【文章內(nèi)容簡介】 張健 9 無觸點的半導(dǎo)體電路來完成，因此 PLC 可以直接安裝在工業(yè)現(xiàn)場而穩(wěn)定的工作。從國外使用 PLC 的實際情況來看，平均無故障率可以達到幾萬甚至幾十萬小時以上。因此 PLC 被譽為 “專為適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境而設(shè)計的計算機 ”。 PLC 在硬件和軟件方面主要采取以下措施來提高其可靠性： (1)硬件方面采取的措施 對電源變壓器、 CPU、編程器等主要部件，均采用嚴(yán)格措施進行屏蔽，以防外界干擾；對供電系統(tǒng)及輸入電路采用多種形式的濾波，以消除或抑制高頻干 擾 ,也削弱了各部分之間的相互影響；對 PLC 內(nèi)部所需的 +5V 電源采用多級濾波，并用集成電壓調(diào)整器進行調(diào)整，以消除由于交流電網(wǎng)的波動引起的過電壓、欠電壓的影響；采用光電隔離措施，有效地隔離了內(nèi)部與外部電路之間的直接電聯(lián)系，以減少故障和誤動作；采用模塊結(jié)構(gòu)的 PLC，一旦某一模塊有故障，就可以迅速更換模塊，從而盡可能縮短系統(tǒng)的故障停機時間。 (2)軟件方面采取的措施 其一，對掉電、欠電壓、后備電池電壓過低及強干擾信號等， PLC 通過監(jiān)控程序定時的進行檢測。當(dāng)檢測到故障時，立即把當(dāng)前狀態(tài)保存起來，并禁止對程序的任何操作 ，以防止存儲信息被沖掉。故障排除后立即恢復(fù)到故障前的狀態(tài)繼續(xù)執(zhí)行程序。其二， PLC 設(shè)置了監(jiān)視定時器，如果程序每次循環(huán)的執(zhí)行時間超過了規(guī)定值，表明程序進入了死循環(huán)，則立即報警。其三，加強對程序的檢查和校驗，發(fā)現(xiàn)錯誤立即報警，并停止程序的執(zhí)行。其四，利用后備電池對用戶程序及動態(tài)數(shù)據(jù)進行保護，確保停電時信息不丟失。 由于采取了以上措施， PLC 的抗干擾能力和可靠性得到了大大的提高。 雖然 PLC 是以微型計算機技術(shù)為核心的控制裝置，但是不要求使用者精通計算機方面復(fù)雜的硬件和軟件知識。大多數(shù) PLC 采 用類似繼電器控制電路的 “梯形圖 ”語言編程，清晰直觀，簡單易學(xué)，了解繼電器控制線路的電氣技術(shù)人員很容易接受。 與外部設(shè)備的連接簡單，使用方便 用微機控制時，要在輸入 /輸出接口電路上做大量的工作，才能使微機與控制現(xiàn)場的設(shè)備連接起來，調(diào)試也比較麻煩。而 PLC 的輸入 /輸出接口已經(jīng)做好，其輸入接口具有較強的驅(qū)動能力，可以直接與繼電器、接觸器、電磁閥等強電電器連接，接線簡單，使用方便。 的功能強、功能的擴展能力強 切紙術(shù)畢業(yè)論文 張健 10 其一， PLC 利用程序進行定義、計數(shù)、順序、步進等控制，十分準(zhǔn)確可靠。而用繼電器控制時， 需使用大量時間繼電器、計數(shù)器、進步控制開關(guān)等設(shè)備，其準(zhǔn)確性與可靠性無法與 PLC 相比。其二， PLC 還具有 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)運算和數(shù)據(jù)處理、運動控制等功能。因此它即可對開關(guān)量進行控制，又可對模擬量進行控制，也可遠距離對生產(chǎn)過程進行控制。 PLC 的功能擴展極為方便，硬件配置相當(dāng)靈活，根據(jù)控制要求的改變，可以隨時變動特殊功能單元的種類和個數(shù)，再相應(yīng)修改用戶程序就可以達到變換和增加控制功能的目的。 控制系統(tǒng)的設(shè)計高度周期短 由于 PLC 是通過程序?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)的控制，所以設(shè)計人員可以在實驗室里設(shè)計和修改程序 。更為方便的是可在實驗室里進行系統(tǒng)的模擬運行調(diào)試，使現(xiàn)場工作量大為減少。而繼電器控制系統(tǒng)是靠調(diào)整電路的接線來改變控制功能的，調(diào)試時費時又費力。 的體積小、重量輕、易于實現(xiàn)機電一體化 由于 PLC 內(nèi)部電路主要采用半導(dǎo)體集成電路，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、功耗低的特點；更由于它具有很強的抗干擾能力，能適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境，因而它已成為實現(xiàn)機電一體化十分理想的控制裝置。 . PLC 基本工作原理各與單元的作用 PLC 與普通微機在許多方面有相似之處，但其工作方式卻與微機有很大的不同。微機一般 采用等待命令的工作方式，如在常見的鍵盤掃描方式或 I/O 動作則轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序，無鍵按下 I/O 不動作則繼續(xù)掃描鍵盤和 I/O 口。 PLC 則采用循環(huán)工作方式，在 PLC 中用戶程序按先后順序存放，其工作方式如圖 32 所示，掃描周期如圖 33 所示，即 CPU 從第一條指令開始執(zhí)行程序，直至遇到結(jié)束符后又返回第一條指令，如此周而復(fù)始不斷循環(huán)。這種工作方式是在系統(tǒng)軟件控制下，掃描輸入的狀態(tài)（輸入刷新）。整個工作過程可分為 5 個階段：自診斷，與編程器或計算機等的通信，現(xiàn)場輸入信號的采集，用戶程序執(zhí)行，輸出結(jié)果。 PLC 的工作過程如圖 34 所示。 第一階段：自診斷。每次掃描用戶程序之前，都先執(zhí)行故障自掃描程序。洗診斷內(nèi)容分為 I/O、存儲器、 CPU 等，發(fā)現(xiàn)異常停機顯示出錯。若自診斷正常，繼續(xù)向下掃描。 第二階段：與編程器或計算機通信。 PLC 檢查是否有與編程器或計算機等的通切紙術(shù)畢業(yè)論文 張健 11 信請求，若有則進行相應(yīng)的處理，例如接受由編程器送來的程序、命令和各種數(shù)據(jù)，并把要顯示的狀態(tài)、數(shù)據(jù)、出錯信息等發(fā)送給編程器進行顯示。如果有與計算機的通信請求，也在這段時間內(nèi)發(fā)送完成數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送任務(wù)。 圖 PLC 工作方式示意圖 圖 PLC 掃描周期示意圖 圖 PLC 工作過程流程圖 第三階段：讀入現(xiàn)場信號。 PLC 的中央處理器對各個輸入端進行掃描，將輸入端的狀態(tài)送到狀態(tài)存儲器，也即輸入采樣階段。 第四階段：執(zhí)行用戶程序。 CPU 將指令逐條調(diào)出并執(zhí)行，以對輸入和輸出的狀態(tài)進行處理，即按程序?qū)?shù)據(jù)進行邏輯、運算，再將正確的結(jié)果送到輸出狀態(tài)存儲器中，這就是程序執(zhí)行階段。 第五階段：輸出結(jié)果。當(dāng)所有的指令執(zhí)行完畢時，集中把輸出狀態(tài)存儲器的狀態(tài)通過輸出部件轉(zhuǎn)換成被控制設(shè)備所能接受的電壓或電流信號 ，以驅(qū)動被控設(shè)備，切紙術(shù)畢業(yè)論文 張健 12 這就是輸出刷新階段。 PLC 經(jīng)過這 5 個階段的工作過程，稱為一個掃描周期。完成一個掃描周期后，又重新執(zhí)行上述過程，掃描周期周而復(fù)始的進行。掃描周期是 PLC 的重要指標(biāo)之一，PLC 在正常工作情況下，掃描周期 T 為 T=（運算速度 *程序步數(shù) +I/O 刷新時間 +故障診斷時間） 由于 I/O 刷新時間和故障時間相對用戶程序執(zhí)行時間要小得多，因此掃描時間主要由用戶程序和的長短和 CPU 的運算速度決定，一般每秒鐘可掃描數(shù)十次以上，這對于一般工業(yè)設(shè)備控制通常沒有什么影響，但對于控制時間要求較嚴(yán)格，響應(yīng)速度要求快的系統(tǒng)， 則應(yīng)考慮 PLC 的速度，并且應(yīng)該精確計算響應(yīng)的時間，精心編排程序，合理安排指令的順序，盡可能減少掃描周期造成的響應(yīng)時間。由于 PLC 是采用循環(huán)掃描的工作方式，所以它的輸入輸出響應(yīng)速度受掃描周期的影響較大。 PLC 與繼電器控制的重要區(qū)別之一就是工作方式不同，繼電器是按并行方式工作的，也就是說是按同時執(zhí)行的方式工作的，只要形成電流通路，就有可能有幾個電路同時工作。而 PLC 上一以反復(fù)掃描的方式工作的，這是循環(huán)地連續(xù)逐條執(zhí)行程序，任意時刻它只能執(zhí)行一條指令，這就是說 PLC 是以串行方式工作的。這種串行工作方式可以避免繼電 器控制的觸點競爭和時序失配等問題。 最初研制生產(chǎn)的 PLC 主要用于替代傳統(tǒng)的繼電器接觸器構(gòu)成的控制裝置，但這兩者的運行方式是不相同的。 (1)繼電器控制裝置采用硬件邏輯并行運行的方式，即如果這個繼電器的線圈通電或斷電，該繼電器所以的觸點（包括其通常開或常閉觸點）在繼電器控制的那個位置上都會立即同時動作。 (2)PLC 的 CPU 則采用順序邏輯掃描用戶程序的運行方式，即如果一個輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開，該線圈的所有觸點（包括其常開或常閉觸點）不會立即動作，必須等掃描到該觸點時才會動作。為了消除二者之間由于運行 方式不同而造成的差異，考慮到繼電器控制裝置各類觸點的動作時間一般在 1000ms 以上，而PLC 掃描用戶程序的時間一般小于 100ms。因此， PLC 采用了一種不同于一般微型計算機的運行方式 ——掃描方式。這樣在對于 I/O 響應(yīng)要求不高的場合， PLC 與繼電器控制裝置的處理結(jié)果上就沒什么區(qū)別了。 當(dāng) PLC 投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。 切紙術(shù)畢業(yè)論文 張健 13 完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間， PLC 的 CPU 以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段。 圖 PLC 運行掃描圖 (1)輸入采樣階段 在輸入采樣階段， PLC 以掃描方式依次讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入 I/O 映象區(qū)中的相應(yīng)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。在這兩個階段中 ,即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。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掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。 (2)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，又總是先掃描 梯形圖左邊的由各觸點構(gòu)成的控制線路，并按先左后右，先上后下的順序?qū)τ筛饔|點構(gòu)成的控制線路進行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的序?qū)τ筛饔|點構(gòu)成的控制線路進行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結(jié)果刷新該邏輯線圈在系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在 I/O 映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該程序過程中，只有輸入點在 I/O 映象區(qū)或系統(tǒng) RAM 存儲區(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)果會對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)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。 (3)輸出刷新階段 當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后， PLC 就進入輸出刷新階段。在此期間， CPU 按照 I/O映象區(qū)內(nèi)對應(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)動相應(yīng)外設(shè)。這時才是 PLC 的真正輸出。比較下面 切紙術(shù)畢業(yè)論文 張健 14 這兩段程序執(zhí)行的結(jié)果完全一樣，但在 PLC 中執(zhí)行的過程卻不一樣。程序 1只用一次掃描周期，就可完成對 M4 的刷新；程序 2 要用四次掃描周期，才能完成對 M4 的刷新。 這兩個例子說明：同樣的若干條梯形圖，其排列次序不同，執(zhí)行的結(jié)果也不同。另外，也可以看到：采用 掃描用戶程序的運行結(jié)果與繼電器控制裝置的硬邏輯并行的結(jié)果有區(qū)別。 程序 1 程序 2 當(dāng)然，如果掃描周期所占用的時間對整個運行來說可以忽略，那么二者之間就沒有什么區(qū)別了。一般來說， PLC 的掃描周期包括自診斷、通訊、輸入采樣、用戶程序執(zhí)行、輸出刷新等所有時間的總和。 切紙術(shù)畢業(yè)論文 張健 15 圖 掃描周期流量圖 2． PLC 的 I/O 響應(yīng)時間 為了增強 PLC 的抗干擾能力，提高其可靠性， PLC 的每個開關(guān)量輸入端都采用光電藕等技術(shù)。 為了能實現(xiàn)繼電器控制線路的硬邏輯并行控制， PLC 采用了 不同于一般微型計算機的運行方式（掃描技術(shù)）。 以上兩個主要原因，使得 PLC 的 I/O 響應(yīng)比一般微型計算機構(gòu)成的工業(yè)控制系統(tǒng)滿得多，其響應(yīng)時間至少等于一個掃描周期，一般均大于一個掃描周期甚至更長。 所謂 I/O 響應(yīng)時間是指從 PLC 的某一輸入信號變化開始到系統(tǒng)有關(guān)輸出端的時間。其最短的 I/O 響應(yīng)時間與最長 I/O 響應(yīng)時間如圖所示： 第（ n 1 ）個 第 n 個掃描周期 第（ n + 1 ）個 掃描周期 掃描周期 輸出刷新 用戶程序執(zhí)行 輸入采樣 輸入采樣 輸出刷新 最短 I / O 響應(yīng)時間 第 n 個掃描時間 第 n + 1 個掃描周期 輸入 采樣 用戶程序執(zhí)行 輸出刷新 輸入采樣 用戶程 輸出刷新 序執(zhí)行 最長 I / O 響應(yīng)時間 圖 I/O 響應(yīng)時間 以上是一般的 PLC 的工作原理，但在現(xiàn)代出現(xiàn)的比較先進的 PLC 中，輸入映象刷新循環(huán)、程序執(zhí)行循環(huán)和輸 出映象刷新循環(huán)已經(jīng)各自獨立工作，提高了 PLC 的執(zhí)行效率。 （ CPU） 中央處理單元（ center process unit ,CPU）可比作 PLC 的大腦，是 PLC 實現(xiàn)信切紙術(shù)畢業(yè)論文 張健 16 息處理和控制的關(guān)鍵部件，其性能的優(yōu)劣直接影響 PLC 的技術(shù)性能指標(biāo)。 (1)CPU 的組成 CPU 一般是由控制電路、運算器和總線等部件組成，這些電路一般都集成在一個芯片上。 CPU 通過地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線與存儲單元、輸入輸出接口電路相連接。 不同型號的 PLC 使用不同的 CPU 部件，制造廠家使用 CPU 部件的系統(tǒng)指令編寫系統(tǒng)程序， 并固化到只讀存儲器 RAM 中。 CPU 按系統(tǒng)程序賦予的