plc的基本工作原理

一. 掃描技術(shù)
　　 當PLC投入運行后，其工作過(guò)程一般分為三個(gè)階段，即輸入采樣、用戶(hù)程序執行和輸出刷新三個(gè)階段。完成上述三個(gè)階段稱(chēng)作一個(gè)掃描周期。在整個(gè)運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執行上述三個(gè)階段。
(一) 輸入采樣階段
　　在輸入采樣階段，PLC以?huà)呙璺绞揭来蔚刈x入所有輸入狀態(tài)和數據，并將它們存入I/O映象區中的相應得單元內。輸入采樣結束后，轉入用戶(hù)程序執行和輸出刷新階段。在這兩個(gè)階段中，即使輸入狀態(tài)和數據發(fā)生變化，I/O映象區中的相應單元的狀態(tài)和數據也不會(huì )改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個(gè)掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。
(二) 用戶(hù)程序執行階段
　　在用戶(hù)程序執行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶(hù)程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構成的控制線(xiàn)路，并按先左后右、先上后下的順序對由觸點(diǎn)構成的控制線(xiàn)路進(jìn)行邏輯運算，然后根據邏輯運算的結果，刷新該邏輯線(xiàn)圈在系統RAM存儲區中對應位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線(xiàn)圈在I/O映象區中對應位的狀態(tài)；或者確定是否要執行該梯形圖所規定的特殊功能指令。
　　即，在用戶(hù)程序執行過(guò)程中，只有輸入點(diǎn)在I/O映象區內的狀態(tài)和數據不會(huì )發(fā)生變化，而其他輸出點(diǎn)和軟設備在I/O映象區或系統RAM存儲區內的狀態(tài)和數據都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執行結果會(huì )對排在下面的凡是用到這些線(xiàn)圈或數據的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線(xiàn)圈的狀態(tài)或數據只能到下一個(gè)掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。
(三) 輸出刷新階段
　　當掃描用戶(hù)程序結束后，PLC就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區內對應的狀態(tài)和數據刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅動(dòng)相應的外設。這時(shí)，才是PLC的真正輸出。
　　同樣的若干條梯形圖，其排列次序不同，執行的結果也不同。另外，采用掃描用戶(hù)程序的運行結果與繼電器控制裝置的硬邏輯并行運行的結果有所區別。當然，如果掃描周期所占用的時(shí)間對整個(gè)運行來(lái)說(shuō)可以忽略，那么二者之間就沒(méi)有什么區別了。
　　一般來(lái)說(shuō)，PLC的掃描周期包括自診斷、通訊等，如下圖所示，即一個(gè)掃描周期等于自診斷、通訊、輸入采樣、用戶(hù)程序執行、輸出刷新等所有時(shí)間的總和。

可編程控制器，英文稱(chēng)ProgrammableLogicController，簡(jiǎn)稱(chēng)PLC。PLC是基于電子計算機，且適用于工業(yè)現場(chǎng)工作的電控制器。它源于繼電控制裝置，但它不像繼電裝置那樣，通過(guò)電路的物理過(guò)程實(shí)現控制，而主要靠運行存儲于PLC內存中的程序，進(jìn)行入出信息變換實(shí)現控制。
PLC基于電子計算機，但并不等同于普通計算機。普遍計算機進(jìn)行入出信息變換，多只考慮信息本身，信息的入出，只要人機界面好就可以了。而PLC則還要考慮信息入出的可靠性、實(shí)時(shí)性，以及信息的使用等問(wèn)題。特別要考慮怎么適應于工業(yè)環(huán)境，如便于安裝，抗干擾等問(wèn)題。
1.1實(shí)現控制要點(diǎn)
輸入輸出信息變換、可靠物理實(shí)現，可以說(shuō)是PLC實(shí)現控制的兩個(gè)基本要點(diǎn)。
輸入輸出信息變換靠運行存儲于PLC內存中的程序實(shí)現。PLC程序既有生產(chǎn)廠(chǎng)家的系統程序(不可更改)，又有用戶(hù)自行開(kāi)發(fā)的應用（用戶(hù)）程序。系統程序提供運行平臺，同時(shí)，還為PLC程序可靠運行及信號與信息轉換進(jìn)行必要的公共處理。用戶(hù)程序由用戶(hù)按控制要求設計。什么樣的控制要求，就應有什么樣的用戶(hù)程序。
可靠物理實(shí)現主要靠輸人（INPUT）及輸出（OUTPUT）電路。PLC的I/O電路，都是專(zhuān)門(mén)設計的。輸入電路要對輸入信號進(jìn)行濾波，以去掉高頻干擾。而且與內部計算機電路在電上是隔離的，靠光耦元件建立聯(lián)系。輸出電路內外也是電隔離的，靠光耦元件或輸出繼電器建立聯(lián)系。輸出電路還要進(jìn)行功率放大，以足以帶動(dòng)一般的工業(yè)控制元器件，如電磁閥、接觸器等等。
I/O電路是很多的，每一輸入點(diǎn)或輸出點(diǎn)都要有一個(gè)I或O電路。PLC有多I/O用點(diǎn)，一般也就有多少個(gè)I/O用電路。但由于它們都是由高度集成化的電路組成的，所以，所占體積并不大。
輸入電路時(shí)刻監視著(zhù)輸入狀況，并將其暫存于輸入暫存器中。每一輸入點(diǎn)都有一個(gè)對應的存儲其信息的暫存器。
輸出電路要把輸出鎖存器的信息傳送給輸出點(diǎn)。輸出鎖存器與輸出點(diǎn)也是一一對應的
這里的輸入暫存器及輸出鎖存器實(shí)際就是PLC處理器I/O口的寄存器。它們與計算機內存交換信息通過(guò)計算機總線(xiàn)，并主要由運行系統程序實(shí)現。把輸人暫存器的信息讀到PLC的內存中，稱(chēng)輸入刷新。PLC內存有專(zhuān)門(mén)開(kāi)辟的存放輸入信息的映射區。這個(gè)區的每一對應位（bit）稱(chēng)之為輸入繼電器，或稱(chēng)軟接點(diǎn)。這些位置成1，表示接點(diǎn)通，置成0為接點(diǎn)斷。由于它的狀態(tài)是由輸入刷新得到的，所以，它反映的就是輸入狀態(tài)。
輸出鎖存器與PLC內存中的輸出映射區也是對應的。一個(gè)輸出鎖存器也有一個(gè)內存位（bit）與其對應，這個(gè)位稱(chēng)為輸出繼電器，或稱(chēng)輸出線(xiàn)圈?？窟\行系統程序，輸出繼電器的狀態(tài)映射到輸出鎖存器。這個(gè)映射也稱(chēng)輸出刷新。輸出刷新主要也是靠運行系統程序實(shí)現的。這樣，用戶(hù)所要編的程序只是，內存中輸入映射區到輸出映射區的變換，特別是怎么按輸入的時(shí)序變換成輸出的時(shí)序。這是一個(gè)數據及邏輯處理問(wèn)題。由于PLC有強大的指令系統，編寫(xiě)出滿(mǎn)足這個(gè)要求的程序是完全可能的，而且也是較為容易的。
1.2實(shí)現控制過(guò)程
簡(jiǎn)單地說(shuō)，PLC實(shí)現控制的過(guò)程一般是：

圖1.1 PLC典型開(kāi)機流程
輸入刷新--再運行用戶(hù)程序--再輸出刷新--再輸入刷新--再運行用戶(hù)程序--再輸出刷新……永不停止地循環(huán)反復地進(jìn)行著(zhù)。
圖1.1所示的流程圖反映的就是上述過(guò)程。它也反映了信息的時(shí)間關(guān)系。
有了上述過(guò)程，用PLC實(shí)現控制顯然是可能的。因為：有了輸入刷新，可把輸入電路監控得到的輸入信息存入PLC的輸入映射區；經(jīng)運行用戶(hù)程序，輸出映射區將得到變換后的信息；再經(jīng)輸出刷新，輸出鎖存器將反映輸出映射區的狀態(tài)，并通過(guò)輸出電路產(chǎn)生相應的輸出。又由于這個(gè)過(guò)程是永不停止地循環(huán)反復地進(jìn)行著(zhù)，所以，輸出總是反映輸入的變化的。只是響應的時(shí)間上，略有滯后。當然，這個(gè)滯后不宜太大，否則，所實(shí)現的控制不那么及時(shí)，也就失去控制的意義。
為此，PLC的工作速度要快。速度快、執行指令時(shí)間短，是PLC實(shí)現控制的基礎。事實(shí)上，它的速度是很快的，執行一條指令，多的幾微秒、幾十微秒，少的才零點(diǎn)幾，或零點(diǎn)零幾微秒。而且這個(gè)速度還在不斷提高中。
圖1.1所示的過(guò)程是簡(jiǎn)化的過(guò)程，實(shí)際的PLC工作過(guò)程還要復雜些。除了I/O刷新及運行用戶(hù)程序，還要做些公共處理工作。
公共處理工作有：循環(huán)時(shí)間監控、外設服務(wù)及通訊處理等。
監控循環(huán)時(shí)間的目的是避免"死循環(huán)"，避免程序不能反復不斷地重復執行。辦法是用"看門(mén)狗"（Watchingdog）。只要循環(huán)超時(shí)，它可報警，或作相應處理.
外設服務(wù)是讓PLC可接受編程器對它的操作，或通過(guò)接口向輸出設備如打印機輸出數據.
通訊處理是實(shí)現PLC與PLC，或PLC與計算機，或PLC與其它工業(yè)控制裝置或智能部件間信息交換的。這也是增強PLC控制能力的需要。
也就是說(shuō)，實(shí)際的PLC工作過(guò)程總是：公共處理--I/O刷新--運行用戶(hù)程序--再公共處理--……反復不停地重復著(zhù)。
1.3可編程控制器實(shí)現控制的方式
用這種不斷地重復運行程序實(shí)現控制稱(chēng)掃描方式。是用計算機進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的一種方式。此外，計算機用于控制還有中斷方式。在中斷方式下，需處理的控制先申請中斷，被響應后正運行的程序停止運行，轉而去處理中斷工作（運行有關(guān)中斷服務(wù)程序）。待處理完中斷，又返回運行原來(lái)程序。哪個(gè)控制需要處理，哪個(gè)就去申請中斷。哪個(gè)不需處理，將不被理睬。顯然，中斷方式與掃描方式是不同的。
在中斷方式下，計算機能得到充分利用，緊急的任務(wù)也能得到及時(shí)處理。但是，如果同時(shí)來(lái)了幾個(gè)都要處理的任務(wù)該怎么辦呢？?jì)?yōu)先級高的還好辦，低的呢？可能會(huì )出現照顧不到之處。所以，中斷方式不大適合于工作現場(chǎng)的日常使用。
但是，PLC在用掃描方式為主的情況下，也不排斥中斷方式。即，大量控制都用掃描方式，個(gè)別急需的處理，允許中斷這個(gè)掃描運行的程序，轉而去處理它。這樣，可做到所有的控制都能照顧到，個(gè)別應急的也能進(jìn)行處理。
PLC的實(shí)際工作過(guò)程比這里講的還要復雜一些，分析其基本原理，也還有一些理論問(wèn)題。有關(guān)人員如果能把上面介紹的入出變換、物理實(shí)現--信息處理、I/O電路--空間、時(shí)間關(guān)系--掃描方式并輔以中斷方式，作為一種思路加以研究，弄清了它，也就好理解PLC是怎樣去實(shí)現控制的，也就好把握住PLC基本原理的要點(diǎn)了。