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   七. PLC的工作原理

　　最初研制生產的PLC主要用于代替傳統的由繼電器接觸器構成的控制裝置，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，該繼電器所有的觸點（包括其常開或常閉觸點）在繼電器控制線路的哪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100ms以上，而PLC掃描用戶程序的時間一般均小于100ms，因此，PLC采用了一種不同于一般微型計算機的運行方式---掃描技術。這樣在對于I/O響應要求不高的場合，PLC與繼電器控制裝置的處理結果上就沒有什么區別了。

　　 1、掃描技術 當PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執行和輸出刷新三個階段。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執行上述三個階段。

　　（1）輸入采樣階段

　　在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態和數據，并將它們存入I/O映象區中的相應得單元內。輸入采樣結束后，轉入用戶程序執行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態和數據發生變化，I/O映象區中的相應單元的狀態和數據也不會改變。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）用戶程序執行階段

　　在用戶程序執行階段，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成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制線路進行邏輯運算，然后根據邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統RAM存儲區中對應位的狀態；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區中對應位的狀態；或者確定是否要執行該梯形圖所規定的特殊功能指令。即，在用戶程序執行過程中，只有輸入點在I/O映象區內的狀態和數據不會發生變化，而其他輸出點和軟設備在I/O映象區或系統RAM存儲區內的狀態和數據都有可能發生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執行結果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數據的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態或數據只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。

　　（1）輸出刷新階段

　　當掃描用戶程序結束后，PLC就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區內對應的狀態和數據刷新所有的輸出鎖存電路，再經輸出電路驅動相應的外設。這時，才是PLC的真正輸出。

　　 2、PLC的I/O響應時間

　　為了增強PLC的抗干擾能力，提高其可*性，PLC的每個開關量輸入端都采用光電隔離等技術。為了能實現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）。以上兩個主要原因，使得PLC得I/O響應比一般微型計算機構成的工業控制系統滿的多，其響應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響應時間指從PLC的某一輸入信號變化開始到系統有關輸出端信號的改變所需的時間

　　八. PLC的I/O系統

　　 1、I/O尋址方式

　　 PLC的硬件結構主要分單元式和模塊式兩種。前者將PLC的主要部分(包括I/O系統和電源等)全部安裝在一個機箱內。后者將PLC的主要硬件部分分別制成模塊，然后由用戶根據需要將所選用的模塊插入PLC機架上的槽內，構成一個PLC系統。不論采取哪一種硬件結構，都必須確立用于連接工業現場的各個輸入/輸出點與PLC的I/O映象區之間的對應關系，即給每一個輸入/輸出點以明確的地址確立這種對應關系所采用得方式稱為I/O尋址方式。

　　 I/O尋址方式有以下三種：

　　（1）固定的I/O尋址方式這種I/O尋址方式是由PLC制造廠家在設計、生產PLC時確定的，它的每一個輸入/輸出點都有一個明確的固定不變的地址。一般來說，單元式的PLC采用這種I/O尋址方式。

　　（2）開關設定的I/O尋址方式這種I/O尋址方式是由用戶通過對機架和模塊上的開關位置的設定來確定的。

　　（3）用軟件來設定的I/O尋址方式這種I/O尋址方式是有用戶通過軟件來編制I/O地址分配表來確定的

　　PLC程序設計語言介紹　

　　在PLC中有多種程序設計語言,它們是梯形圖語言、布爾助記符語言、功能表圖語言、功能模塊圖語言及結構化語句描述語言等。梯形圖語言和布爾助記符語言是基本程序設計語言，它通常由一系列指令組成，用這些指令可以完成大多數簡單的控制功能，例如，代替繼電器、計數器、計時器完成順序控制和邏輯控制等，通過擴展或增強指令集，它們也能執行其它的基本操作。功能表圖語言和語句描述語言是高級的程序設計語言，它可根據需要去執行更有效的操作，例如，模擬量的控制，數據的操縱，報表的報印和其他基本程序設計語言無法完成的功能。功能模塊圖語言采用功能模塊圖的形式，通過軟連接的方式完成所要求的控制功能，它不僅在PLC中得到了廣泛的應用，在集散控制系統的編程和組態時也常常被采用，由于它具有連接方便、操作簡單、易于掌握等特點，為廣大工程設計和應用人員所喜愛。

　　根據PLC應用范圍，程序設計語言可以組合使用，常用的程序設計語言是：梯形圖程序設計語言；布爾助記符程序設計語言（語句表）；功能表圖程序設計語言；功能模塊圖程序設計語言；結構化語句描述程序設計語言；梯形圖與結構化語句描述程序設計語言；布爾助記符與功能表圖程序設計語言；布爾助記符與結構化語句描述程序設計語言。

　　 1、梯形圖（Ladder Diagram）

　　程序設計語言梯形圖程序設計語言是用梯形圖的圖形符號來描述程序的一種程序設計語言。采用梯形圖程序設計語言，程序采用梯形圖的形式描述。這種程序設計語言采用因果關系來描述事件發生的條件和結果。每個梯級是一個因果關系。在梯級中，描述事件發生的條件表示在左面，事件發生的結果表示在后面。梯形圖程序設計語言是最常用的一種程序設計語言。它來源于繼電器邏輯控制系統的描述。

　　在工業過程控制領域，電氣技術人員對繼電器邏輯控制技術較為熟悉，因此，由這種邏輯控制技術發展而來的梯形圖受到了歡迎，并得到了廣泛的應用。梯形圖程序設計語言的特點是：（1）與電氣操作原理圖相對應，具有直觀性和對應性；

　　（2）與原有繼電器邏輯控制技術相一致，對電氣技術人員來說，易于撐握和學習；

　　（3）與原有的繼電器邏輯控制技術的不同點是，梯形圖中的能流（Power FLow）不是實際意義的電流，內部的繼電器也不是實際存在的繼電器，因此，應用時，需與原有繼電器邏輯控制技術的有關概念區別對待；

　　（4）與布爾助記符程序設計語言有一一對應關系，便于相互的轉換和程序的檢查。

　　 2、布爾助記符（Boolean Mnemonic）

　　程序設計語言布爾助記符程序設計語言是用布爾助記符來描述程序的一種程序設計語言。布爾助記符程序設計語言與計算機中的匯編語言非常相似，采用布爾助記符來表示操作功能。

　　布爾助記符程序設計語言具有下列特點：

　　（1）采用助記符來表示操作功能，具有容易記憶，便于撐握的特點；

　　（2）在編程器的鍵盤上采用助記符表示，具有便于操作的特點，可在無計算機的場合進行編程設計；

　　（3）與梯形圖有一一對應關系。其特點與梯形圖語言基本類同。

　　 3、功能表圖（Sepuential Function Chart）

　　程序設計語言功能表圖程序設計語言是用功能表圖來描述程序的一種程序設計語言。它是近年來發展起來的一種程序設計語言。采用功能表圖的描述，控制系統被分為若干個子系統，從功能入手，使系統的操作具有明確的含義，便于設計人員和操作人員設計思想的溝通，便于程序的分工設計和檢查調試。

　　功能表圖程序設計語言的特點是：

　　（1）以功能為主線，條理清楚，便于對程序操作的理解和溝通；

　　（2）對大型的程序，可分工設計，采用較為靈活的程序結構，可節省程序設計時間和調試時間；

　　（3）常用于系統的規模校大，程序關系較復雜的場合；

　　（4）只有在活動步的命令和操作被執行，對活動步后的轉換進行掃描，因此，整個程序的掃描時間較其他程序編制的程序掃描時間要大大縮短。功能表圖來源于佩特利（Petri）網，由于它具有圖形表達方式，能較簡單和清楚地描述并發系統和復雜系統的所有現象，并能對系統中存有的象死鎖、不安全等反常現象進行分析和建模，在模型的基礎上能直接編程，所以，得到了文泛的應用。近幾年推出的PLC和小型集散控制系統中也已提供了采用功能表圖描述語言進行編程的軟件。關于佩特利（Petri）網的一些基本概念，我在以后有機會時再介紹給各位，以有助于對功能表圖的進一步理解。

　　 4、功能模塊圖（Function Block）

　　程序設計語言功能模塊圖程序設計語言是采用功能模塊來表示模塊所具有的功能，不同的功能模塊有不同的功能。它有若干個輸入端和輸出端，通過軟連接的方式，分別連接到所需的其它端子，完成所需的控制運算或控制功能。功能模塊可以分為不同的類型，在同一種類型中，也可能因功能參數的不同而使功能或應用范圍有所差別，例如，輸入端的數量、輸入信號的類型等的不同使它的使用范圍不同。由于采用軟連接的方式進行功能模塊之間及功能模塊與外部端子的連接，因此控制方案的更改、信號連接的替換等操作可以很方便實現。

　　功能模塊圖程序設計語言的特點是：

　　（1）以功能模塊為單位，從控制功能入手，使控制方案的分析和理解變得容易；

　　（2）功能模塊是用圖形化的方法描述功能，它的直觀性大大方便了設計人員的編程和組態，有較好的易操作性；

　　（3）對控制規模較大、控制關系較復錄的系統，由于控制功能的關系可以較清楚地表達出來，因此，編程和組態時間可以縮短，調試時間也能減少；

　　（4）由于每種功能模塊需要占用一定的程序內存，對功能模塊的執行需要一定的執行時間，因此，這種設計語言在大中型PLC和集散控制系統的編程和組態中才被采用。

　　 5、結構化語句（Structured Text）

　　描述程序設計語言結構化語句描述程序設計語言是用結構化的描述語句來描述程序的一種程序設計語言。它是一種類似于高級語言的程序設計語言。在大中型的PLC系統中，常采用結構化語句描述程序設計語言來描述控制系統中各個變量的關系。它也被用于集散控制系統的編程和組態。結構化語句描述程序設計語言采用計算機的描述語句來描述系統中各種變量之間的各種運算關系，完成所需的功能或操作。大多數制造廠商采用的語句描述程序設計語言與BASIC語言、PASCAL語言或C語言等高級語言相類似，但為了應用方便，在語句的表達方法及語句的種類等方面都進行了簡化。

　　結構化程序設計語言具有下列特點：

　　（1）采用高級語言進行編程，可以完成較復雜的控制運算；

　　（2）需要有一定的計算機高級程序設計語言的知識和編程技巧，對編程人員的技能要求較高，普通電氣人員無法完成。

　　（3）直觀性和易操作性等性能較差；

　　（4）常被用于采用功能模塊等其他語言較難實現的一些控制功能的實施。部分PLC的制造廠商為用戶提供了簡單的結構化程序設計語言，它與助記符程序設計語言相似，對程序的步數有一定的限制，同時，提供了與PLC間的接口或通信連接程序的編制方式，為用戶的應用程序提供了擴展余地。