可编程控制器的基本工作原理和应用环境
2018-03-13  来源:本站

    可编程控制器(PLC)的工作有两个要点:入出信息变换、可靠物理实现,入出信息变换主要由运行存储于PLC内存中的程序实现。这程序既有系统的(这程序又称监控程序,或操作系统),又有用户的。系统程序为用户程序提供编辑与运行平台,同时,还进行必要的公共处理,如自检,I/O刷新,与外设、上位计算机或其它PLC通讯等处理。用户程序由用户按照控制的要求进行设计。什么样的控制,就有什么样的用户程序。 

      可靠物理实现主要通过输入(I INPUT)及输出(O OUTPUT)电路。每一输入点或输出点就有一个IO电路。而且,总是把若干个这样电路集成在一个模块(或箱体)中,然后再由若干个模块(或箱体)集成为PLC完整的I/O系统(电路)。尽管这些模块相当多,占了PLC体积的大部分,但由于它们都是由高度集成化的,所以,PLC的体积还是不太大的。

输入电路时刻监视着输入点的(通、ON或断、OFF)状态,并将此状态暂存于它的输入暂存器(还可能有别的称谓)中。每一输入点都有一个与其对应的输入暂存器。

      输出电路有输出锁存器(还可能有别的称谓)。它也有两个状态,高、低电位状态,并可锁存。同时,它还有相应的物理电路,可把这个高、低电位的状态传送给输出点。每一输出点都有一个与其对应的输出锁存器。

      这里的输入暂存器及输出锁存器实际是PLCI/O电路的寄存器。它们与PLC内存交换信息通过PLC I/O总线及运行PLC的系统程序实现。

      把输入暂存器的信息读到PLC的内存中,称输入刷新。PLC内存有专门开辟的存放输入信息的映射区。这个区的每一对应位(bit)称为输入继电器,或称软触点,或称为过程映射输入寄存器(the process-image input register)。这些位(bit)置成1,表示触点通,置成0为触点断。由于它的状态是由输入刷新得到的,所以,它反映的就是输入点的状态。

      输出锁存器与PLC内存中的输出映射区也是对应的。一个输出锁存器也有一个内存位(bit)与其对应,这个位称为输出继电器,或称输出线圈,或称为过程映射输出寄存器(the process-image output register)。通过PLC I/O总线及运行系统程序,输出继电器的状态将映射给输出锁存器。这个映射的完成也称输出刷新。

      PLC除了有可接收开关信号的输入电路,有时,还有接收模拟信号的输入电路(称模拟量输入单元或模块)。只是后者先要进行模、数转换,然后,再把转换后的数据存入PLC相应的内存单元中。

      如要产生模拟量输出,则要配有模拟量输出电路(称模拟量输出模块或单元)。靠它对PLC相应的内存单元的内容进行数、模转换,并产生输出。

这样,用户所要编的程序只是,PLC输入有关的内存区到输出有关的内存区的变换。这是一个数据及逻辑处理问题。由于PLC有强大的指令系统,编写出满足这个要求的程序是完全可能的。

 

 

      1对以上叙述作了说明。其中框图代表信息存储的地点,箭头代表信息的流向及实现信息流动的手段。这个图,既反映了PLC实现控制的两个基本要点,同时也反映了信息在PLC中的空间关系。

      简单地说,PLC工作过程是:输入刷新---运行用户程序---输出刷新,再输入刷新---再运行用户程序---再输出刷新⋯⋯永不停止地循环反复地进行着。

      2所示的流程图反映的就是上述过程。它也反映了信息间的时间关系。

 

a- 简化工作流程图              b 实际工作流程图

2 PLC工作流程图

     有了上述过程,用PLC实现控制显然是可能的。因为:有了输入刷新,可把输入电路监视得到的输入信息存入PLC的输入映射区;经运行用户程序,输出映射区将得到变换后的信息;再经输出刷新,输出锁存器将反映输出映射区的状态,并通过输出电路产生相应的输出。又由于这个过程是永不停止地循环反复地进行着,所以,输出总是反映输入的变化。只是响应的时间上,略有滞后。但由于PLC的工作速度很快,所以,这个“略有滞后”的时间是很短的,一般也就是几毫秒、几十毫秒,最多也不会超过100200毫秒。

2a所示的是简化的过程,实际的PLC工作过程还要复杂些。除了I/O刷新及运行用户程序,还要做些其它的公共处理工作。公共处理工作有:循环时间监视、外设服务及通讯处理等。

      监视循环时间的目的是避免用户程序“死循环”,保证PLC能正常工作。为避免用户程序“死循环”的办法是用“看门狗”(Watching dog),即设一个定时器,监测用户程序的运行时间。只要循环超时,即报警,或作相应处理。

      外设服务是让PLC可接受编程器对它的操作,或向编程器输出数据。

通讯处理是实现与计算机,或与其它PLC,或与智能操作器、传感器进行信息交换的。这也是增强PLC控制能力的需要。

      也就是说,实际的PLC工作过程总是:公共处理——I/O刷新——运行用户程序——再公共处理——反复不停地重复着。图2b所示的是实际的过程。

      此外,PLC上电后,也要进行系统自检及内存的初始化工作,为PLC的正常运行做好准备。

      用这种不断地重复运行程序以实现控制,称扫描方式工作。是PLC基本的工作方式。

      此外,为了应对紧急任务,PLC还有中断工作方式。在中断方式下,需处理的任务先申请中断,被响应后停止正运行的程序,转而去处理中断工作(运行有关中断的服务程序)。待处理完中断,又返回运行原来程序。

      PLC的中断方式的任务,或称事件,是分等级的。同时出现两个或多个中断事件,则优先级高的先处理,继而处理低的。直到全部处理完中断任务,再转为执行扫描程序。

      PLC对大量控制都用扫描方式工作,而对个别急需的处理,则用中断方式。这样,既可做到所有的控制都能照顾到,而个别应急的任务也能及时进行处理。

      当然,PLC的实际工作过程比这里讲的还要复杂一些,分析其基本原理,也还有一些理论问题。但如果能弄清上面介绍的思路,也可知到PLC是怎么工作的了。