【文章內(nèi)容簡介】 分又由一定容量的只讀存儲器（ ROM）、隨機(jī)存取存儲區(qū)（ RAM）和可擦除只讀存儲器（ EPROM）組成。 /輸出單元 輸入 /輸出單元的作用是 PLC 與外部設(shè)備之間信息的傳遞。此單元可分為輸入 /輸出接口和輸入 /輸出信號。 I/O 接口是 PLC 與輸入 /輸出設(shè)備連接的部件，輸入接口用來接收和采集現(xiàn)場設(shè)備向 PLC 提供的信號。比如：按鈕、選擇開關(guān)、繼電器觸點和數(shù)字撥碼開關(guān)等開關(guān)量輸入信號 與 電位器、變送器和測速發(fā)電機(jī)等傳送的模擬量輸入信號。 輸出接口是將主機(jī)處理過的結(jié)果經(jīng)過輸出電路驅(qū)動輸出設(shè)備，例如接觸器、電磁閥、指示燈等。 I/O 信號分 為開關(guān)量和模擬量、數(shù)字量。開關(guān)量輸入單元是把現(xiàn)場的各種開關(guān)信號轉(zhuǎn)換成 PLC 能夠處理的標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制信號。 輸入端供電電源類型不同，又可以把開關(guān)輸入單元分為 直流輸入單元和交流輸入單元。開關(guān)量輸出單元是將 PLC 內(nèi)部 CPU處理過的微弱信號轉(zhuǎn)換成外部現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開關(guān)信號，如指示燈的亮與滅。模擬量輸入單元是將模擬量信號轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字信號，然后送給 CPU 模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和控制。像溫度、速度、流量、位移等都是對應(yīng)于電壓或電流的模擬量，這些量通過一定的 PID 運算后，控制生產(chǎn)的過程。模擬量輸出單元就是將 PLC 運算的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換 為相應(yīng)的模擬信號的電流輸出信號或者電壓輸出信號，在通過信號轉(zhuǎn)換成外部設(shè)備需要的信號進(jìn)行控制設(shè)備。 /輸出擴(kuò)展接口 輸入 /輸出擴(kuò)展接口用于擴(kuò)展輸入 /輸出點數(shù)和類型，當(dāng)用戶在使用 PLC 所需的輸入 /輸出點數(shù)超過主機(jī)的點而不夠時就要通過輸入 /輸出擴(kuò)展接口將主機(jī)與輸入輸出擴(kuò)展單元聯(lián)接在一起供用戶使用。 通信接口是主機(jī)與用戶實現(xiàn)人 —機(jī)對話或者機(jī) —機(jī)對話的通道。 PLC 可以和編程器、顯示器、打印機(jī)的等設(shè)備相連，構(gòu)成多級局部網(wǎng)絡(luò)或者多級分布式控制系統(tǒng)。該接口的功能是并行 /串行數(shù)據(jù)的交換、通信格式的識 別、信號電平的轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋z驗。 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書（ 2020） 5 PLC 內(nèi)部的 CPU、存儲器、輸入輸出接口都是需要直流電來供電，所以我們供給 PLC 的外圍輸入交流電都必須經(jīng)過交直流轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后給 PLC 供電。 很多 PLC的直流電源采用直流開關(guān)穩(wěn)壓電源，為避免電源干擾，接口電路的電源回路是相互獨立的。 PLC 的軟件系統(tǒng)組成 實際上 PLC 是 一種工業(yè)控制計算機(jī)，不僅要有硬件系統(tǒng)，而且軟件系統(tǒng)也是必備的，只有軟件系統(tǒng)配合硬件系統(tǒng)才能完成某一項任務(wù)，兩者是相輔相成的。 PLC的軟件系統(tǒng)通常分為系統(tǒng)程序和用戶程序。 系統(tǒng)程序是可編程序控制器 PLC 的工作依據(jù)和基礎(chǔ)，通常采用匯編語言編寫，屬于知識勞動成果，一般生產(chǎn)商都會固化在 EPROM 中，防止他人抄襲和篡改， 用戶不能直接讀寫干預(yù)。系統(tǒng)程序又分為系統(tǒng)監(jiān)視程序與解釋程序兩種。 顧名思義，系統(tǒng)監(jiān)視程序是指監(jiān)控 PLC 工作的程序。系統(tǒng)監(jiān)控程序的主要工作是診斷 PLC 的工作狀況以及 PLC 與外部的信息交換。解釋程序是指用來解釋用戶編寫的程序，使其能夠在 PLC 中正常的運行。 PLC 開始啟動后，由系統(tǒng)監(jiān)控程序啟動解釋程序，對用戶程序進(jìn)行解釋，把原來用梯形圖或者指令表編寫的程序， 解釋成 PLC 的微處理器可以接受執(zhí)行的程序，完成用戶想要完成的目的，這一切的活動都在系統(tǒng)監(jiān)視程序的監(jiān)視下完成，防止出現(xiàn)錯誤。 用戶想要完成某項任務(wù)，就要編寫 PLC 可以識別的任務(wù)指令，而這種用編程器或者編程軟件編寫的完整指令被稱為用戶程序 。 當(dāng)編寫好程序后，用戶可以通過編程軟件與 PLC 相連，把程序下載到 PLC 內(nèi)部，當(dāng) PLC 上電檢測后，就可以執(zhí)行程序所要完成的任務(wù)。 PLC 的工作原理 PLC 其實是 一種特殊的工業(yè)控制微型計算機(jī)，由于具有特殊的接口器件和監(jiān)控軟件，使得它的工作原理、編程語言與 一般的計算機(jī)不同。另一方面，它作為繼電器控制裝置的替代品，這兩者的運行方式也是大不相同的。這里通過 PLC 的工作方式展開對其工作原理的講述。 PLC 的工作方式 可編程序控制器 PLC 在結(jié)構(gòu)形式上與微型計算機(jī)有很多相同的地方，但是微處理器是計算機(jī)的核心單元。由于 PLC 在工業(yè)控制過程中有著較強的邏輯運算關(guān)系，所以 PLC 并不采用微處理器的工作方式，即等待命令和中斷的工作方式，而是采用一種循環(huán)掃描的工作方式。 可編程序控制器的 CPU 采用順序邏輯掃描用戶程序的工作方式，實際的含義是指輸出線圈或邏輯線圈被接通 或者斷開時， 直到本次掃描結(jié)束未進(jìn)入下一個掃描周期之前，所有被掃描到的線圈上的觸點均不會發(fā)生相應(yīng)的動作。 為了消除繼電器控交通信號燈 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計 6 制裝置的工作方式與 PLC 的運行方式之間的差異， PLC 采用一種掃描技術(shù)，這種技術(shù)不同于微型計算機(jī)的工作方式。主要是根據(jù)繼電器裝置和 PLC 掃描程序的時間不同，即繼電器裝置觸點動作的時間為 100ms，而 PLC 掃描的時間小于 100ms。 運用這項技術(shù)，在對于 I/O 響應(yīng)時間不高的場合執(zhí)行出來的結(jié)果和利用繼電器執(zhí)行出的結(jié)果并沒有什么區(qū)別。 PLC 的工作過程和特點 在給 PLC 供電后，才能進(jìn)入正常 的運行狀態(tài)。 PLC 采用的循環(huán)掃描方式不同于計算機(jī)工作的方式，通常包含輸入采樣階段、用戶程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段，掃描完成這三個階段稱為一個掃描周期， CPU 會以一定的速度重復(fù)執(zhí)行這三個階段。 圖 22 PLC 的掃描工作過程 PLC 的全部輸入端子的所有信號按順序讀入到響應(yīng)映像區(qū)，這一過程稱為采樣。在一個工作周期內(nèi)，采樣結(jié)果的內(nèi)容不會發(fā)生改變， 在進(jìn)入下一個工作周期的輸入采樣階段，上一個周期內(nèi)的采樣結(jié)果被新讀取的狀態(tài)信息取代。 在程序執(zhí)行階段， CPU 對用戶的程序按照 步序號，遵照從左到右，從上到下 的掃描原則，逐條進(jìn)行掃描、解釋、執(zhí)行。從輸入映像寄存器和元件映像寄存器中讀取出元件的狀態(tài)，并根據(jù)程序運算出結(jié)果，把運算的結(jié)果存儲在輸出映像寄存器 和元件映像寄存器中。 程序執(zhí)行完畢以后， PLC 將輸出映像區(qū)的內(nèi)容送入到輸出鎖存器中，成為 PLC的實際輸出，再去驅(qū)動用戶外部設(shè)備，這一過程就是輸出刷新。 PLC 在進(jìn)行信息處理的工作過程中，必須遵循如下規(guī)律： 再輸入刷新期間，各個輸入端子的接通與斷開決定 著 輸入映 像存儲器的數(shù)據(jù)變化； PLC內(nèi)部程序的如何執(zhí)行要根據(jù)用戶下載到 PLC內(nèi)部編寫的程序以及輸入映像存儲器和元件映像存儲器里的內(nèi)容來決定。 在程序執(zhí)行 期間 ，輸入映像存儲器的內(nèi)容不會隨著 程序的 執(zhí)行而 發(fā)生 變化，但是內(nèi)部元件映像存儲器和輸出映像存儲器里的內(nèi)容 是會 隨著程序的執(zhí)行而變化 的 ； 輸入端子輸入映像區(qū)輸出映像區(qū)輸出鎖存輸出端子用戶程序輸入信號輸出信號輸入采樣 程序執(zhí)行 輸出刷新鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書（ 2020） 7 執(zhí)行后，輸出的結(jié)果決定著輸出映像存儲器的內(nèi)容； 輸出鎖存器決定著所有輸出端子的狀態(tài) 。 圖 23 PLC 的掃描周期圖 PLC 的編程語言 編程語言的特 點 PLC 邏輯控制功能的實現(xiàn)必須通過編程語言來實現(xiàn)，隨著 PLC 的不斷發(fā)展，它的編程軟件呈現(xiàn)多樣化和高級化的發(fā)展趨勢。 PLC 的編程語言是一種專門的符號語言，適應(yīng)于 PLC 裝置，既能滿足編寫容易，又能滿足調(diào)試容易的要求。這種編程語言不同于高級語言和匯編語言。 目前市場上 現(xiàn)有 的 PLC 種類較多，不同類型的 PLC對應(yīng)的編程軟件也有所不同。其基本規(guī)律是同一廠家生產(chǎn)的 PLC 編程語言是可以通用 。 PLC 型號雖各不相同，但是他們的編程語言有著相同的特點，比如： ：為了易于理解和記憶 ， 用戶程序由圖形的方式進(jìn)行表 達(dá)，程序中的指令 全部由代表不同含義的 圖形符號共同組成。編程軟件內(nèi)擁有用戶編程所需的獨立運算功能編制成的象征性圖形，用戶可以根據(jù) 實際的 需要進(jìn)行相應(yīng)的編程。這種方法 化抽象為 直觀、 化復(fù)雜繁瑣為 易懂， 備受 廣大用戶的歡迎。 ：在編程中，圖形符號相當(dāng)于指令操作碼，規(guī)定其運算功能，指令操作數(shù)可以由用戶根據(jù)實際需要寫入， PLC 的產(chǎn)品型號決定著本產(chǎn)品的 PLC常數(shù)和變量的取值范圍，詳細(xì)的說明，可以參照使用說明書。 ：用戶編寫的 PLC 程序結(jié)構(gòu)簡單，多為塊式結(jié)構(gòu)，功能塊不同，完成的任務(wù)也不同。 這樣方便調(diào)試者對整個程序的控制功能和順序進(jìn)行維護(hù)和修改。 ：我們需要的軟件越簡單越好。以往用高級語言和匯編語言編程時都要經(jīng)過三步，即編輯、編譯、鏈接。這樣相對比較繁瑣、復(fù)雜。我們需要的是一個編輯過程即可，其他的工作由系統(tǒng)軟件自行完成。 ： PLC 程序調(diào)試 由 生產(chǎn)廠家提供了完善的硬件的條件， 主要 使用編程器或者編程軟件， 使 PLC 與 編程器上的輸入輸出按鍵、顯示器 連接，在 內(nèi)部編輯、調(diào)試、監(jiān)控等在軟件支持下，進(jìn)行程序診斷和調(diào)試相對 比較 簡單。 輸入 刷新 程序執(zhí)行 輸出刷新 一個掃描周期 輸入刷新 交通信號燈 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計 8 編程語言的 形式 PLC 擁有完整的編程語言，每一個生產(chǎn)廠家，甚至同一廠家生產(chǎn)的不同型號的PLC 都具有適應(yīng)該產(chǎn)品的編程語言。目前市場上的 PLC 最常用的編程語言有四種：梯形圖編程語言、功能圖編程語言、指令語句表編程語言、高級語言編程。 （ LAD） 梯形圖編程語言類似于繼電裝置控制電路，形象直觀。是一種由圖形符號組成的編程語言。習(xí)慣上成為 “梯形圖 ”。梯形圖按 “從左到右 ”， “自上而下 ”的順序排列，最左邊的豎線稱為 “起始母線 ”或者 “左母線 ”，然后按照控制要求和規(guī)則連接各個 “軟觸點 ”，最后以繼電器線圈結(jié)束。目 前，最受程序員歡迎的梯形圖，是使用最多 和最常見 的一種編程語言。 (STL) 指令語句表編程語言又稱助記符語言，它類似于匯編語言，采用一些容易記憶的助記符來表示 PLC 的某種操作。它有操作符和操作數(shù)兩部分組成，比匯編語言更直觀易懂。雖然不如梯形圖直觀形象更易懂，但是方便鍵入。 （ SFC） 功能圖編程語言是近些年來新出的一種比較新穎的編程方法，它像控制系統(tǒng)流程圖一樣的功能圖來表達(dá)一個順序控制過程，適合于 “步進(jìn)控制 ”。 高級語言的更接近于人腦的思維，更 加的通俗易懂，而且彌補了其他編程語言的不足之處。但是這種高級語言比較難掌握，需要很好的計算機(jī)基礎(chǔ)和 C 語言知識，學(xué)習(xí)者的思維邏輯能力要很強。 PLC 的掃描周期和響應(yīng)時間 PLC 的 I/O 響應(yīng)時間 輸入 /輸出的滯后時間就是 PLC的 I/O響應(yīng)時間，是指從 PLC的外部輸入信號 發(fā)生變化直至相對應(yīng)的輸出設(shè)備發(fā)生變化的時間間隔 ， I/O 響應(yīng)時間 由輸入電路的濾波時間、輸出電路的滯后時間以及掃描工作方式所產(chǎn)生的滯后時間組成。 PLC 工作方式帶來的特殊性 在執(zhí)行 PLC 的控制 時，由于輸入濾波與軟元件的驅(qū)動時間等方面的原因，會造成 I/O 響應(yīng)滯后 。 當(dāng)在同一程序中，多處使用同一個線圈，在執(zhí)行程序時容易出現(xiàn)二重線圈動作，執(zhí)行二重輸出時，后面的輸出繼電器線圈優(yōu)先動作。 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書（ 2020） 9 系統(tǒng)硬件設(shè)計 硬件系統(tǒng)組成 根據(jù)交通信號燈要實現(xiàn)的功能分析，此系統(tǒng)的核心元器件是 PLC，還包括外圍設(shè)備，即輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。其中輸入設(shè)備應(yīng)該包含有啟動按鈕、停止按鈕、亮燈時間預(yù)置按鈕、緊急情況按鈕、計時開始按鈕、計時快速調(diào)整按鈕分別為 1 個，當(dāng)遇到交通堵塞時，按下緊急按鈕后需要一個 東西方向綠燈或者南北方向綠燈的轉(zhuǎn)換開關(guān)；當(dāng)亮燈按下亮燈時間預(yù)置按鈕后需要一個東西方向亮燈時間預(yù)置或者南北方向亮燈時間預(yù)置的轉(zhuǎn)換開關(guān)；亮燈時間預(yù)置這項功能需要兩個 4 位 BCD 撥碼盤來實現(xiàn)。輸出設(shè)備包括東西南北四個方向的紅綠黃信號燈各一盞，共 12 盞信號燈；因為為了能夠讓每個通行的人更好的把握時間，更安全的通過十字路口，系統(tǒng)有時間倒計時功能，時間顯示部分采用共 陽 型 7 段數(shù)碼管來顯示，四個方向各需要 2 個，共 8 個數(shù)碼管。整個的硬件系統(tǒng)就要這些元器件按一定的順序、位置連接在 PLC 上，完成交通信號燈 PLC 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計。 I/O 地址分配 根據(jù)硬件系統(tǒng)的組成分析，可知其中輸入點包括 6 個按鈕需