第三節(jié) PLC的工作原理

PLC是基于電子計(jì)算機(jī)的工業(yè)控制器，從PLC產(chǎn)生的背景來(lái)看，PLC系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)有著極深的淵源，因此一個(gè)繼電器控制系統(tǒng)必然包含：輸入部分、邏輯電路部分和輸出部分。輸入部分的組成元件大體上是各類按鈕、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、行程開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)等；輸出部分則是各種電磁閥線圈、接觸器、信號(hào)指示燈等執(zhí)行元件。將輸入與輸出聯(lián)系起來(lái)的就是邏輯電路部分，一般由繼電器、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器等器件的觸點(diǎn)、線圈按照要求的邏輯關(guān)系連接而成，能夠根據(jù)一定的輸入狀態(tài)輸出所要求的控制動(dòng)作。

PLC系統(tǒng)也同樣包含這三部分，唯一的區(qū)別是，PLC的邏輯電路部分用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，用戶所編制的控制程序體現(xiàn)了特定的輸入/輸出邏輯關(guān)系。舉例來(lái)說(shuō)，如圖1-2所示為一個(gè)典型的起動(dòng)/停止控制電路，由繼電器元件組成。電路中有兩個(gè)輸入，分別為起動(dòng)按鈕（SB1）、停止按鈕（SB2）；1個(gè)輸出為接觸器KM。圖中的輸入/輸出邏輯關(guān)系由硬件連線實(shí)現(xiàn)。

圖1-2 繼電器起動(dòng)/停止控制電路

當(dāng)用PLC來(lái)完成這個(gè)控制任務(wù)時(shí)，可將輸入條件接入PLC，而用PLC的輸出單元驅(qū)動(dòng)接觸器KM，它們之間要滿足的邏輯關(guān)系由程序?qū)崿F(xiàn)。與圖1-2等效的PLC等效電路如圖1-3所示。

兩個(gè)輸入按鈕信號(hào)經(jīng)過(guò)PLC的接線端子進(jìn)入輸入接口電路，PLC的輸出經(jīng)過(guò)輸出接口、輸出端子驅(qū)動(dòng)接觸器KM；用戶程序所采用的編程語(yǔ)言為梯形圖語(yǔ)言。兩個(gè)輸入分別接入X403和X407端口，輸出所用端口為Y432，圖中只畫出8個(gè)輸入端口和8個(gè)輸出端口，實(shí)際使用時(shí)可任意選用。輸入映像對(duì)應(yīng)的是PLC內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，而非實(shí)際的繼電器線圈。

圖中的X400～X407、Y430～Y437分別表示輸入、輸出端口的地址，也對(duì)應(yīng)著存儲(chǔ)器空間中特定的存儲(chǔ)位，這些位的狀態(tài)（ON或者OFF）表示相應(yīng)輸入、輸出端口的狀態(tài)。每一個(gè)輸入、輸出端口的地址是唯一固定的，PLC的接線端子號(hào)與這些地址一一對(duì)應(yīng)。由于所有的輸入、輸出狀態(tài)都是由存儲(chǔ)器位來(lái)表示的，它們并不是物理上實(shí)際存在的繼電器線圈，所以常稱它們?yōu)椤败浽保鼈兊某ｉ_(kāi)、常閉觸點(diǎn)可以在程序中無(wú)限次使用。

PLC的工作過(guò)程以循環(huán)掃描的方式進(jìn)行，當(dāng)PLC處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，它的運(yùn)行周期可以劃分為3個(gè)基本階段：輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段、輸出刷新階段。

圖1-3 PLC等效電路

1.輸入采樣階段

在這個(gè)階段，PLC逐個(gè)掃描每個(gè)輸入端口，將所有輸入設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)保存到相應(yīng)的存儲(chǔ)區(qū)，我們把專用于存儲(chǔ)輸入設(shè)備狀態(tài)的存儲(chǔ)區(qū)稱為輸入映像寄存器，圖1-3中以線圈形式標(biāo)出的X403、X407，實(shí)際上是輸入映像寄存器的形象比喻。

輸入映像寄存器的狀態(tài)被刷新后，將一直保存，直至下一個(gè)循環(huán)才會(huì)被重新刷新，所以當(dāng)輸入采樣階段結(jié)束后，如果輸入設(shè)備的狀態(tài)發(fā)生變化，也只能在下一個(gè)周期才能被PLC接收到。

2.程序執(zhí)行階段

PLC將所有的輸入狀態(tài)采集完畢后，進(jìn)入用戶程序的執(zhí)行階段。所謂用戶程序的執(zhí)行，并非是系統(tǒng)將CPU的工作交由用戶程序來(lái)管理，CPU所執(zhí)行的指令仍然是系統(tǒng)程序中的指令。在系統(tǒng)程序的指示下，CPU從用戶程序存儲(chǔ)區(qū)逐條讀取用戶指令，經(jīng)解釋后執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，產(chǎn)生相應(yīng)結(jié)果，刷新相應(yīng)的輸出映像寄存器，期間需要用到輸入映像寄存器、輸出映像寄存器的相應(yīng)狀態(tài)。

當(dāng)CPU在系統(tǒng)程序的管理下掃描用戶程序時(shí)，按照先上后下、先左后右的順序依次讀取梯形圖中的指令。以圖1-3中的用戶程序?yàn)槔珻PU首先讀到的是常開(kāi)觸點(diǎn)X403，然后在輸入映像寄存器中找到X403的當(dāng)前狀態(tài)，接著從輸出映像寄存器中得到Y(jié)432的當(dāng)前狀態(tài)，兩者的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行“或”邏輯運(yùn)算，結(jié)果暫存；CPU讀到的下一條梯形圖指令是X407的常閉觸點(diǎn)，同樣從輸入映像寄存器中得到X407的狀態(tài)，將X407常閉觸點(diǎn)的當(dāng)前狀態(tài)與上一步的暫存結(jié)果進(jìn)行邏輯“與”運(yùn)算，最后根據(jù)運(yùn)算結(jié)果得到輸出線圈Y432的狀態(tài)（“ON”或者“OFF”），并將其保存到輸出映像寄存器中，也就是對(duì)輸出映像寄存器進(jìn)行了刷新。請(qǐng)注意，在程序執(zhí)行過(guò)程中用到了Y432的狀態(tài)，這個(gè)狀態(tài)是上一個(gè)周期執(zhí)行的結(jié)果。

當(dāng)用戶程序被完全掃描一遍后，所有的輸出映像都被依次刷新，系統(tǒng)將進(jìn)入下一個(gè)階段，即輸出刷新階段。

3.輸出刷新階段

在這個(gè)階段，系統(tǒng)程序?qū)⑤敵鲇诚窦拇嫫髦械膬?nèi)容傳送到輸出鎖存器中，經(jīng)過(guò)輸出接口或輸出端子輸出，驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。輸出鎖存器一直將狀態(tài)保持到下一個(gè)循環(huán)周期，而輸出映像寄存器的狀態(tài)在程序執(zhí)行階段是動(dòng)態(tài)的。

4.總結(jié)

根據(jù)上述過(guò)程的描述，可對(duì)PLC工作過(guò)程的特點(diǎn)總結(jié)如下：

1）PLC采用集中采樣、集中輸出的工作方式，這種方式減少了外界干擾的影響。

2）PLC的工作過(guò)程是循環(huán)掃描的過(guò)程，循環(huán)掃描時(shí)間的長(zhǎng)短取決于指令執(zhí)行速度、用戶程序的長(zhǎng)度等因素。

3）輸出對(duì)輸入的響應(yīng)有滯后現(xiàn)象。PLC采用集中采樣、集中輸出的工作方式，當(dāng)采樣階段結(jié)束后，輸入狀態(tài)的變化將要等到下一個(gè)采樣周期才能被接收，因此這個(gè)滯后時(shí)間的長(zhǎng)短又主要取決于循環(huán)周期的長(zhǎng)短。此外，影響滯后時(shí)間的因素還有輸入電路濾波時(shí)間、輸出電路的滯后時(shí)間等。

4）輸出映像寄存器的內(nèi)容取決于用戶程序掃描執(zhí)行的結(jié)果。

5）輸出鎖存器的內(nèi)容，由上一次輸出刷新期間輸出映像寄存器中的數(shù)據(jù)決定。

6）PLC當(dāng)前實(shí)際的輸出狀態(tài)，由輸出鎖存器的內(nèi)容決定。

需要補(bǔ)充說(shuō)明的是，當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模較大、I/O點(diǎn)數(shù)眾多、用戶程序比較長(zhǎng)時(shí)，單純采用上面的循環(huán)掃描工作方式會(huì)使系統(tǒng)的響應(yīng)速度明顯降低，甚至?xí)G失、錯(cuò)漏高頻輸入信號(hào)，因此大多數(shù)大中型PLC在盡量提高程序指令執(zhí)行速度的同時(shí)，也采取了一些其他措施來(lái)加快系統(tǒng)響應(yīng)速度。例如采用定周期輸入采樣、輸出刷新，直接輸入采樣、直接輸出刷新，中斷輸入、輸出，或者開(kāi)發(fā)智能I/O模塊，模塊本身帶有CPU，可以與主機(jī)的CPU并行工作，分擔(dān)一部分任務(wù)，從而加快整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行速度。