PLC的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

作為一種工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，plc和普通計(jì)算機(jī)有著相似的結(jié)構(gòu);但是由于使用場(chǎng)合、目的不同，在結(jié)構(gòu)上又有一些差別。

1.PLC的硬件組成

PLC硬件系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如下

PLC的主機(jī)由CPU、存儲(chǔ)器(EPROM、RAM)、輸入/輸出單元、外設(shè)I/O接口、通信接口及電源組成。對(duì)于整體式PLC，這些部件都在同一個(gè)機(jī)殼內(nèi)。而對(duì)于模塊式PLC，各部件獨(dú)立封裝，稱為模塊，各模塊通過(guò)機(jī)架和電纜連接在一起。主機(jī)內(nèi)的各個(gè)部分均通過(guò)電源總線、控制總線、地址總線和數(shù)據(jù)總線連接，根據(jù)實(shí)際控制對(duì)象的需要配備一定的外部設(shè)備，構(gòu)成不同的PLC控制系統(tǒng)。常用的外部設(shè)備有編程器、打印機(jī)、EPROM寫入器等。PLC可以配置通信模塊與上位機(jī)及其他的PLC進(jìn)行通信，構(gòu)成PLC的分布式控制系統(tǒng)。

下面分別介紹PLC的各組成部分及其作用，以便用戶進(jìn)一步了解PLC的控制原理和工作過(guò)程。

(1)CPU

CPU是PLC的控制中樞，PLC在CPU的控制下有條不紊地協(xié)調(diào)工作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)設(shè)備進(jìn)行控制。CPU由微處理器和控制器組成，它可以實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算和數(shù)學(xué)運(yùn)算，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)內(nèi)部各部分的工作。

控制器的作用是控制整個(gè)微處理器的各個(gè)部件有條不紊的進(jìn)行工作，它的基本功能就是從內(nèi)存中讀取指令和執(zhí)行指令。

(2)存儲(chǔ)器

PLC配有兩種存儲(chǔ)器，即系統(tǒng)存儲(chǔ)器和用戶存儲(chǔ)器。系統(tǒng)存儲(chǔ)器用來(lái)存放系統(tǒng)管理程序，用戶不能訪問(wèn)和修改這部分存儲(chǔ)器的內(nèi)容。用戶存儲(chǔ)器用來(lái)存放編制的應(yīng)用程序和工作數(shù)據(jù)狀態(tài)。存放工作數(shù)據(jù)狀態(tài)的用戶存儲(chǔ)器部分也稱為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，它包括輸入/輸出數(shù)據(jù)映像區(qū)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器預(yù)置數(shù)和當(dāng)前值的數(shù)據(jù)區(qū)及存放中間結(jié)果的緩沖區(qū)。

PLC的存儲(chǔ)器主要包括以下幾種。

(1)只讀存儲(chǔ)器

(2)可編程只讀存儲(chǔ)器

(3)可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器

(4)電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器

(5)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器

(3)輸入/輸出(I/O)模塊

①開關(guān)量輸入模塊

開關(guān)量輸入設(shè)備是各種開關(guān)、按鈕、傳感器等，PLC的輸入類型通?？梢允侵绷?、交流和交直流。輸入電路的電源可由外部供給，有的也可由PLC內(nèi)部提供。

②開關(guān)量輸出模塊

輸出模塊的作用是將CPU執(zhí)行用戶程序所輸出的TTL電平的控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)所需的，能驅(qū)動(dòng)特定設(shè)備的信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。

(4)編程器

編程器是PLC重要的外部設(shè)備，利用編程器可將用戶程序送入PLC的用戶程序存儲(chǔ)器，調(diào)試程序、監(jiān)控程序的執(zhí)行過(guò)程。編程器從結(jié)構(gòu)上可分為以下三種類型。

(1)簡(jiǎn)易編程器

(2)圖形編程器

(3)通用計(jì)算機(jī)編程器

(5)電源

電源單元的作用是把外部電源(220V的交流電源)轉(zhuǎn)換成內(nèi)部工作電壓。外部連接的電源，通過(guò)PLC內(nèi)部配有的一個(gè)專用開關(guān)式穩(wěn)壓電源，將交流/直流供電電源轉(zhuǎn)化為PLC內(nèi)部電路需要的工作電源(直流5V、±12V、24V)，并為外部輸入元件(如接近開關(guān))提供24V直流電源(僅供輸入端點(diǎn)使用)。驅(qū)動(dòng)PLC負(fù)載的電源由用戶提供。

(6)外設(shè)接口

外設(shè)接口電路用于連接手持編程器或其他圖形編程器、文本顯示器，并能通過(guò)外設(shè)接口組成PLC的控制網(wǎng)絡(luò)。PLC使用PC/PPI電纜或者M(jìn)PI卡通過(guò)RS-485接口與計(jì)算機(jī)連接，可以實(shí)現(xiàn)編程、監(jiān)控、聯(lián)網(wǎng)等功能。

2.PLC的軟件組成

PLC的軟件由系統(tǒng)程序和用戶程序組成。

系統(tǒng)程序由PLC制造廠商設(shè)計(jì)編寫，并存入PLC的系統(tǒng)存儲(chǔ)器中，用戶不能直接讀寫與更改。系統(tǒng)程序一般包括系統(tǒng)診斷程序、輸入處理程序、編譯程序、信息傳送程序及監(jiān)控程序等。

PLC的用戶程序是用戶利用PLC的編程語(yǔ)言，根據(jù)控制要求編制的程序。在PLC的應(yīng)用中，最重要的是用PLC的編程語(yǔ)言來(lái)編寫用戶程序，以實(shí)現(xiàn)控制目的。由于PLC是專門為工業(yè)控制而開發(fā)的裝置，其主要使用者是廣大電氣技術(shù)人員，為了滿足他們的傳統(tǒng)習(xí)慣和掌握能力，PLC的主要編程語(yǔ)言采用比計(jì)算機(jī)語(yǔ)言相對(duì)簡(jiǎn)單、易懂、形象的專用語(yǔ)言。

1.圖形式指令結(jié)構(gòu)

2.明確的變量常數(shù)

3.簡(jiǎn)化的程序結(jié)構(gòu)

4.簡(jiǎn)化應(yīng)用軟件生成過(guò)程

5.強(qiáng)化調(diào)試手段

PLC的基本工作原理

PLC掃描的工作方式主要分三個(gè)階段，即輸入采樣階段、用戶程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段。如圖所示。

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(gè)階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會(huì)改變。因此，如果輸入的是脈沖信號(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，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掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算;然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)，或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)，或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。即在用戶程序執(zhí)行過(guò)程中，只有輸入點(diǎn)在I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生變化，而其他輸出點(diǎn)和軟設(shè)備在I/O映象區(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，而且排在上面的梯形圖，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(gè)掃描周期才能對(duì)排在其上面的梯形圖起作用。

3.輸出刷新階段

當(dāng)用戶程序掃描結(jié)束后，PLC就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)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。

輸入/輸出滯后現(xiàn)象

從PLC的工作過(guò)程，可以總結(jié)如下幾個(gè)結(jié)論。

·以掃描的方式執(zhí)行程序，其輸入/輸出信號(hào)間的邏輯關(guān)系存在著原理上的滯后。掃描周期越長(zhǎng)，滯后就越嚴(yán)重。

·掃描周期除了包括輸入采樣階段、用戶程序執(zhí)行階段、輸出刷新階段三個(gè)主要工作階段所占的時(shí)間外，還包括系統(tǒng)管理操作占用的時(shí)間。其中，程序執(zhí)行的時(shí)間與程序的長(zhǎng)短及指令操作的復(fù)雜程度有關(guān)，其他基本不變。掃描周期一般為毫微秒級(jí)。

·第n次掃描執(zhí)行程序時(shí)，所依據(jù)的輸入數(shù)據(jù)是該次掃描周期中采樣階段的掃描值X依據(jù)的輸出數(shù)據(jù)有上一次掃描的輸出值Y(n-1)，也有本次的輸出值Yn;所n送往輸出端子的信號(hào)，即是本次執(zhí)行全部運(yùn)算后的最終結(jié)果Yn。

輸入/輸出響應(yīng)滯后不僅與掃描方式有關(guān)，還與程序設(shè)計(jì)安排有關(guān)。