可編程控制器(PLC)基礎講座（一）

 1.1 可編程控制器基本原理


    PLC是基于電子計算機，且適用于工業現場工作的電控制器。它源于繼電控制裝置，但它不像繼電裝置那樣，通過電路的物理過程實現控制，而主要靠運行存儲于PLC內存中的程序，進行入出信息變換實現控制。


    PLC基于電子計算機，但并不等同于普通計算機。普遍計算機進行入出信息變換，多只考慮信息本身，信息的入出，只要人機界面好就可以了。而PLC則還要考慮信息入出的可靠性、實時性，以及信息的使用等問題。特別要考慮怎么適應于工業環境，如便于安裝，抗干擾等問題。


    1.1.1 可編程控制器實現控制的要點


    入出信息變換、可靠物理實現，可以說是PLC實現控制的兩個基本要點。


    入出信息變換靠運行存儲于PLC內存中的程序實現。PLC程序既有生產廠家的系統程序(不可更改)，又有用戶自行開發的應用（用戶）程序。系統程序提供運行平臺，同時，還為PLC程序可靠運行及信號與信息轉換進行必要的公共處理。用戶程序由用戶按控制要求設計。什么樣的控制要求，就應有什么樣的用戶程序。

    可靠物理實現主要靠輸人（INPUT）及輸出（OUTPUT）電路。PLC的I/O電路，都是專門設計的。輸入電路要對輸入信號進行濾波，以去掉高頻干擾。而且與內部計算機電路在電上是隔離的，靠光耦元件建立聯系。輸出電路內外也是電隔離的，靠光耦元件或輸出繼電器建立聯系。輸出電路還要進行功率放大，以足以帶動一般的工業控制元器件，如電磁閥、接觸器等等。 


    I/O電路是很多的，每一輸入點或輸出點都要有一個I或O電路。PLC有多I/O用點，一般也就有多少個I/O用電路。但由于它們都是由高度集成化的電路組成的，所以，所占體積并不大。
圖 1-1-1 PLC 典型開機流程

    輸入電路時刻監視著輸入狀況，并將其暫存于輸入暫存器中。每一輸入點都有一個對應的存儲其信息的暫存器。 


    輸出電路要把輸出鎖存器的信息傳送給輸出點。輸出鎖存器與輸出點也是一一對應的，這里的輸入暫存器及輸出鎖存器實際就是PLC處理器I/O口的寄存器。它們與計算機內存交換信息通過計算機總線，并主要由運行系統程序實現。把輸人暫存器的信息讀到PLC的內存中，稱輸入刷新。PLC內存有專門開辟的存放輸入信息的映射區。這個區的每一對應位（bit）稱之為輸入繼電器，或稱軟接點。這些位置成1，表示接點通，置成0為接點斷。由于它的狀態是由輸入刷新得到的，所以，它反映的就是輸入狀態。


    輸出鎖存器與PLC內存中的輸出映射區也是對應的。一個輸出鎖存器也有一個內存位（bit）與其對應，這個位稱為輸出繼電器，或稱輸出線圈。靠運行系統程序，輸出繼電器的狀態映射到輸出鎖存器。這個映射也稱輸出刷新。輸出刷新主要也是靠運行系統程序實現的。這樣，用戶所要編的程序只是，內存中輸入映射區到輸出映射區的變換，特別是怎么按輸入的時序變換成輸出的時序。這是一個數據及邏輯處理問題。由于PLC有強大的指令系統，編寫出滿足這個要求的程序是完全可能的，而且也是較為容易的。

    1.1.2 可編程控制器實現控制的過程


    簡單地說，PLC實現控制的過程一般是：

輸入刷新--再運行用戶程序--再輸出刷新--再輸入刷新--再運行用戶程序--再輸出刷新……永不停止地循環反復地進行著。


    圖1－1－1所示的流程圖反映的就是上述過程。它也反映了信息的時間關系。


    有了上述過程，用PLC實現控制顯然是可能的。因為：有了輸入刷新，可把輸入電路監控得到的輸入信息存入PLC的輸入映射區；經運行用戶程序，輸出映射區將得到變換后的信息；再經輸出刷新，輸出鎖存器將反映輸出映射區的狀態，并通過輸出電路產生相應的輸出。又由于這個過程是永不停止地循環反復地進行著，所以，輸出總是反映輸入的變化的。只是響應的時間上，略有滯后。當然，這個滯后不宜太大，否則，所實現的控制不那么及時，也就失去控制的意義。 


    為此，PLC的工作速度要快。速度快、執行指令時間短，是PLC實現控制的基礎。事實上，它的速度是很快的，執行一條指令，多的幾微秒、幾十微秒，少的才零點幾，或零點零幾微秒。而且這個速度還在不斷提高中。


    圖1－1－1所示的過程是簡化的過程，實際的 PLC工作過程還要復雜些。除了 I/O刷新及運行用戶程序，還要做些公共處理工作。 


    公共處理工作有：循環時間監控、外設服務及通訊處理等。
    

    監控循環時間的目的是避免"死循環"，避免程序不能反復不斷地重復執行。辦法是用"看門狗"（Watching dog）。只要循環超時，它可報警，或作相應處理.


    外設服務是讓PLC可接受編程器對它的操作，或通過接口向輸出設備如打印機輸出數據.


    通訊處理是實現PLC與PLC，或PLC與計算機，或PLC與其它工業控制裝置或智能部件間信息交換的。這也是增強PLC控制能力的需要。


    也就是說，實際的PLC工作過程總是：公共處理--I/O刷新--運行用戶程序--再公共處理--……反復不停地重復著。
 
    1.1.3 可編程控制器實現控制的方式 

    用這種不斷地重復運行程序實現控制稱掃描方式。是用計算機進行實時控制的一種方式。此外，計算機用于控制還有中斷方式。在中斷方式下，需處理的控制先申請中斷，被響應后正運行的程序停止運行，轉而去處理中斷工作（運行有關中斷服務程序）。待處理完中斷，又返回運行原來程序。哪個控制需要處理，哪個就去申請中斷。哪個不需處理，將不被理睬。顯然，中斷方式與掃描方式是不同的。


    在中斷方式下，計算機能得到充分利用，緊急的任務也能得到及時處理。但是，如果同時來了幾個都要處理的任務該怎么辦呢？優先級高的還好辦，低的呢？可能會出現照顧不到之處。所以，中斷方式不大適合于工作現場的日常使用。 


    但是，PLC在用掃描方式為主的情況下，也不排斥中斷方式。即，大量控制都用掃描方式，個別急需的處理，允許中斷這個掃描運行的程序，轉而去處理它。這樣，可做到所有的控制都能照顧到，個別應急的也能進行處理。


    PLC的實際工作過程比這里講的還要復雜一些，分析其基本原理，也還有一些理論問題。有關人員如果能把上面介紹的入出變換、物理實現--信息處理、I/O電路--空間、時間關系--掃描方式并輔以中斷方式，作為一種思路加以研究，弄清了它，也就好理解PLC是怎樣去實現控制的，也就好把握住PLC基本原理的要點了。至于更深入的問題，在進一步學習中，將再作具體介紹。