【正文】 可編程控制器的工作原理 第 4章 可編程控制器的結(jié)構(gòu)和工作原理 PLC的存儲(chǔ)器中有一個(gè)專(zhuān)門(mén)存放 I/O數(shù)據(jù)的區(qū)域。對(duì)應(yīng)于輸入端的數(shù)據(jù)區(qū)為輸入緩沖區(qū)，對(duì)應(yīng)于輸出端的數(shù)據(jù)區(qū)為輸出緩沖區(qū)。 PLC在采樣時(shí)，輸入信號(hào)進(jìn)入緩沖區(qū)，即數(shù)據(jù)輸入的狀態(tài)刷新。 PLC在輸出時(shí)，將輸出緩沖區(qū)的內(nèi)容輸出到輸出寄存器，即數(shù)據(jù)輸出的狀態(tài)刷新。 I/O緩沖區(qū)中的內(nèi)容構(gòu)成了當(dāng)前的 I/O狀態(tài)表。 通常把 PLC內(nèi)部的各種存儲(chǔ)器稱(chēng)為“軟繼電器”。所謂“軟繼電器”實(shí)際上是存儲(chǔ)器中的一位觸發(fā)器，其 0、 1對(duì)應(yīng)繼電器線(xiàn)圈的斷與通。在傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)中，輸出是由物理器件加導(dǎo)線(xiàn)連接而成的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。而在 PLC中，卻是用微處理器和存儲(chǔ)器來(lái)代替繼電器控制線(xiàn)路，是通過(guò)用戶(hù)程序來(lái)控制這種“繼電器”的斷與通，所以將這種繼電器稱(chēng)為“軟繼電器”。 輸入操作實(shí)際是采樣輸入信號(hào)，刷新輸入緩沖區(qū)的內(nèi)容，輸出操作則是送出處理結(jié)果，按輸出緩沖區(qū)的內(nèi)容刷新輸出信號(hào)。 PLC在每次掃描中都將保存在輸入和輸出緩沖區(qū)的內(nèi)容進(jìn)行一次更新。 可編程控制器的工作原理 第 4章 可編程控制器的結(jié)構(gòu)和工作原理 從輸入和輸出操作的過(guò)程中可以看出，在刷新期間，如果輸入信號(hào)發(fā)生變化，則在本次掃描期間， PLC的輸出端會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化，也就是說(shuō)輸出對(duì)輸入立刻產(chǎn)生了響應(yīng)。如在一次 I/O刷新之后輸入變量才發(fā)生變化，則在本次掃描期間輸入緩沖器的狀態(tài)保持不變， PLC相應(yīng)的輸出也保持不變，而要到下一次掃描期間輸出才對(duì)輸入產(chǎn)生響應(yīng)。即只有在采樣 (刷新 )時(shí)刻，輸入緩沖區(qū)中的內(nèi)容才與輸入信號(hào) (不考慮電路固有慣性和滯后影響 )一致，其他時(shí)間范圍內(nèi)輸入信號(hào)的變化不會(huì)影響輸入緩沖區(qū)的內(nèi)容。 PLC根據(jù)用戶(hù)程序要求及當(dāng)前的輸入狀態(tài)進(jìn)行處理，結(jié)果存放在輸出緩沖區(qū)中。在程序執(zhí)行結(jié)束 (或下次掃描用戶(hù)程序前 )PLC才將輸出緩沖區(qū)的內(nèi)容通過(guò)鎖存器輸出到端子上，刷新后的輸出狀態(tài)一直保持到下次的輸出刷新。這種循環(huán)掃描的工作方式存在一種信號(hào)滯后的現(xiàn)象，但 PLC的掃描速度很高，一般不會(huì)影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度。 3. 執(zhí)行用戶(hù)程序 用戶(hù)程序的執(zhí)行一般包括程序的具體執(zhí)行與監(jiān)視兩部分操作。 1) 執(zhí)行用戶(hù)程序 用戶(hù)程序是存放在用戶(hù)程序存儲(chǔ)器中的。 PLC在循環(huán)掃描時(shí)，每一個(gè)掃描周期都按順序從用戶(hù)程序的第一條指令開(kāi)始，逐條 (跳轉(zhuǎn)指令除外 )解釋和執(zhí)行，直到執(zhí)行到 END指令才結(jié)束對(duì)用戶(hù)程序的本次掃描。 可編程控制器的工作原理 第 4章 可編程控制器的結(jié)構(gòu)和工作原理 用戶(hù)程序處理的依據(jù)是輸入 /輸出狀態(tài)表。其中輸入狀態(tài)在采樣時(shí)刷新，輸出狀態(tài)則根據(jù)用戶(hù)程序而逐個(gè)更新。每一次計(jì)算都以當(dāng)前的 I/O狀態(tài)表中的內(nèi)容為依據(jù)，結(jié)果送到相應(yīng)的輸出緩沖器中，上面的結(jié)果作為下面計(jì)算的依據(jù)，中間結(jié)果不能作為輸出的依據(jù)。對(duì)于整個(gè)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，只有執(zhí)行完用戶(hù)程序后的 I/O狀態(tài)才是該系統(tǒng)的確定狀態(tài)，作為輸出鎖存的依據(jù)。 2) 監(jiān)視 PLC中一般設(shè)置有監(jiān)視定時(shí)器 (Watchdog timer， WDT)，即“看門(mén)狗”，用來(lái)監(jiān)視程序執(zhí)行是否正常。每次執(zhí)行程序前復(fù)位 WDT并開(kāi)始計(jì)時(shí)。正常時(shí)，掃描執(zhí)行一遍用戶(hù)程序所需時(shí)間不會(huì)超過(guò)某一定值。當(dāng)程序執(zhí)行過(guò)程中因某種干擾使掃描失控或進(jìn)入死循環(huán)，則 WDT會(huì)發(fā)出超時(shí)復(fù)位信號(hào)，使程序重新開(kāi)始執(zhí)行。此時(shí)，如是偶然因素造成超時(shí)，系統(tǒng)便轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行，如由于不可恢復(fù)的確定性故障，則系統(tǒng)會(huì)在故障診斷及處理操作中發(fā)現(xiàn)這種故障，并發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)，切斷一切外界聯(lián)系，停止用戶(hù)程序的執(zhí)行，等待技術(shù)人員處理。 4. 響應(yīng)外設(shè)的服務(wù)請(qǐng)求 外設(shè)命令是可選操作，它給操作人員提供了交互機(jī)會(huì)，也可與其他系統(tǒng)進(jìn)行通信，不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作，而且會(huì)更有利于系統(tǒng)的控制和管理。 PLC每次執(zhí)行完用戶(hù)程序后，如有外設(shè)命令，就進(jìn)入外設(shè)命令服務(wù)的操作，操作完成后就結(jié)束本次掃描周期，開(kāi)始下一個(gè)掃描周期。 可編程控制器的工作原理 第 4章 可編程控制器的結(jié)構(gòu)和工作原理 5. 幾點(diǎn)說(shuō)明 (1) PLC以循環(huán)掃描的方式工作，輸入 /輸出的邏輯關(guān)系上存在滯后現(xiàn)象。掃描周期越長(zhǎng)，滯后現(xiàn)象就越嚴(yán)重。但 PLC的掃描周期一般只有幾十毫秒或更少，兩次采樣之間的時(shí)間很短，對(duì)于一般輸入量來(lái)說(shuō)可以忽略?？梢哉J(rèn)為輸入信號(hào)一旦變化，就能立即傳送到對(duì)應(yīng)的輸入緩沖器。同樣，對(duì)于變化較慢的控制過(guò)程來(lái)說(shuō)，由于滯后的時(shí)間不超過(guò)一個(gè)掃描周期，因此可以認(rèn)為輸出信號(hào)是及時(shí)的。 在實(shí)際應(yīng)用中，這種滯后現(xiàn)象可起到濾波的作用。對(duì)慢速控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，滯后現(xiàn)象反而增加了系統(tǒng)的抗干擾能力。但對(duì)控制時(shí)間要求較嚴(yán)格、響應(yīng)速度要求較快的系統(tǒng)，就必須考慮滯后對(duì)系統(tǒng)性能的影響，在設(shè)計(jì)中盡量縮短掃描周期，或者采用中斷的方式處理高速的任務(wù)請(qǐng)求。 (2) 除了執(zhí)行用戶(hù)程序所占用的時(shí)間外，掃描周期還包括系統(tǒng)管理操作所占用的時(shí)間。前者與程序的長(zhǎng)短及所用的指令有關(guān)，而后者基本不變。如考慮到 I/O硬件電路的延時(shí)， PLC的響應(yīng)滯后就更大一些。 輸入 /輸出響應(yīng)的滯后不僅與掃描方式和硬件電路的延時(shí)有關(guān)，還與程序設(shè)計(jì)的指令安排有關(guān)，在程序設(shè)計(jì)中一定要注意。 PLC最基本的工作方式是循環(huán)掃描的方式，即使在具有快速處理的高性能PLC中，系統(tǒng)也是以循環(huán)掃描的工作方式執(zhí)行，理解和掌握這一點(diǎn)對(duì)于學(xué)習(xí)PLC十分重要。 可編程控制器的工作原理 第 4章 可編程控制器的結(jié)構(gòu)和工作原理 可編程控制器的輸入 /輸出過(guò)程 當(dāng) PLC投入運(yùn)行后，在系統(tǒng)監(jiān)控程序的控制下，其工作過(guò)程一般主要包括 3個(gè)階段，即輸入采樣、用戶(hù)程序執(zhí)行和輸出刷新 3個(gè)階段。完成上述 3個(gè)階段稱(chēng)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 3個(gè)階段。 1. 輸入采樣過(guò)程 在輸入采樣階段， PLC以?huà)呙璺绞揭来蔚刈x入所有輸入的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入 I/O緩沖區(qū)中相應(yīng)的單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入用戶(hù)程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個(gè)階段中，即使外部的輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，輸入緩沖區(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，輸入信號(hào)均被有效采集。 2. 用戶(hù)程序執(zhí)行 在用戶(hù)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(hù)程序。在掃描每一條指令時(shí)，又總是按先左后右、先上后下的順序進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該繼電器在系統(tǒng) RAM存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該繼電器在 I/O緩沖區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該指令所 可編程控制器的工作原理 第 4章 可編程控制器的結(jié)構(gòu)和工作原理 規(guī)定的特殊功能操作。因此，在用戶(hù)程序執(zhí)行過(guò)程中，只有輸入繼電器在 I/O緩沖區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生變化，而輸出繼電器和其他軟元件在 I/O緩沖區(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。并且，排在上面的指令，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(xiàn)圈或數(shù)據(jù)的指令起作用。相反，排在下面的指令，其被刷新的線(xiàn)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。 3. 輸出刷新過(guò)程 在用戶(hù)程序掃描結(jié)束后， PLC就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間， CPU按照輸出緩沖區(qū)中對(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，如圖 。 圖 PLC的輸入和輸出過(guò)程 可編程控制器的工作原理