PLC控制系統(tǒng)的工作原理

　　1  PLC控制系統(tǒng)的工作原理

　　PLC是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，它的工作原理建立在計(jì)算機(jī)工作原理之上，即通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來完成。

　　1.1   PLC可編程控制器的基本工作原理

　　PLC以微處理器為核心，具有微機(jī)的許多特點(diǎn)，但它的工作方式卻與微機(jī)有很大不同。

　　微機(jī)一般采用等待命令的工作方式工作。

　　PLC是按集中輸入、集中輸出，周期性循環(huán)掃描的方式進(jìn)行工作的。每一次循環(huán)掃描所用的時(shí)間稱為一個掃描周期。

　　對每個程序，CPU從第一條指令開始執(zhí)行，按順序逐條地執(zhí)行指令做周期性的程序循環(huán)掃描，如果無跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至結(jié)束又返回第一條指令，如此周而復(fù)始不斷循環(huán)。

　　PLC在每次掃描工作過程中除了執(zhí)行用戶程序外，還要完成內(nèi)部處理、輸入采樣、通信服務(wù)、程序執(zhí)行、自診斷、輸出刷新等工作。PLC工作的全過程包括三個部分，即上電處理、掃描過程和出錯處理。PLC工作的全過程可用圖4所示的運(yùn)行框圖來表示。

　　在圖4中，PLC通電后，CPU在系統(tǒng)程序的控制下先進(jìn)行內(nèi)部處理，包括硬件初始化、I/O模塊配置檢查、停電保持范圍設(shè)定及其他初始化處理等工作。

　　PLC有很強(qiáng)的自診斷功能，PLC每掃描一次執(zhí)行一次自診斷檢查，確定PLC自身的動作是否正常，如電源檢測、內(nèi)部硬件是否正常、程序語法是否有錯等。如檢查出異常時(shí)，CPU面板的LED及異常繼電器會接通，在特殊寄存器中會存入出錯代碼；CPU能根據(jù)錯誤類型和程度發(fā)出信號，甚至進(jìn)行相應(yīng)的出錯處理，使PLC停止掃描或強(qiáng)制變成STOP狀態(tài)。

　　PLC運(yùn)行正常時(shí)，掃描周期的長短與用戶應(yīng)用程序的長短、CPU的運(yùn)算速度、I/O點(diǎn)的情況等有關(guān)。通常用PLC執(zhí)行1KB指令所需時(shí)間來說明其掃描速度（一般1-10ms/KB）。值得注意的是，不同指令執(zhí)行時(shí)間是不同的，故選用不同指令所用的掃描時(shí)間將會不同。若用于高速系統(tǒng)要縮短掃描周期時(shí)，可從軟硬件上同時(shí)考慮。PLC周期性循環(huán)掃描工作方式的顯著特點(diǎn)是：可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，但響應(yīng)滯后、速度慢。

　　1.2 PLC控制系統(tǒng)的掃描工作過程

　　PLC執(zhí)行程序的過程分為三個階段，即輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段、輸出刷新階段，PLC的掃描工作過程如圖5所示。

　　（1）輸入采樣階段。在這一階段中，PLC以掃描方式讀入所有輸入端子上的輸入信號，并將各輸入狀態(tài)存入對應(yīng)的輸入映像寄存器中。此時(shí)，輸入映像寄存器被刷斷。在程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段中，輸入映像存儲器與外界隔離，其內(nèi)容保持不變，直至下一個掃描周期的輸入掃描階段，才被重新讀入的輸入信號刷新?？梢?，PLC在執(zhí)行程序和處理數(shù)據(jù)時(shí)，不直接使用現(xiàn)場當(dāng)時(shí)的輸入信號，而使用本次采樣時(shí)輸入到映像區(qū)中的數(shù)據(jù)。一般來說，輸入信號的寬度要大于一個掃描周期，否則可能造成信號的丟失。

　　（2）程序執(zhí)行階段。在執(zhí)行用戶程序過程中，PLC按照梯形圖程序掃描原則，一般來說，PLC按從左至右、從上到下的步驟逐個執(zhí)行程序。但遇到程序跳轉(zhuǎn)指令，則根據(jù)跳轉(zhuǎn)條件是否滿足來決定程序跳轉(zhuǎn)地址。程序執(zhí)行過程中，當(dāng)指令中涉及輸入、輸出狀態(tài)時(shí)，PLC就從輸入映像寄存器中“讀入”對應(yīng)輸入端子狀態(tài)，從輸出映像寄存器“讀入”對應(yīng)元件（“軟繼電器”）的當(dāng)前狀態(tài)。然后進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果再存入輸出映像寄存器中。對輸出映像寄存器來說，每一個元件（“軟繼電器”）的狀態(tài)會隨著程序執(zhí)行過程而變化。

　?。?）輸出刷新階段。程序執(zhí)行階段的運(yùn)算結(jié)果被存入輸出映像區(qū)，而不送到輸出端口上。在輸出刷新階段，PLC將輸出映像區(qū)中的輸出變量送入輸出鎖存器，然后由鎖存器通過輸出模塊產(chǎn)生本周期的控制輸出。如果內(nèi)部輸出繼電器的狀態(tài)為“1”，則輸出繼電器觸點(diǎn)閉合，經(jīng)過輸出端子驅(qū)動外部負(fù)載。全部輸出設(shè)備的狀態(tài)要保持一個掃描周期。

　　● 輸入/輸出滯后問題：

　　當(dāng)PLC的輸入端輸入信號發(fā)生變化PLC輸出端對該輸入變化做出反應(yīng)需要一段時(shí)間，這種現(xiàn)象稱為PLC輸入/輸出響應(yīng)滯后。

　　由上述分析可知，掃描周期的長短主要取決于程序的長短。掃描周期越長，響應(yīng)速度越慢。由于每一個掃描周期只進(jìn)行一次I/O刷新，即每一個掃描周期PLC只對輸人、輸出狀態(tài)寄存器更新一次，故使系統(tǒng)存在輸人、輸出滯后現(xiàn)象，這在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。工業(yè)現(xiàn)場的干擾常常是脈沖式的、短時(shí)的，PLC的輸入/輸出響應(yīng)滯后，對一般的工業(yè)控制要求，是完全允許的，還可以起到增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。

　　但是，對于控制時(shí)間要求嚴(yán)格、響應(yīng)速度要求較快的系統(tǒng)，就要采取措施減小輸入/輸出滯后的不利影響。

　　2 PLC控制系統(tǒng)的編程語言

　　PLC的編程語言與一般計(jì)算機(jī)語言相比具有明顯的特點(diǎn)，它既不同于一般高級語言，也不同于一般匯編語言，它既要易于編寫又要易于調(diào)試。目前，還沒有一種對各廠家產(chǎn)品都能兼容的編程語言。

　　目前，PLC為用戶提供了多種編程語言，以適應(yīng)編制用戶程序的需要，PLC提供的編程語言通常有以下幾種：梯形圖、指令表、順序功能圖和功能塊圖

　　2.1、梯形圖

　　梯形圖編程語言是從繼電器控制系統(tǒng)原理圖的基礎(chǔ)上演變而來的。PLC的梯形圖與繼電器控制系統(tǒng)梯形圖的基本思想是一致的，但是在使用符號和表達(dá)式等方面有一定區(qū)別。

　　梯形圖具有形象、直觀、簡單明了，易于理解的特點(diǎn)，特別適合開關(guān)量邏輯控制，是PLC基本、普遍的編程語言。

　　2.2、語句表（STL）

　　語句表是用助記符來表達(dá)PLC的各種功能。它類似計(jì)算機(jī)的匯編語言，但比匯編語言通俗易懂，也是較為廣泛應(yīng)用的一種編程語言。使用語句表編程時(shí)，編程設(shè)備簡單，邏輯緊湊、系統(tǒng)化，連接范圍不受限制，但比較抽象。一般可以與梯形圖互相轉(zhuǎn)化，互為補(bǔ)充。目前，大多數(shù)PLC都有語句表編程功能。

　　2.3、。功能塊圖（FBD）

　　邏輯功能圖是一種由邏輯功能符號組成的功能塊來表達(dá)命令的圖形語言，這種編程語言基本上沿用了半導(dǎo)體邏輯電路的邏輯方塊圖。對每一種功能都使用一個運(yùn)算方塊，其運(yùn)算功能由方塊內(nèi)的符號確定。對于熟悉邏輯電路和具有邏輯代數(shù)基礎(chǔ)的人員來說，使用非常方便。

　　2.4、 順序功能圖(SFC)

　　順序功能圖編程是一種圖形化的編程方法，亦稱功能圖。它的編程方式采用畫工藝流程圖的方法編程，只要在每個工藝方框的輸入和輸出端，標(biāo)上特定的符號即可。采用順序功能圖編程，可以使具有并發(fā)、選擇等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)控制程序大為簡化。許多PLC都提供了用于SFC編程的指令，它是一種效果顯著、深受歡迎的編程語言，目前國際電工委員會（IEC）也正在實(shí)施并發(fā)展這種語言的編程標(biāo)準(zhǔn)