可编程逻辑控制器(PLC)基本概述

    可编程逻辑控制器( programmable logic controller，PLC)，简称可编程控制器，是以嵌入式微处理器为核心，具有数字逻辑或模拟输入输出模块，专为工业和工程复杂环境而设计的数字控制装置。经过长期的实际应用，它已经成为技术通用和标准化的控制器，是综合了微计算机技术、自动化技术和网络通信技术的新一代工业产品。它采用了专门设计的模块化硬件结构，其控制功能通过执行控制程序来完成，具有可靠性高、适应工业现场的高温、高湿度、冲击和振动等恶劣环境的特点，是机械制造控制、化工过程控制和能源工程控制等工业控制应用最普遍使用的工具，在工业自动化、民用与环境工程领域得到了广泛的应用。随着可编程控制器的发展，它不仅能完成编辑、逻辑控制和数字通信，而且能实现模拟量与数字量的相互转换。可编程控制器不但具有存储程序的存储器，还在内部对数据进行存储。它可执行逻辑运算、顺序控制、定时、记数和算术操作的指令，通过数字量或模拟量的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程；还具有液晶显示功能，通过触摸屏可实现人机对话，设定控制系统的参数和状态。    可编程控制器(PLC)的工作基本原理是采用程序扫描技术来实现逻辑控制功能。扫描是一种形象化的术语，用来描述可编程序控制器内部的CPU的工作过程。所谓扫描就是依次对各种规定的操作项目全部进行访问和处理。PLC运行时，用户程序中有众多的操作需要执行，但是一个CPU每一个时刻只能执行一个操作而不能同时执行多个操作，因此CPU按程序的顺序依次执行各个操作。这种在处理多个作业时依次按顺序处理的工作方式称为顺序扫描工作方式。由于扫描是周而复始、无限循环的，每扫描一个循环所用的时间即为扫描周期。顺序扫描的工作方式是PLC的基本工作方式，它简单直观，方便用户程序设计，为PLC的可靠运行提供了有利保证。一方面，所扫描的指令被执行后其结果马上就可以被后面将要扫描的指令所利用；另一方面，还可以通过CPU设置定时器来监视每次扫描时间是否超过规定时间，避免由于CPU内部故障使程序执行进入死循环。    PLC的工作过程基本上是用户的梯形图程序的执行过程，即在系统软件的控制下顺次扫描各输入点的状态，按用户程序解算控制逻辑，然后顺序向各个输出点发出相应的控制信号。除此之外，为提高工作的可靠性和及时地接收外来的控制命令，每个扫描周期还要进行故障自诊断和处理、与编程器或计算机的通信请求；因此，PLC工作过程分为以下五步。    ①自诊断。自诊断功能可使PLC系统在发生故障时能尽快地修复，为此PLC每次扫描用户程序以前都对CPU、存储器、输入／输出模块等进行自诊断，若自诊断正常便继续进行扫描，而一旦发现故障或异常现象，则转入处理程序，保留现行工作状态，关闭全部输出，然后停机并显示出错的信息。    ②网络通信。自诊断正常后PLC就扫描编程器、上位机等通信接口，如有通信请求便响应处理。在与编程器通信过程中，编程器把指令和修改的参数发送给主机，主机把要显示的状态、数据、错误码进行相应指示，编程器还可以向主机发送运行、停止、清内存等监控命令。在与上位机通信过程中，PLC将接收上位机发出的指令，并进行相应的操作，把现场状态、PLC的内部工作状态、各种数值参数发送给上位机，并执行启动、停机、修改参数等命令。    ③输入现场状态。完成上两步工作后PLC便扫描各个输入点，读人各点的状态和数据，如开关的通断状态及形成现场的内存映像。这一过程也称为输入采样或输入刷新。在一个扫描周期内，内存映像的内容不变，即使外部实际开关状态已经发生了变化，也只能在下一个扫描过程中的输入采样时刻进行刷新，解算用户逻辑所用的输入值是各输入点的内存映像值，而不是当时现场的实际值。    ④解算用户逻辑。解算用户逻辑即执行用户程序。一般是从存储器的最低地址存放的第一条程序开始，在无跳转的情况下按存储器地址的递增方向顺序地扫描用户程序，按用户程序进行逻辑判断和算术运算，因此称为解算用户逻辑。解算过程中所用的计数器、定时器、内部继电器等编程元件的内数据为相应存储单元的即时值，而输入继电器、输出继电器则用的是内存映像值。在一个扫描周期内，不管外部实际情况是否已经变化，某个输入信号的状态对整个用户程序是一致的，不会造成结果混乱。    ⑤输出结果。将扫描过程中解算出的最新结果送到输出模块，取代前一次扫描解算的结果，称为输出刷新。解算用户逻辑时，每一步所得到的输出信号被存入输出信号寄存表，并未发送到输出模块，相当于输出信号被输出门阻隔，待全部解算完成后打开输出门并输出，所用输出信号由输出状态表送到输出模块，输出模块触发开关动作。在依次完成上述五个步骤操作后，PLC又开始进行下一次扫描，如此不断的反复循环扫描，实现对全过程及设备的连续控制，直至接收到停止命令、停电或出现故障为止。PLC的扫描工作过程如图1-1所示。
    图1-1    PLC的扫描工作过程