【文章內容簡介】 用戶不能訪問和修改。 用戶程序是隨 PLC 的控制對象而定的，由用戶根據對象生產工藝的控制要求而編制的應用程序。為了便于讀出、檢查和修改，用戶程序一般存于 CMOS 靜態(tài)RAM 中，用鋰電池作為后備電源，以保證掉電時不會丟失信息。為了防止干擾對RAM 中程序的破壞，當 用戶程序經過運行正常，不需要改變，可將其固化在只讀存儲器 EPROM 中?，F在有許多 PLC 直接采用 EEPROM 作為用戶存儲器。 工作數據是 PLC 運行過程中經常變化、經常存取的一些數據。存放在 RAM中，以適應隨機存取的要求。在 PLC 的工作數據存儲器中，設有存放輸入輸出繼電器、輔助繼電器、定時器、計數器等邏輯器件的存儲區(qū)，這些器件的狀態(tài)都是由用戶程序的初始設置和運行情況確定的。根據需要，部分數據在掉電時用后備電池維持其現有的狀態(tài)，這部分在掉電時可保存數據的存儲區(qū)域稱為保持數據區(qū)。 由于系統(tǒng)程序及工作數據與用戶無直接 聯(lián)系，所以在 PLC 產品樣本或使用手冊中所列存儲器的形式及容量是指用戶程序存儲器。當 PLC 提供的用戶存儲器容量不夠用，許多 PLC 還提供有存儲器擴展功能。輸入 /輸出單元輸入 /輸出單元通常也稱 I/O 單元或 I/O 模塊，是 PLC 與工業(yè)生產現場之間的連接部件 PLC 通過輸入接口可以檢測被控對象的各種數據，以這些數據作為 PLC 對被控制對象進行控制的依據同時 PLC 又通過輸出接口將處理結果送給被控制對象，以實現控制目的。 由于外部輸入設備和輸出設備所需的信號電平是多種多樣的，而 PLC 內部CPU 的處理的信息只能是標準電平，所以 I/O 接口要實現這種轉換。 I/O 接口一般都具有光電隔離和濾波功能，以提高 PLC 的抗干擾能力。另外， I/O 接口上通常還有狀態(tài)指示，工作狀況直觀，便于維護。 PLC 提供了多種操作電平和驅動能力的 I/O 接口，有各種各樣功能的 I/O 接口供用戶選用。 I/O 接口的主要類型有：數字量（開關量）輸入、數字量（開關量）輸出、模擬量輸入、模擬量輸出等。常用的開關量輸出接口按輸出開關器件不同有三種類型：繼電器輸出、晶體管輸出和雙向晶閘管輸出。繼電器輸出接口可驅動交流或直流負載，但其響應時間長，動作頻率低；而晶體管輸出和雙向晶閘管輸出 接口的響應速度快，動作頻率高但前者只能用于驅動直流負載，后者只能用于交流負載。 PLC 的 I/O 接口所能接受的輸入信號個數和輸出信號個數稱為 PLC 輸入 /輸出（ I/O）點數。 I/O 點數是選擇 PLC 的重要依據之一。當系統(tǒng)的 I/O 點數不夠時，可通過 PLC 的 I/O 擴展接口對系統(tǒng)進行擴展。 PLC 配有開關電源，以供內部電路使用。與普通電源相比， PLC電源的穩(wěn)定性好、抗干擾能力強。對電網提供的電源穩(wěn)定度要求不高，一般允許電源電壓在其額定值177。 15%的范圍內波動。許多 PLC 還向外提供直流 24V 穩(wěn)壓電源，用于對外部傳感器供電。通信 接口 PLC 配有各種通信接口，這些通信接口一般都帶有通信處理器。 PLC 通過這些通信接口可與監(jiān)視器、打印機、其它 PLC、計算機等設備實現通信。 PLC 與打印機連接，可將過程信息、系統(tǒng)參數等輸出打??；與監(jiān)視器連接，可將控制過程圖像顯示出來；與其它 PLC 連接，可組成多機系統(tǒng)或連成網絡，實現更大規(guī)?？刂啤Ｅc計算機連接，可組成多級分布式控制系統(tǒng)，實現控制與管理相結合。遠程 I/O 系統(tǒng)也必須配備相應的通信接口模塊。智能接口模塊 智能接口模塊是一獨立的計算機系統(tǒng)，它有自己的 CPU、系統(tǒng)程序、存儲器以及與 PLC 系統(tǒng)總線相連的接口 。它作為 PLC 系統(tǒng)的一個模塊通過總線與 PLC相連，進行數據交換并在 PLC 的協(xié)調管理下獨立地進行工作。 PLC 的智能接口模塊種類很多，如：高速計數模塊、閉環(huán)控制模塊、運動控制模塊、中斷控制模塊等。 人機接口裝置人 /機接口裝置是用來實現操作人員與 PLC 控制系統(tǒng)的對話。最簡單、最普遍的人 /機接口裝置由安裝在控制臺上的按鈕、轉換開關、撥碼開關、指示燈、 LED 顯示器、聲光報警器等器件構成。對于 PLC 系統(tǒng)，還可采用半智能型 CRT 人 /機接口裝置和智能型終端人 /機接口裝置。半智能型 CRT 人 /機接口裝置可長期安裝在控制臺上， 通過通信接口接收來自 PLC 的信息并在 CRT 上顯示出來；而智能型終端人 /機接口裝置有自己的微處理器和存儲器，能夠與操作人員快速交換信息，并通過通信接口與 PLC 相連，也可作為獨立的節(jié)點接入 PLC網絡。 EPROM 寫入器是用來將用戶程序固化到 EPROM 存儲器中的一種 PLC 外部設備。為了使調試好用戶程序不易丟失，經常用 EPROM 寫入器將 PLC 內 RAM 保存到EPROM 中。 圖 PLC 邏輯結構圖 PLC 的工作原理 PLC 實質上是一類工業(yè)控制專用的計算機，它的結構原理與微型計算機相似，皆由軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)兩 部分組成，所以它的工作原理也是建立在計算機的工作原理基礎上。也就是說 PLC 的控制功能也是通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現的。用戶程序是通過編程器預先寫入存儲器中，由 CPU 采用循環(huán)掃描的工作方式來執(zhí)行。 （ 1）掃描工作原理 當 PLC 運行時，是通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來完成控制任務的，需要執(zhí)行眾多的操作，但 CPU 不可能同時去執(zhí)行多個操作，它只能按分時操作（串行工作）方式，每一次執(zhí)行一個操作，按順序逐個執(zhí)行。由于 CPU 的運算處理速度很快，所以從宏觀上來看， PLC 外部出現的結果似乎是同時（并行）完成的。這 種串行工作過程稱為 PLC 的掃描工作方式。 用掃描工作方式執(zhí)行用戶程序時，掃描是從第一條程序開始，在無中斷或跳轉控制的情況下，按程序存儲順序的先后，逐條執(zhí)行用戶程序，直到程序結束。然后再從頭開始掃描執(zhí)行，周而復始重復運行。 PLC 的掃描工作方式與電器控制的工作原理明顯不同。電器控制裝置采用硬邏輯的并行工作方式，如果某個繼電器的線圈通電或斷電，那么該繼電器的所有常開和常閉觸點不論處在控制線路的哪個位置上，都會立即同時動作；而 PLC采用掃描工作方式（串行工作方式），如果某個軟繼電器的線圈被接通或斷開，其所有的觸點 不會立即動作，必須等掃描到該時才會動作。但由于 PLC 的掃描速度快，通常 PLC 與電器控制裝置在 I/O 的處理結果上并沒有什么差別。 PLC 的掃描工作過程除了執(zhí)行用戶程序外，在每次掃描工作過程中還要完成內部處理、通信服務工作。如圖所示，整個掃描工作過程包括內部處理、通信服務、輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新五個階段。整個過程掃描執(zhí)行一遍所需的時間稱為掃描周期。掃描周期與 CPU 運行速度、 PLC 硬件配置及用戶程序長短有關，典型值為 1～ 100ms。在內部處理階段，進行 PLC 自檢，檢查內部硬件是否正常，監(jiān)視定時器（ WDT）是 否復位以及完成其它一些內部處理工作。 在通信服務階段， PLC 與其它智能裝置實現通信，響應編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內容等。 當 PLC 處于停止（ STOP）狀態(tài)時，只完成內部處理和通信服務工作。當 PLC處于運行（ RUN）狀態(tài)時，除完成內部處理和通信服務工作外，還要完成輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新工作。 PLC 的掃描工作方式簡單直觀，便于程序的設計，并為可靠運行提供了保障。當 PLC 掃描到的指令被執(zhí)行后，其結果馬上就被后面將要掃描到的指令所利用，而且還可通過 CPU 內部設置的監(jiān)視定時器來監(jiān)視每次掃描是否超過規(guī)定時間，避免由于 CPU 內部故障使程序執(zhí)行進入死循環(huán)。 PLC 執(zhí)行程序的過程及特點 PLC 執(zhí)行程序的過程分為三個階段，即輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段、輸出刷新階段輸入采樣階段在輸入采樣階段， PLC 以掃描工作方式按順序對所有輸入端的輸入狀態(tài)進行采樣，并存入輸入映象寄存器中，此時輸入映象寄存器被刷新。接著進入程序處理 階段，在程序執(zhí)行階段或其它階段，即使輸入狀態(tài)發(fā)生變化，輸入映象寄存器的內容也不會改變，輸入狀態(tài)的變化只有在下一個掃描周期的輸入處理階段才能被采樣到。 2）程序執(zhí)行階段 在程序執(zhí)行階段， PLC 對程序按順序進行掃描執(zhí)行。若程序用梯形圖來表示，則總是按先上后下，先左后右的順序進行。當遇到程序跳轉指令時，則根據跳轉條件是否滿足來決定程序是否跳轉。當指令中涉及到輸入、輸出狀態(tài)時， PLC 從輸入映像寄存器和元件映象寄存器中讀出，根據用戶程序進行運算，運算的結果再存入元件映象寄存器中對于元件映象寄存器來說其內容會隨程序執(zhí)行的 過程而變化。 3 輸出刷新階段當所有程序執(zhí)行完畢后，進入輸出處理階段。在這一階段里，PLC 將輸出映象寄存器中與輸出有關的狀態(tài)（輸出繼電器狀態(tài)）轉存到輸出鎖存器中，并通過一定方式輸出，驅動外部負載。 因此 PLC 在一個掃描周期內，對輸入狀態(tài)的采樣只在輸入采樣階段進行。當PLC 進入程序執(zhí)行階段后輸入端將被封鎖，直到下一個掃描周期的輸入采樣階段才對輸入狀態(tài)進行重新采樣。這方式稱為集中采樣，即在一個掃描周期內，集中一段時間對輸入狀態(tài)進行采樣。 在用戶程序中如果對輸出結果多次賦值則最后一次有效。在一個掃描周期內，只在輸出 刷新階段才將輸出狀態(tài)從輸出映象寄存器中輸出，對輸出接口進行刷新。在其它階段里輸出狀態(tài)一直保存在輸出映象寄存器中。這種方式稱為集中輸出。對于小型 PLC，其 I/O 點數較少，用戶程序較短，一般采用集中采樣、集中輸出的工作方式，雖然在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應速度，但使 PLC 工作時大多數時間與外部輸入 /輸出設備隔離，從根本上提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，增強了系統(tǒng)的可靠性。而對于大中型 PLC，其 I/O 點數較多，控制功能強，用戶程序較長，為提高系統(tǒng)響應速度，可以采用定期采樣、定期輸出方式，或中斷輸入、輸出方式以及采用智能 I/O 接口等多種方式。 從上述分析可知，當 PLC 的輸入端輸入信號發(fā)生變化到 PLC 輸出端對該輸入變化作出反應，需要一段時間，這種現象稱為 PLC 輸入／輸出響應滯后。對一般的工業(yè)控制，這種滯后是完全允許的。應該注意的是，這種響應滯后不僅是由于PLC 掃描工作方式造成，更主要是 PLC 輸入接口的濾波環(huán)節(jié)帶來的輸入延遲，以及輸出接口中驅動器件的動作時間帶來輸出延遲，同時還與程序設計有關。滯后時間是設計 PLC 應用系統(tǒng)時應注意把握的一個參數。 圖 PLC 控制系統(tǒng)一般設計步驟 小結 本章主要介紹了 PLC 的來源及定義 、分類及應用、特點及組成、 PLC 的邏輯結構及其工作原理、以及一般設計步驟。 PLC 的控制功能是通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現的。用戶程序是通過編程器預先寫入存儲器中，由 CPU 采用循環(huán)掃描的工作方式來執(zhí)行。 PLC 及其有關的外圍設備易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令 PLC 和變頻技術在社會各個領域的應用，可以用它來解決水壓控制系統(tǒng)存在的以上問題。本文在此介紹采用可編程控制器（ PLC）來完成對數據的采集和對變頻器、電機等設備的控制任務利用對 PLC 軟件 的設計 ,實現變頻器的參數設置、故障診斷和電機的啟動和停止 /自動兩種控制方式，并設有試驗功能。 PLC 選型 目前在國內市場上有從美國、德國、日本等國引進的多種系列 PLC，國內也有許多廠家組裝、開發(fā)數十種 PLC，故 PLC 系列標準不一，功能參差不齊，價格懸殊。在此情況下， PLC 的選擇應著重考慮 PLC 的性能價格比，選擇可靠性高，功能相當，負載能力合適，經濟實惠的 PLC。本文介紹以四段液位控制對象為例，據對多種因素的分析比較及監(jiān)控系統(tǒng)輸入、輸出點數的要求，選用日本立石（ OMRON）公司 C20P 型 PLC。 PLC 水位控制系統(tǒng)整體結構如圖 所示。 圖 系統(tǒng)整體結構框圖 系統(tǒng)硬件配置 為實現液位的手動 /自動控制，需要輸入口 12 點，輸出口 8 點，選用 C20P20點 I/O 單元的 PLC，輸入光電隔離，輸出繼電器隔離，負載能力強；液位檢測采用干簧管傳感器，手動 /自動轉換、運行 /試驗轉換和液位設定采用雙位旋鈕，手動啟泵、停泵和確認、試驗采用常開按鈕；輸出選用電子音響報警器和 24V 直流指示燈、繼電器。參見圖