PLC的工作原理详述

    前面几节对PLC硬件体系中最基本的部件做了介绍。本节用一个最简单的PLC来说明其工作原理。设有一台PLC（型号为LEM），由图2-11可知它有4位操作码，最多有16种指令，表2-4列出了其中的一部分指令。    表2-4    LEM PLC的部分指令
    图2-11给出了指令格式，每一条指令由13位组成。    从图2-11指令格式中可以看出指令的地址场包含9位二进制数，允许寻址29= 512位。在LEM - PLC中设置128位输入变量Ui和128位输出变量Yj，剩下256位保留作为中间变量Xk。因此LEM的数据存储器（便笺式存储器）具有512位，以八进制表示时，地址为0 (O)～777 (O)。图2-12所示为LEM的数据存储器组态。
    图2-11    LEM PLC的指令格式    LEM的中央处理器包含一个程序计数器(P)或称指令指针（10位寄存器），一个13位指令寄存器(I)和一个逻辑累加器(A)，最后还有一个4位后进先出的堆栈LIFD。图2-13所示为执行指令的过程。指令指针执行完当前指令后把指针数加1，指向下一条将执行的指令。现在指令指针中的内容为1000 (0) (二进制码为001 000 000 000)，在程序存储器（用户存储区）中。地址为1000 (0)单元处放置有指令IFU3，中央处理器将这条指令取入指令寄存器(I)，这时(I)寄存器的内容为
    图2-12    LEM的数据存储器组态
    图2-13    LEM PLC执行指令的过程    其地址场的内容为000 000 011转入地址寄存器(S)，并取数据存储器第3单元（输入变量U3）的内容送至累加器(A)。这一过程是中央处理器根据指令中的操作码0001，经译码器译码后在时钟的控制下进行的。以上仅仅是执行一条指令的过程。    下面介绍PLC怎样使用LEFO堆栈来完成一个梯形图的梯节或一个布尔代数方程的表达式：
       用梯形图来表示上述逻辑方程的梯节如图2-14所示。
    图2-14    用梯形图表示的例子    将上述逻辑方程或梯节写成LEM PLC能执行的程序，其程序表见表2-5。    表2-5    LEM PLC内的用户程序表（执行本例子的程序表）
    表2-5中的指令助记符在程序存储器中的编码见表2-6。    表2-6    程序表在存储器中的编码
    在表2-7中列出了程序执行过程中，累加器A和堆栈的内容。    表2-7    程序执行过程中累加器A和堆栈的内容
    输入变量、中间变量和输出变量在数据存储器中的位置见表2-8。    表2-8    程序执行过程中各个变量在数据存储器中的位置
    上面说明了PLC执行一条指令或一个逻辑方程（用梯形图表示时是一个梯节）的过程。但是PLC与普通办公用计算机有一个很大的不同点，那就是PLC的程序是自动循环执行的，而普通计算机是按照命令执行程序，程序结束后等待新的命令。后一种工作方式称为异步工作方式。因此，对PLC说来循环是一个十分重要的概念。大部分PLC采用这样的循环方式，程序一开始，扫描和采集输入模板上各输入变量的数据，然后转移到中央存储器的数据区（有时称为便笺式存储器或输入映像区），接着执行用户的应用程序，把逻辑运算的结果送到便笺式存储器的输出映像区，最后将输出映像区的值送到输出模板去控制具体的物理过程。在处理完输出转移后，要进行通信程序处理，来完成编程命令或监视命令。然后又回到循环的起始点，扫描和采集输入模板。    下面以Philps Proscon逻辑控制器为例，进一步说明循环的概念，该控制器的配置如下：    1) 16块输入模板，每块模板16个输入点，总共256个输入点。    2) 16块输出模板，每块模板16个输出点，总共256个输出点，    3) 4KB程序存储器。    一块输入模板或输出模板的存取时间为29μs，执行1KB程序指令的时间为1.85 ms。这样，整个的循环时间是8. 3ms，它是由两个部分组成的：一部分的输入/输出循环时间为32×29μs=928μs=0.928 ms，另一部分的执行程序存储器用户程序的时间，最长为4×1.85ms=7. 4ms。图2-15所示为PLC循环举例。图2-16所示为模板之间信息交换的过程。图2-17所示为PLC循环的控制信号定时图。
    图2-15    PLC循环举例
    图2-16    PLC模板之间信息交换的过程
    图2-17    PLC循环的控制信号定时图    图2-17中的各种信号说明如下：    S1：输入/输出信号的有效周期。    B1：输入/输出地址总线信号。    S2：来自输入模板的应答信号。    B2：转移输入状态到便笺式存储器（输入/输出映像）的总线信号。    S3：来自中央处理单元允许转移到输出模板的时钟信号。    B3：从便笺式存储器中转移输出状态到缓冲存储器的总线信号。缓冲存储器能保证即使在输出板的电源发生故障的情况下，也能保持住应输出的信息。    S5：逻辑处理信号。    B4：程序存储器地址总线信号。    S6：开始执行指令周期的信号。    B5：指令的总线信号。    有3种基本因素会影响到PLC的循环结构，它们是输入/输出采集战略；跳转指令的应用；有可能存在数值计算。    还有一种更复杂的情况，那就是多处理器结构的PLC，在循环过程中要分配给智能模板命令和采集信息，智能模板是自身带CPU且具有特殊功能的模板，智能模板的循环和主CPU的循环是并行进行的，但主CPU要向智能模板发送命令和采集信息。    在循环过程中，遇有跳转指令时（包括无条件和条件跳转），会改变循环的方向，图2-18所示为执行程序过程中修整循环的例子。
    图2-18    程序执行时循环时间修改的例子    a)根据程序中的跳转指令，循环的时间是变化的b）子循环的建立