七. PLC的工作原理

　　最初研制生產(chǎn)的PLC主要用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的由繼電器接觸器構(gòu)成的控制裝置，但這兩者的運(yùn)行方式是不相同的：

　　（1）繼電器控制裝置采用硬邏輯并行運(yùn)行的方式，即如果這個(gè)繼電器的線圈通電或斷電，該繼電器所有的觸點(diǎn)（包括其常開(kāi)或常閉觸點(diǎn)）在繼電器控制線路的哪個(gè)位置上都會(huì)立即同時(shí)動(dòng)作。

　?。?）PLC的CPU則采用順序邏輯掃描用戶程序的運(yùn)行方式，即如果一個(gè)輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開(kāi)，該線圈的所有觸點(diǎn)(包括其常開(kāi)或常閉觸點(diǎn))不會(huì)立即動(dòng)作，必須等掃描到該觸點(diǎn)時(shí)才會(huì)動(dòng)作。

　　為了消除二者之間由于運(yùn)行方式不同而造成的差異，考慮到繼電器控制裝置各類觸點(diǎn)的動(dòng)作時(shí)間一般在100ms以上，而PLC掃描用戶程序的時(shí)間一般均小于100ms，因此，PLC采用了一種不同于一般微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)行方式---掃描技術(shù)。這樣在對(duì)于I/O響應(yīng)要求不高的場(chǎng)合，PLC與繼電器控制裝置的處理結(jié)果上就沒(méi)有什么區(qū)別了。

　　 1、掃描技術(shù) 當(dāng)PLC投入運(yùn)行后，其工作過(guò)程一般分為三個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。完成上述三個(gè)階段稱作一個(gè)掃描周期。在整個(gè)運(yùn)行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段。

　?。?）輸入采樣階段

　　在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)得單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)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(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會(huì)改變。因此，如果輸入是脈沖信號(hào)，則該脈沖信號(hào)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。

　?。?）用戶程序執(zhí)行階段

　　在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(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(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。即，在用戶程序執(zhí)行過(guò)程中，只有輸入點(diǎn)在I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生變化，而其他輸出點(diǎn)和軟設(shè)備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會(huì)對(duì)排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個(gè)掃描周期才能對(duì)排在其上面的程序起作用。

　?。?）輸出刷新階段

　　當(dāng)掃描用戶程序結(jié)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(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的外設(shè)。這時(shí)，才是PLC的真正輸出。

　　 2、PLC的I/O響應(yīng)時(shí)間

　　為了增強(qiáng)PLC的抗干擾能力，提高其可*性，PLC的每個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入端都采用光電隔離等技術(shù)。為了能實(shí)現(xiàn)繼電器控制線路的硬邏輯并行控制，PLC采用了不同于一般微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)行方式（掃描技術(shù)）。以上兩個(gè)主要原因，使得PLC得I/O響應(yīng)比一般微型計(jì)算機(jī)構(gòu)成的工業(yè)控制系統(tǒng)滿的多，其響應(yīng)時(shí)間至少等于一個(gè)掃描周期，一般均大于一個(gè)掃描周期甚至更長(zhǎng)。所謂I/O響應(yīng)時(shí)間指從PLC的某一輸入信號(hào)變化開(kāi)始到系統(tǒng)有關(guān)輸出端信號(hào)的改變所需的時(shí)間

　　八. PLC的I/O系統(tǒng)

　　 1、I/O尋址方式

　　 PLC的硬件結(jié)構(gòu)主要分單元式和模塊式兩種。前者將PLC的主要部分(包括I/O系統(tǒng)和電源等)全部安裝在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)。后者將PLC的主要硬件部分分別制成模塊，然后由用戶根據(jù)需要將所選用的模塊插入PLC機(jī)架上的槽內(nèi)，構(gòu)成一個(gè)PLC系統(tǒng)。不論采取哪一種硬件結(jié)構(gòu)，都必須確立用于連接工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)輸入/輸出點(diǎn)與PLC的I/O映象區(qū)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即給每一個(gè)輸入/輸出點(diǎn)以明確的地址確立這種對(duì)應(yīng)關(guān)系所采用得方式稱為I/O尋址方式。

　　 I/O尋址方式有以下三種：

　　（1）固定的I/O尋址方式這種I/O尋址方式是由PLC制造廠家在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)PLC時(shí)確定的，它的每一個(gè)輸入/輸出點(diǎn)都有一個(gè)明確的固定不變的地址。一般來(lái)說(shuō)，單元式的PLC采用這種I/O尋址方式。

　?。?）開(kāi)關(guān)設(shè)定的I/O尋址方式這種I/O尋址方式是由用戶通過(guò)對(duì)機(jī)架和模塊上的開(kāi)關(guān)位置的設(shè)定來(lái)確定的。

　?。?）用軟件來(lái)設(shè)定的I/O尋址方式這種I/O尋址方式是有用戶通過(guò)軟件來(lái)編制I/O地址分配表來(lái)確定的

　　PLC程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言介紹　

　　在PLC中有多種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言,它們是梯形圖語(yǔ)言、布爾助記符語(yǔ)言、功能表圖語(yǔ)言、功能模塊圖語(yǔ)言及結(jié)構(gòu)化語(yǔ)句描述語(yǔ)言等。梯形圖語(yǔ)言和布爾助記符語(yǔ)言是基本程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它通常由一系列指令組成，用這些指令可以完成大多數(shù)簡(jiǎn)單的控制功能，例如，代替繼電器、計(jì)數(shù)器、計(jì)時(shí)器完成順序控制和邏輯控制等，通過(guò)擴(kuò)展或增強(qiáng)指令集，它們也能執(zhí)行其它的基本操作。功能表圖語(yǔ)言和語(yǔ)句描述語(yǔ)言是高級(jí)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它可根據(jù)需要去執(zhí)行更有效的操作，例如，模擬量的控制，數(shù)據(jù)的操縱，報(bào)表的報(bào)印和其他基本程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言無(wú)法完成的功能。功能模塊圖語(yǔ)言采用功能模塊圖的形式，通過(guò)軟連接的方式完成所要求的控制功能，它不僅在PLC中得到了廣泛的應(yīng)用，在集散控制系統(tǒng)的編程和組態(tài)時(shí)也常常被采用，由于它具有連接方便、操作簡(jiǎn)單、易于掌握等特點(diǎn)，為廣大工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用人員所喜愛(ài)。

　　根據(jù)PLC應(yīng)用范圍，程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言可以組合使用，常用的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言是：梯形圖程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言；布爾助記符程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（語(yǔ)句表）；功能表圖程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言；功能模塊圖程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言；結(jié)構(gòu)化語(yǔ)句描述程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言；梯形圖與結(jié)構(gòu)化語(yǔ)句描述程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言；布爾助記符與功能表圖程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言；布爾助記符與結(jié)構(gòu)化語(yǔ)句描述程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。

　　 1、梯形圖（Ladder Diagram）

　　程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言梯形圖程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言是用梯形圖的圖形符號(hào)來(lái)描述程序的一種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。采用梯形圖程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，程序采用梯形圖的形式描述。這種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言采用因果關(guān)系來(lái)描述事件發(fā)生的條件和結(jié)果。每個(gè)梯級(jí)是一個(gè)因果關(guān)系。在梯級(jí)中，描述事件發(fā)生的條件表示在左面，事件發(fā)生的結(jié)果表示在后面。梯形圖程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言是最常用的一種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。它來(lái)源于繼電器邏輯控制系統(tǒng)的描述。

　　在工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域，電氣技術(shù)人員對(duì)繼電器邏輯控制技術(shù)較為熟悉，因此，由這種邏輯控制技術(shù)發(fā)展而來(lái)的梯形圖受到了歡迎，并得到了廣泛的應(yīng)用。梯形圖程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的特點(diǎn)是：（1）與電氣操作原理圖相對(duì)應(yīng)，具有直觀性和對(duì)應(yīng)性；

　?。?）與原有繼電器邏輯控制技術(shù)相一致，對(duì)電氣技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，易于撐握和學(xué)習(xí)；

　?。?）與原有的繼電器邏輯控制技術(shù)的不同點(diǎn)是，梯形圖中的能流（Power FLow）不是實(shí)際意義的電流，內(nèi)部的繼電器也不是實(shí)際存在的繼電器，因此，應(yīng)用時(shí)，需與原有繼電器邏輯控制技術(shù)的有關(guān)概念區(qū)別對(duì)待；

　?。?）與布爾助記符程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，便于相互的轉(zhuǎn)換和程序的檢查。

　　 2、布爾助記符（Boolean Mnemonic）

　　程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言布爾助記符程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言是用布爾助記符來(lái)描述程序的一種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。布爾助記符程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言與計(jì)算機(jī)中的匯編語(yǔ)言非常相似，采用布爾助記符來(lái)表示操作功能。

　　布爾助記符程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言具有下列特點(diǎn)：

　　（1）采用助記符來(lái)表示操作功能，具有容易記憶，便于撐握的特點(diǎn)；

　?。?）在編程器的鍵盤上采用助記符表示，具有便于操作的特點(diǎn)，可在無(wú)計(jì)算機(jī)的場(chǎng)合進(jìn)行編程設(shè)計(jì)；

　?。?）與梯形圖有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。其特點(diǎn)與梯形圖語(yǔ)言基本類同。

　　 3、功能表圖（Sepuential Function Chart）

　　程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言功能表圖程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言是用功能表圖來(lái)描述程序的一種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。它是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。采用功能表圖的描述，控制系統(tǒng)被分為若干個(gè)子系統(tǒng)，從功能入手，使系統(tǒng)的操作具有明確的含義，便于設(shè)計(jì)人員和操作人員設(shè)計(jì)思想的溝通，便于程序的分工設(shè)計(jì)和檢查調(diào)試。

　　功能表圖程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的特點(diǎn)是：

　　（1）以功能為主線，條理清楚，便于對(duì)程序操作的理解和溝通；

　?。?）對(duì)大型的程序，可分工設(shè)計(jì)，采用較為靈活的程序結(jié)構(gòu)，可節(jié)省程序設(shè)計(jì)時(shí)間和調(diào)試時(shí)間；

　?。?）常用于系統(tǒng)的規(guī)模校大，程序關(guān)系較復(fù)雜的場(chǎng)合；

　?。?）只有在活動(dòng)步的命令和操作被執(zhí)行，對(duì)活動(dòng)步后的轉(zhuǎn)換進(jìn)行掃描，因此，整個(gè)程序的掃描時(shí)間較其他程序編制的程序掃描時(shí)間要大大縮短。功能表圖來(lái)源于佩特利（Petri）網(wǎng)，由于它具有圖形表達(dá)方式，能較簡(jiǎn)單和清楚地描述并發(fā)系統(tǒng)和復(fù)雜系統(tǒng)的所有現(xiàn)象，并能對(duì)系統(tǒng)中存有的象死鎖、不安全等反?，F(xiàn)象進(jìn)行分析和建模，在模型的基礎(chǔ)上能直接編程，所以，得到了文泛的應(yīng)用。近幾年推出的PLC和小型集散控制系統(tǒng)中也已提供了采用功能表圖描述語(yǔ)言進(jìn)行編程的軟件。關(guān)于佩特利（Petri）網(wǎng)的一些基本概念，我在以后有機(jī)會(huì)時(shí)再介紹給各位，以有助于對(duì)功能表圖的進(jìn)一步理解。

　　 4、功能模塊圖（Function Block）

　　程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言功能模塊圖程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言是采用功能模塊來(lái)表示模塊所具有的功能，不同的功能模塊有不同的功能。它有若干個(gè)輸入端和輸出端，通過(guò)軟連接的方式，分別連接到所需的其它端子，完成所需的控制運(yùn)算或控制功能。功能模塊可以分為不同的類型，在同一種類型中，也可能因功能參數(shù)的不同而使功能或應(yīng)用范圍有所差別，例如，輸入端的數(shù)量、輸入信號(hào)的類型等的不同使它的使用范圍不同。由于采用軟連接的方式進(jìn)行功能模塊之間及功能模塊與外部端子的連接，因此控制方案的更改、信號(hào)連接的替換等操作可以很方便實(shí)現(xiàn)。

　　功能模塊圖程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的特點(diǎn)是：

　　（1）以功能模塊為單位，從控制功能入手，使控制方案的分析和理解變得容易；

　　（2）功能模塊是用圖形化的方法描述功能，它的直觀性大大方便了設(shè)計(jì)人員的編程和組態(tài)，有較好的易操作性；

　?。?）對(duì)控制規(guī)模較大、控制關(guān)系較復(fù)錄的系統(tǒng)，由于控制功能的關(guān)系可以較清楚地表達(dá)出來(lái)，因此，編程和組態(tài)時(shí)間可以縮短，調(diào)試時(shí)間也能減少；

　?。?）由于每種功能模塊需要占用一定的程序內(nèi)存，對(duì)功能模塊的執(zhí)行需要一定的執(zhí)行時(shí)間，因此，這種設(shè)計(jì)語(yǔ)言在大中型PLC和集散控制系統(tǒng)的編程和組態(tài)中才被采用。

　　 5、結(jié)構(gòu)化語(yǔ)句（Structured Text）

　　描述程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言結(jié)構(gòu)化語(yǔ)句描述程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言是用結(jié)構(gòu)化的描述語(yǔ)句來(lái)描述程序的一種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。它是一種類似于高級(jí)語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。在大中型的PLC系統(tǒng)中，常采用結(jié)構(gòu)化語(yǔ)句描述程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言來(lái)描述控制系統(tǒng)中各個(gè)變量的關(guān)系。它也被用于集散控制系統(tǒng)的編程和組態(tài)。結(jié)構(gòu)化語(yǔ)句描述程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言采用計(jì)算機(jī)的描述語(yǔ)句來(lái)描述系統(tǒng)中各種變量之間的各種運(yùn)算關(guān)系，完成所需的功能或操作。大多數(shù)制造廠商采用的語(yǔ)句描述程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言與BASIC語(yǔ)言、PASCAL語(yǔ)言或C語(yǔ)言等高級(jí)語(yǔ)言相類似，但為了應(yīng)用方便，在語(yǔ)句的表達(dá)方法及語(yǔ)句的種類等方面都進(jìn)行了簡(jiǎn)化。

　　結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言具有下列特點(diǎn)：

　?。?）采用高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行編程，可以完成較復(fù)雜的控制運(yùn)算；

　?。?）需要有一定的計(jì)算機(jī)高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的知識(shí)和編程技巧，對(duì)編程人員的技能要求較高，普通電氣人員無(wú)法完成。

　　（3）直觀性和易操作性等性能較差；

　　（4）常被用于采用功能模塊等其他語(yǔ)言較難實(shí)現(xiàn)的一些控制功能的實(shí)施。部分PLC的制造廠商為用戶提供了簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它與助記符程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言相似，對(duì)程序的步數(shù)有一定的限制，同時(shí)，提供了與PLC間的接口或通信連接程序的編制方式，為用戶的應(yīng)用程序提供了擴(kuò)展余地。