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、PLC的基本概念
可編程控制器(Programmable Controller)是計(jì)算機(jī)家族中的一員，是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)，簡稱PLC，它主要用來代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱PC。但是為了避免與個人計(jì)算機(jī)(Personal Computer)的簡稱混淆，所以將可編程控制器簡稱PLC
2、PLC的基本結(jié)構(gòu)
PLC實(shí)質(zhì)是一種于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同，如圖所示：
a. *處理單元(CPU)
*處理單元(CPU)是PLC的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當(dāng)PLC投入運(yùn)行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，zui后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行。
為了進(jìn)一步提高PLC的可*性，近年來對大型PLC還采用雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個CPU出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。
b、存儲器
存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。
存放應(yīng)用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。
C、電源
PLC的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要得作用。如果沒有一個良好的、可*得電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此PLC的制造商對電源的設(shè)計(jì)和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去。
3、PLC的工作原理
一. 掃描技術(shù)
當(dāng)PLC投入運(yùn)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(zhí)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(yùn)行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段。
(一) 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(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)得單元內(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)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)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。
(二) 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(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存儲區(qū)中對應(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)果會對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)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。
(三) 輸出刷新階段
當(dāng)掃描用戶程序結(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)動相應(yīng)的外設(shè)。這時，才是PLC的真正輸出。
比較下二個程序的異同：
程序1：
程序2：
這兩段程序執(zhí)行的結(jié)果*一樣，但在PLC中執(zhí)行的過程卻不一樣。
※ 程序1只用一次掃描周期，就可完成對%M4的刷新；
※ 程序2要用四次掃描周期，才能完成對%M4的刷新。
這兩個例子說明：同樣的若干條梯形圖，其排列次序不同，執(zhí)行的結(jié)果也不同。另外，也可以看到：采用掃描用戶程序的運(yùn)行結(jié)果與繼電器控制裝置的硬邏輯并行運(yùn)行的結(jié)果有所區(qū)別。當(dāng)然，如果掃描周期所占用的時間對整個運(yùn)行來說可以忽略，那么二者之間就沒有什么區(qū)別了。
一般來說，PLC的掃描周期包括自診斷、通訊等，如下圖所示，即一個掃描周期等于自診斷、通訊、輸入采樣、用戶程序執(zhí)行、輸出刷新等所有時間的總和。
二. PLC的I/O響應(yīng)時間
為了增強(qiáng)PLC的抗*力，提高其可*性，PLC的每個開關(guān)量輸入端都采用光電隔離等技術(shù)。
為了能實(shí)現(xiàn)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(jì)算機(jī)的運(yùn)行方式(掃描技術(shù))。
以上兩個主要原因，使得PLC得I/O響應(yīng)比一般微型計(jì)算機(jī)構(gòu)成的工業(yè)控制系統(tǒng)滿的多，其響應(yīng)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(yīng)時間指從PLC的某一輸入信號變化開始到系統(tǒng)有關(guān)輸出端信號的改變所需的時間。其zui短的I/O響應(yīng)時間與zui長的I/O響應(yīng)時間如圖所示：
第(n-1)個
掃描周期
zui短I/O響應(yīng)時間：
zui長I/O響應(yīng)時間
SIEMENS PLC在中國的產(chǎn)品，根據(jù)規(guī)模和性能的大小，主要有 S7-200 S7-300 和S7-400三種，下面就簡單介紹一下該三種產(chǎn)品的一些特性。
S7-200
針對低性能要求的摸塊化小控制系統(tǒng)，它zui多可有7個模塊的擴(kuò)展能力，在模塊中集成背板總線，它的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接有RS-485通訊接口和Profibus兩種，可通過編程器PG訪問所有模塊，帶有電源、CPU和I/O的一體化單元設(shè)備。
其中的擴(kuò)展模塊（EM）有以下幾種：數(shù)字量輸入模塊（DI）——24VDC 和 120/230VAC；數(shù)字量輸出（DO）——24VDC 和 繼電器；模擬量輸入模塊（AI）——電壓、電流、電阻和熱電偶；模擬量輸出模塊——電壓和電流。 還有一個比較特殊的模塊-通訊處理器（CP）——該塊的功能是可以把S7-200作為主站連接到AS-接口（傳感器和執(zhí)行器接口），通過AS-接口的從站可以控制多達(dá)248個設(shè)備，這樣就可以顯著的擴(kuò)展S7-200的輸入和輸出點(diǎn)數(shù)。
PLC在數(shù)控機(jī)床中的工作流程，和通常的PLC工作流程基本上是*的，分為以下幾個步驟:
(1).輸入采樣:輸入采樣，就是PLC以順序掃描的方式讀入所有輸入端口的信號狀態(tài)，并將此狀態(tài)，讀入到輸入映象寄存器中。當(dāng)然，在程序運(yùn)行周期中這些信號狀態(tài)是不會變化的，除非一個新的掃描周期的到來，并且原來端口信號狀態(tài)已經(jīng)改變，讀到輸入映象寄存器的信號狀態(tài)才會發(fā)生變化。
(2)、程序執(zhí)行:程序執(zhí)行階段系統(tǒng)會對程序進(jìn)行特定順序的掃描，并且同時讀入輸入映像寄存區(qū)、輸出映像寄存區(qū)的讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，在進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算后，將運(yùn)算結(jié)果存入輸出映像寄存區(qū)供輸出和下次運(yùn)行使用。
(3)、出刷新階段:在所指令執(zhí)行完成后，輸出映像寄存區(qū)的所有輸出繼電器的狀態(tài)(接通/斷開)在輸出刷新階段轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，通過特定方式輸出，驅(qū)動外部負(fù)載。
PLC是采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進(jìn)行工作的。即在PLC運(yùn)行時，CPU根據(jù)用戶按控制要求編制好并存于用戶存儲器中的程序，按指令步序號（或地址號）作周期性循環(huán)掃描，如無跳轉(zhuǎn)指令，則從*條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至程序結(jié)束。然后重新返回*條指令，開始下一輪新的掃描。在每次掃描過程中，還要完成對輸入信號的采樣和對輸出狀態(tài)的刷新等工作。
PLC的一個掃描周期必經(jīng)輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。
PLC在輸入采樣階段：首先以掃描方式按順序?qū)⑺袝捍嬖谳斎腈i存器中的輸入端子的通斷狀態(tài)或輸入數(shù)據(jù)讀入，并將其寫入各對應(yīng)的輸入狀態(tài)寄存器中，即刷新輸入。隨即關(guān)閉輸入端口，進(jìn)入程序執(zhí)行階段。
PLC在程序執(zhí)行階段：按用戶程序指令存放的先后順序掃描執(zhí)行每條指令，經(jīng)相應(yīng)的運(yùn)算和處理后，其結(jié)果再寫入輸出狀態(tài)寄存器中，輸出狀態(tài)寄存器中所有的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而改變。
輸出刷新階段：當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢，輸出狀態(tài)寄存器的通斷狀態(tài)在輸出刷新階段送至輸出鎖存器中，并通過一定的方式（繼電器、晶體管或晶閘管）輸出，驅(qū)動相應(yīng)輸出設(shè)備工作。
規(guī) 格：SIEMENS；*
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