可編程控制器的工作原理

1、可編程控制器的工作原理PLCrtl于自身的特點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)的乞個(gè)領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。而作為PLC 的使用者，要正確地使用PLC去完成齊類控制任務(wù)，首先需要了解PLC的基本工作原理。PLC源于用計(jì)算機(jī)控制來取代繼電接觸器，所以PLC的工作原理與計(jì)算機(jī)的工作原理 基本上是一致的。兩者都是在系統(tǒng)程序的管理卜，通過用戶程序來完成控制任務(wù)。1. PLC的工作方式雖然PLC的工作原理與計(jì)算機(jī)的工作原理基本-致，都具令相同的基本結(jié)構(gòu)和相同的 指令執(zhí)行原理。但是，兩者在工作方式上卻有著重要的區(qū)別，不同點(diǎn)體現(xiàn)在計(jì)算機(jī)運(yùn)行程 序時(shí)，一旦執(zhí)行到END指令，程序運(yùn)行結(jié)束，且計(jì)算機(jī)對(duì)輸入、輸出信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理;

2、 而PLC的CPU采用循壞打描工作方式，當(dāng)程序執(zhí)行到END后，再從頭開始執(zhí)行，周而復(fù) 始地垂復(fù)，立到停機(jī)或從運(yùn)行切換到停止。對(duì)輸入、輸出進(jìn)行集中輸入采樣，集中輸出刷 新。I/O映像區(qū)分別存放執(zhí)行程序之前的各輸入狀態(tài)和執(zhí)行過程中各結(jié)果的狀態(tài)。(1) PLC的循環(huán)掃描工作方式町編程控制器是在破件的支持卜，通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控 制為此PLC采用循環(huán)打描的工作方式。PLC循環(huán)掃描的工作過程如圖21所示，包括五 個(gè)階段：內(nèi)部處理與自診斷、與外設(shè)進(jìn)行通信處理、輸入采樣、用戶程序執(zhí)行、輸出刷新。PLC冇運(yùn)行(RUN)和停止(STOP)兩種基本的工作模式。當(dāng)處于停止(STOP)工作模式

3、時(shí)，只執(zhí)行前兩個(gè)階段，即只作內(nèi)部處理與自診斷，以及 與外部設(shè)備進(jìn)行通信處理：上電復(fù)位后，PLC首先作內(nèi)部初始化處理，清除LO映像區(qū)中 的內(nèi)容；接著作自診斷，檢測(cè)存儲(chǔ)器、CPU及LO部件狀態(tài)，確認(rèn)其是否正常；再進(jìn)行通 信處理，完成各外設(shè)(編程器、打印機(jī)等)的通信連接：還將檢測(cè)是否有中斷請(qǐng)求，若有則 作相應(yīng)中斷處理。在此階段可對(duì)PLC聯(lián)機(jī)下載程序。圖PLC循環(huán)掃描的工作過程上述階段確認(rèn)正常后，并且PLC方式開關(guān)ET-RUN位置時(shí)，PLC才進(jìn)行獨(dú)特的循壞 打描，即周而復(fù)始地執(zhí)行上述所有階段。為了使PLC的輸出及時(shí)地響應(yīng)隨時(shí)町能變化的輸 入信號(hào)，用戶程序不是只執(zhí)行一次，而是不斷地重復(fù)執(zhí)行，直至PLC停

4、機(jī)或切換到STOP 運(yùn)行模式。由于PLC執(zhí)行指令的速度極快，從外部輸入/輸出關(guān)系來看，處理的過程幾乎是 同時(shí)完成的。圖2-2反映了 RUN狀態(tài)下打描的全部過程。圖22 RUN狀態(tài)下掃描的全部過程 輸入采樣階段在PLC的存儲(chǔ)器中，設(shè)置了一片區(qū)域用來存放輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的狀態(tài)，它們分別 被稱為輸入映像寄存器和輸出映像寄存器、PLC梯形圖中的軟元件也冇對(duì)應(yīng)的映像存儲(chǔ)區(qū), 統(tǒng)稱為元件映像存儲(chǔ)器。在輸入采樣階段，PLC的CPU順序打描每個(gè)輸入端，順序讀収每個(gè)輸入端的狀態(tài)，并 將其存入輸入映像寄存器單元中。釆樣結(jié)束后，輸入映像區(qū)被刷新，其內(nèi)容將彼鎖存而保 持著，并將作為程序執(zhí)行時(shí)的條件。PLC在運(yùn)行過程

5、中，所需的輸入信號(hào)不是實(shí)時(shí)取輸入 端子上的信息，而是取輸入映像寄存器中的信息。當(dāng)進(jìn)入程序執(zhí)行階段后，輸入映像區(qū)相應(yīng)單元保存的信息被輸入鎖存器隔離，而不會(huì) 隨著輸入端發(fā)生變化，岡此不會(huì)造成運(yùn)算結(jié)果的混亂，保證了本周期內(nèi)用戶程序的正確執(zhí) 行。在卜一個(gè)打描周期的輸入釆樣階段，輸入端信號(hào)才會(huì)被輸入鎖存器再次送入輸入映像 寄存器的單元中，而進(jìn)行輸入數(shù)據(jù)的刷新。因此為了保證輸入脈沖信號(hào)能被正確讀入，要 求輸入信號(hào)的脈寬必須人于PLC的一個(gè)打描周期。 程序執(zhí)行階段PLC完成輸入采樣后，進(jìn)入程序執(zhí)行階段，PLC從用戶程序的第0步開始，按先上后 卜、先左后右的順序逐條打描用戶梯形圖程序，對(duì)由接點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)

6、行邏輯運(yùn)算。這里的接點(diǎn)就是I/O映像存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的輸入端狀態(tài)，或稱為軟觸點(diǎn)。PLC以接點(diǎn)數(shù)據(jù)為 依據(jù)，根據(jù)用戶程序進(jìn)行邏轎運(yùn)算，并把運(yùn)算結(jié)果存入輸出映像存儲(chǔ)器中。PLC并非并行工作，因此在程序的執(zhí)行過程中，上面邏輯行中線圈狀態(tài)的改變，會(huì)對(duì) 下而的邏輯行中對(duì)應(yīng)的接點(diǎn)狀態(tài)起作用：反之，排在下面的邏輯行中線圈狀態(tài)的改變，只 能等到下一個(gè)打描周期才能對(duì)其上面邏輯行中對(duì)應(yīng)此線圈的接點(diǎn)狀態(tài)起作用。因此，對(duì)于 每一個(gè)元件而言，元件映像存儲(chǔ)器中所存儲(chǔ)的內(nèi)容（除輸入存儲(chǔ)器），會(huì)隨著程序執(zhí)行過程 的變化而變化。當(dāng)所有指令都掃描處理完后，即轉(zhuǎn)入輸出刷新階段。 輸出刷新階段在輸出刷新階段，PLC將輸出映像寄存器中的狀

7、態(tài)信息轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，刷新其 內(nèi)容，改變輸出端子上的狀態(tài)，然后通過輸出驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)被控外設(shè)（負(fù)敦）。這才是PLC 的實(shí)際輸出。（2）PLC輸入，輸岀的特點(diǎn)PLC采取集中輸入采樣、集中輸出刷新的揚(yáng)描方式。因此PLC對(duì)輸入/輸出處理有著 如下特點(diǎn)： 在映像存儲(chǔ)區(qū)中設(shè)置DO映像區(qū)，分別存放執(zhí)行程序之前釆樣的各輸入狀態(tài)和執(zhí)行 程序后各元件的狀態(tài)。 輸入點(diǎn)在DO映像存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)，取決于輸入端子在本掃描周期輸入釆樣階段所 刷新的狀態(tài)，而在程序執(zhí)行和輸出刷新階段，其內(nèi)容不會(huì)發(fā)生改變。 輸出點(diǎn)在I/O映像存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)，取決于程序中輸出指令的執(zhí)行結(jié)果，而任輸入 采樣和輸出刷新階段，其內(nèi)容不會(huì)發(fā)生改變。

8、輸出鎖存電路中的數(shù)據(jù)，取決于上一個(gè)掃描周期輸出刷新階段存入的內(nèi)容，而在輸 入采樣和程序執(zhí)行階段，其內(nèi)容不會(huì)發(fā)生改變。 直接與外部負(fù)載連接的輸出端子的狀態(tài)，取決于輸出鎖存電路輸岀的數(shù)據(jù)。 程序執(zhí)行中所需要的輸入/輸出狀態(tài)，取決于由I/O映像存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)。（3）PLC與傳統(tǒng)繼電器控制的不同PLC的掃|描工作方式與繼電器控制有明顯不同，如表2-1所示。表2J PLC控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)的比較控制系統(tǒng)控制方式線圈通電繼電器硬邏輯并行運(yùn)行方式所有常開/常閉觸點(diǎn)立即動(dòng)作PLC循環(huán)掃描工作方式CPU掃描到的接點(diǎn)才會(huì)動(dòng)作繼電器控制裝置采用喚邏輯并行運(yùn)行的方式，一個(gè)繼電器線圈的通斷，將會(huì)同時(shí)影響 該繼電器

9、的所有常開和常閉觸點(diǎn)動(dòng)作，與觸點(diǎn)在控制線路中所處的位置無關(guān)。PLC的CPU 采用循壞描工作方式，一個(gè)軟繼電器的線圈通斷，只會(huì)影響該繼電器打描到的接點(diǎn)動(dòng)作。 但是，由于CPU的運(yùn)算處理速度很高，使得從外觀上看，用戶程序似乎是同時(shí)執(zhí)行的。2. PLC的掃描周期（1）PLC掃描周期的定義PLC全過程掃描一次所需的時(shí)間定為一個(gè)扌描周期。從圖2-2町知，在PLC上電復(fù)位 后，首先要進(jìn)行初始化工作，如自診斷、與外設(shè)（如編輯器、上位計(jì)算機(jī)）通信等處理。當(dāng) PLC方式開關(guān)置于RUN位置時(shí)，它才進(jìn)入輸入釆樣、程序執(zhí)行、輸出刷新。一個(gè)完整的 疔描周期應(yīng)包含上述五個(gè)階段。（2）PLC掃描周期一個(gè)完整的打描周期可由自

10、診斷時(shí)間、通信時(shí)間、打描I/O時(shí)間和掃描用戶程序時(shí)間 相加得到，其典型值約為1100ms。運(yùn)行的程序，會(huì)在D8012中存放當(dāng)前程序的最人掃描 周期。 自診斷時(shí)間：同型號(hào)的PLC的自診斷時(shí)間通常是相同的，如三菱FX2系列機(jī)自診 斷時(shí)間為。 通信時(shí)間：取決于連接的外部設(shè)備數(shù)量，若連接外部設(shè)備為零，則通信時(shí)間為0。 掃描I/O時(shí)間：等于亦描的"O總點(diǎn)數(shù)與每點(diǎn)打描速度的乘積。 掃描用戶程序時(shí)間：等于基本指令掃描速度與所存基本指令步數(shù)的乘枳。對(duì)于掃描 功能指令的時(shí)間，也同樣計(jì)算。當(dāng)PLC控制系統(tǒng)固定后，疔描周期將隨著用戶程序的長(zhǎng)短 而增減。（3）PLC掃描周期與繼電器控制系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的比較傳統(tǒng)的繼電控制系統(tǒng)采用硬邏輯并行工作方式，線圈控制其所屬觸點(diǎn)同時(shí)動(dòng)作。而PLC 控制系統(tǒng)則采用順序打描工作方式，軟線圈控制其所屬觸點(diǎn)串行動(dòng)作。這樣，PLC的打描 周期越長(zhǎng)，響應(yīng)速度越慢，會(huì)產(chǎn)生輸入、輸出的滯后。FX系列小型PLC的打描周期一般 為毫秒級(jí)，而繼電器、接觸器觸點(diǎn)的動(dòng)作時(shí)間在lOOni