示該繼電器在物理上是不存在的，硬繼電器是指該繼電器是硬件意義上為等效繼電器，以區(qū)別梯形圖程序里的軟繼電器。軟繼電器是軟件意義上(或講程序意義上)的繼電器，在物理上對應CPU模塊存儲區(qū)的一位。

對于交流輸入模塊，每個輸入端的內部接口電路也可等效成一個虛擬硬繼電器。類似地，其他廠家PLC的開關量輸入模塊也可等效成虛擬硬繼電器，圖2是三菱FX系列PLC的直流輸入模塊。

圖1 西門子S7系列PLC的直流輸入模塊

圖2 三菱FX系列PLC的直流輸入模塊

1.2 開關量輸出模塊的虛擬硬繼電器

以西門子S 7系列P L C的場效應晶體管型(MOSFET)輸出模塊為例，圖3a是Q0.0輸出端的內部電路和外部接線[3]。輸出信號送給內部電路中的輸出鎖存器，再經光電耦合器送給場效應晶體管，后者的飽和導通和截止狀態(tài)相當于觸點的接通和斷開。根據(jù)這一電路特點，筆者將光電耦合器、電阻R1、穩(wěn)壓管、場效應晶體管這4個元件等效成一個虛擬的硬繼電器(如圖3b所示)。虛擬硬繼電器的線圈得電時，虛擬硬繼電器的常開觸點閉合；虛擬硬繼電器的線圈斷電時，虛擬硬繼電器的常開觸點斷開。常開觸點串聯(lián)一個二極管，以保證直流電流從Q0.0端子流出。

對于晶體管型、雙向晶閘管型輸出模塊，每個輸出端的內部接口電路也可等效成一個虛擬硬繼電器。而對于繼電器型、固態(tài)繼電器型輸出模塊，由于物理上存在繼電器，因此無須再等效成虛擬硬繼電器。

圖3 西門子S7系列PLC的直流輸出模塊(場效應晶體管型)

2 虛擬硬繼電器的應用

2.1 在外部接線中的應用

外部接線的任務是將PLC與外部電源、輸入側控制開關、輸出側負載連接起來。外部電源系統(tǒng)有直流、交流之分；輸入側控制開關的種類很多，有機械開關、電子開關，其中電子開關有兩線式、三線式之分，還有源型、漏型之分[4]；輸出側負載的種類也很多，有阻性負載、感性負載、容性負載等[5]。對于開關量輸入/輸出電路來說，關鍵是構成電流回路。初學者在進行外部接線時，可將輸入端的虛擬硬繼電器的線圈畫出來，將輸出端的虛擬硬繼電器的常開觸點畫出來(如圖4所示)。按這樣的圖來分析電流回路、進行外部接線，簡單清晰，不容易出錯。

圖4 PLC輸入/輸出模塊的虛擬硬繼電器

以PLC與輸入側三線式電子開關的接線為例(如圖5所示)。在圖5a中，電流從直流電源正極出發(fā)，在L+端分成兩路，一路的電流回路是“L+端→棕端→藍端→M端→直流電源負極”，另一路的電流回路是“L+端→1M端→虛擬硬繼電器線圈→I0.0端→黑端→藍端→M端→直流電源負極”。在圖5b中，電流從直流電源正極出發(fā)，也分成兩路，一路的電流回路是“+24 V端→棕端→藍端→COM端→直流電源負極”，另一路的電流回路是“虛擬硬繼電器線圈→X0端→黑端→藍端→COM端→直流電源負極”。

圖5 PLC與輸入側三線式電子開關的接線

2.2 在PLC工作原理分析中的應用

清晰地理解PLC工作原理是正確編程的基礎，運用虛擬硬繼電器模型可以方便地理解PLC工作原理。如圖6所示，當外接開關SA1閉合時，I0.0端的虛擬硬繼電器的線圈得電，輸入過程映像寄存器(即I區(qū))中的I0.0軟繼電器也“得電”；梯形圖程序中的I0.0軟常開觸點接通，Q0.0軟繼電器“得電”并自鎖，輸出過程映像寄存器(即Q區(qū))中的Q0.0軟繼電器也“得電”；Q0.0端的虛擬硬繼電器的常開觸點閉合，指示燈H1亮。5秒之后，梯形圖程序中的T37軟常開觸點接通，Q0.1軟繼電器“得電”，輸出過程映像寄存器中的Q0.1軟繼電器也“得電”；Q0.1端的虛擬硬繼電器的常開觸點閉合，指示燈H2亮。

在分析工作原理時，虛擬硬繼電器與對應的軟繼電器兩者的得電和斷電狀態(tài)是相同的。當然，虛擬硬繼電器的得電和斷電是硬件意義上的，而軟繼電器的“得電”和“斷電”則是程序意義上的。

圖6 PLC工作原理示意圖

2.3 教學應用效果

在教學實踐中，筆者發(fā)現(xiàn)有的學生不善于分析PLC輸入側、輸出側的電流回路，靠記一些接線口訣來完成PLC外部接線。例如對于西門子PLC有接線口訣“帶M的端子連在一起，帶L的端子連在一起”，即1M，2M，3M與M連在一起，1L，2L，3L與L1連在一起。這些接線口訣對于初學者能起到一定作用，但并非適用于所有工況，實際工況是多種多樣的。經過教學分析之后，筆者在PLC課程的第一次課就介紹“虛擬硬繼電器”模型，讓學生一開始就在腦海里樹立起牢固的“虛擬硬繼電器”模型；并且在后面的課堂中，凡涉及I/O模塊，都應用“虛擬硬繼電器”模型來分析問題。經過幾輪教學實踐，取得了良好效果，在實訓教學任務中，學生都能進行正確的外部接線，在電氣自動化專業(yè)、機電一體化專業(yè)的技能抽查中，學生的PLC模塊硬件接線部分的平均得分率由原來的92.3%提高到98.5%。

曾有學生在課程快要結束時提出問題“PLC里面的程序是怎樣控制PLC外面的電磁閥的？”筆者認為這是對PLC工作原理沒有達到深刻理解、靈活運用的緣故。因此，在每個教學項目的梯形圖編程中，筆者都要求學生運用虛擬硬繼電器模型分析程序的執(zhí)行過程，通過重復訓練、刻意練習學生能夠清晰地理解PLC工作原理，提高了結構化程序的正確率。在專業(yè)技能抽查中，學生的PLC模塊軟件編程部分的平均得分率由之前的88.4%提高到95.5%。另據(jù)參加省級和國家級技能大賽的學生反饋，虛擬硬繼電器模型給他們提供了一個強有力的工具，對比賽現(xiàn)場的故障診斷、軟硬聯(lián)調幫助很大。

3 結語

為進一步提高教學效果，針對PLC開關量輸入/輸出模塊的電路特點，提出虛擬硬繼電器模型，將每個數(shù)字量輸入端或輸出端的內部接口電路等效成一個虛擬的硬繼電器。教學實踐表明，運用虛擬硬繼電器模型學生能牢固掌握PLC數(shù)字控制系統(tǒng)的外部接線，清晰理解PLC的工作原理，為梯形圖編程打下良好基礎。