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工控自动化的大脑plc的工作原理和重要作用

1、PLC的基(ji)本概念

早期的(de)(de)(de)可(ke)(ke)编(bian)程(cheng)控(kong)制(zhi)器(qi)称作可(ke)(ke)编(bian)程(cheng)逻辑(ji)控(kong)制(zhi)器(qi)(Programmable Logic Controller,PLC),它主要用(yong)来代(dai)替(ti)继电(dian)器(qi)实现逻辑(ji)控(kong)制(zhi)。随(sui)着技(ji)术(shu)的(de)(de)(de)发展,这(zhei)种采用(yong)微型计(ji)算(suan)机技(ji)术(shu)的(de)(de)(de)工业控(kong)制(zhi)装(zhuang)置(zhi)的(de)(de)(de)功能已经(jing)大(da)大(da)超过了(le)逻辑(ji)控(kong)制(zhi)的(de)(de)(de)范(fan)围,因此,今(jin)天这(zhei)种装(zhuang)置(zhi)称作可(ke)(ke)编(bian)程(cheng)控(kong)制(zhi)器(qi),简(jian)称PC。但是(shi)为了(le)避免与(yu)个人(ren)计(ji)算(suan)机(Personal Computer)的(de)(de)(de)简(jian)称混淆,所以(yi)将可(ke)(ke)编(bian)程(cheng)序控(kong)制(zhi)器(qi)简(jian)称PLC,plc自1966年美(mei)(mei)国(guo)数据设(she)备公司(DEC)研制(zhi)出现,现行(xing)美(mei)(mei)国(guo),日本,德国(guo)的(de)(de)(de)可(ke)(ke)编(bian)程(cheng)序控(kong)制(zhi)器(qi)质量(liang)优良,功能强大(da)。


2、PLC的基本结构

PLC实质是一种专(zhuan)用于工业控制(zhi)的(de)计(ji)算机,其硬(ying)件结构(gou)基(ji)(ji)本上(shang)与微型计(ji)算机相同,基(ji)(ji)本构(gou)成为:

a、电源

PLC的(de)电源在整个系统中起着十分(fen)重(zhong)(zhong)要的(de)作(zuo)用。如果没有一个良好(hao)的(de)、可(ke)靠的(de)电源系统是无法正常工作(zuo)的(de),因此PLC的(de)制造商(shang)对(dui)电源的(de)设计和制造也十分(fen)重(zhong)(zhong)视。一般(ban)交流电压(ya)波动在+10%(+15%)范围内(nei)可(ke)以不采取其它措施而将PLC直接连(lian)接到交流电网上去。

b. 中央处理单元(CPU)

中央处理单元(CPU)是(shi)PLC的(de)控(kong)制中枢(shu)。它按照PLC系统(tong)程(cheng)(cheng)序赋予的(de)功能(neng)接收并(bing)存储(chu)从编程(cheng)(cheng)器(qi)键入(ru)(ru)的(de)用(yong)(yong)户(hu)(hu)程(cheng)(cheng)序和数(shu)(shu)据(ju);检查(cha)电源、存储(chu)器(qi)、I/O以及警戒(jie)定时(shi)器(qi)的(de)状(zhuang)态,并(bing)能(neng)诊断用(yong)(yong)户(hu)(hu)程(cheng)(cheng)序中的(de)语法错误。当PLC投入(ru)(ru)运行时(shi),首先(xian)它以扫(sao)描(miao)的(de)方式接收现场各输入(ru)(ru)装置的(de)状(zhuang)态和数(shu)(shu)据(ju),并(bing)分(fen)别存入(ru)(ru)I/O映象区,然后(hou)(hou)从用(yong)(yong)户(hu)(hu)程(cheng)(cheng)序存储(chu)器(qi)中逐(zhu)条读取用(yong)(yong)户(hu)(hu)程(cheng)(cheng)序,经过命令(ling)解(jie)释(shi)后(hou)(hou)按指(zhi)令(ling)的(de)规定执(zhi)行逻辑或(huo)算(suan)(suan)数(shu)(shu)运算(suan)(suan)的(de)结果送入(ru)(ru)I/O映象区或(huo)数(shu)(shu)据(ju)寄(ji)存器(qi)内(nei)(nei)。等(deng)所有的(de)用(yong)(yong)户(hu)(hu)程(cheng)(cheng)序执(zhi)行完(wan)毕之后(hou)(hou),最后(hou)(hou)将I/O映象区的(de)各输出状(zhuang)态或(huo)输出寄(ji)存器(qi)内(nei)(nei)的(de)数(shu)(shu)据(ju)传送到(dao)相(xiang)应的(de)输出装置,如此循环运行,直到(dao)停止运行。

为了进一(yi)步(bu)提高PLC的可靠性,近(jin)年来(lai)对(dui)大型PLC还采(cai)用(yong)双CPU构成冗余系统,或采(cai)用(yong)三CPU的表决式系统。这样,即(ji)使某(mou)个(ge)CPU出现故障,整(zheng)个(ge)系统仍能(neng)正常运行。

c、存储器

存(cun)放系统(tong)软件的存(cun)储(chu)(chu)器(qi)称(cheng)为系统(tong)程序存(cun)储(chu)(chu)器(qi)。

存放应用软件的存储器(qi)称为用户程序存储器(qi)。

d、输入输出接口电路

1.现(xian)场输入(ru)接(jie)口电(dian)路(lu)由光耦合电(dian)路(lu)和(he)微机(ji)的输入(ru)接(jie)口电(dian)路(lu),作用是PLC与现(xian)场控制(zhi)的接(jie)口界面的输入(ru)通道。

2.现场(chang)输(shu)出(chu)(chu)接口(kou)电(dian)(dian)路由输(shu)出(chu)(chu)数据寄(ji)存器、选通电(dian)(dian)路和中断请求电(dian)(dian)路集(ji)成,作用(yong)PLC通过现场(chang)输(shu)出(chu)(chu)接口(kou)电(dian)(dian)路向(xiang)现场(chang)的(de)执行部件输(shu)出(chu)(chu)相应的(de)控制信号。

e、功(gong)(gong)能(neng)模(mo)块 如计(ji)数(shu)、定位等功(gong)(gong)能(neng)模(mo)块。

f、通信(xin)模块(kuai) 如以太网(wang)、RS485、Profibus-DP通讯模块(kuai)等。


3、PLC的工作原理

扫(sao)描技术 当PLC投入(ru)运行(xing)后(hou),其工(gong)作过程(cheng)一般分为三(san)个(ge)阶(jie)段(duan),即(ji)输入(ru)采样(yang)、用户程(cheng)序执(zhi)行(xing)和输出刷新三(san)个(ge)阶(jie)段(duan)。完成上(shang)述(shu)三(san)个(ge)阶(jie)段(duan)称(cheng)作一个(ge)扫(sao)描周期(qi)。在(zai)整个(ge)运行(xing)期(qi)间,PLC的CPU以一定的扫(sao)描速度(du)重复执(zhi)行(xing)上(shang)述(shu)三(san)个(ge)阶(jie)段(duan)。

(1) 输(shu)(shu)入(ru)(ru)(ru)采样阶段(duan)(duan)(duan)在(zai)输(shu)(shu)入(ru)(ru)(ru)采样阶段(duan)(duan)(duan),PLC以扫描(miao)方式(shi)依次(ci)地读入(ru)(ru)(ru)所有输(shu)(shu)入(ru)(ru)(ru)状(zhuang)态(tai)和数(shu)据,并将它们存(cun)入(ru)(ru)(ru)I/O映象区中(zhong)的(de)(de)相(xiang)应的(de)(de)单(dan)元(yuan)内(nei)。输(shu)(shu)入(ru)(ru)(ru)采样结束后,转入(ru)(ru)(ru)用户程(cheng)序执行和输(shu)(shu)出刷新(xin)阶段(duan)(duan)(duan)。在(zai)这两个阶段(duan)(duan)(duan)中(zhong),即使输(shu)(shu)入(ru)(ru)(ru)状(zhuang)态(tai)和数(shu)据发生变(bian)化,I/O映象区中(zhong)的(de)(de)相(xiang)应单(dan)元(yuan)的(de)(de)状(zhuang)态(tai)和数(shu)据也不(bu)会(hui)改变(bian)。因此(ci),如(ru)果输(shu)(shu)入(ru)(ru)(ru)是脉冲信号,则该脉冲信号的(de)(de)宽度必须大于一(yi)个扫描(miao)周期(qi),才能保证在(zai)任何情况下,该输(shu)(shu)入(ru)(ru)(ru)均能被(bei)读入(ru)(ru)(ru)。

(2) 用户程序(xu)执行(xing)阶段

在用(yong)户程序(xu)执(zhi)行阶段(duan),PLC总(zong)是(shi)按(an)由(you)上而(er)下(xia)(xia)的(de)顺序(xu)依次地扫描(miao)用(yong)户程序(xu)(梯(ti)形图(tu))。在扫描(miao)每一(yi)条梯(ti)形图(tu)时,又总(zong)是(shi)先扫描(miao)梯(ti)形图(tu)左边的(de)由(you)各触点(dian)构成的(de)控制(zhi)线(xian)(xian)(xian)(xian)路,并按(an)先左后右、先上后下(xia)(xia)的(de)顺序(xu)对由(you)触点(dian)构成的(de)控制(zhi)线(xian)(xian)(xian)(xian)路进行逻辑运(yun)(yun)算,然后根据逻辑运(yun)(yun)算的(de)结果,刷新(xin)该(gai)逻辑线(xian)(xian)(xian)(xian)圈在系(xi)统RAM存储区中对应位的(de)状(zhuang)态(tai)(tai);或者(zhe)刷新(xin)该(gai)输(shu)出线(xian)(xian)(xian)(xian)圈在I/O映象(xiang)区中对应位的(de)状(zhuang)态(tai)(tai);或者(zhe)确(que)定(ding)(ding)是(shi)否要执(zhi)行该(gai)梯(ti)形图(tu)所规定(ding)(ding)的(de)特殊功能(neng)指令。

即,在用户程序(xu)执(zhi)行(xing)过程中(zhong),只有(you)输(shu)入点在I/O映(ying)象区(qu)内(nei)的(de)状态和数(shu)据(ju)不(bu)会发(fa)生(sheng)变化(hua)(hua),而(er)(er)其(qi)(qi)他输(shu)出点和软设备在I/O映(ying)象区(qu)或(huo)系统(tong)RAM存储(chu)区(qu)内(nei)的(de)状态和数(shu)据(ju)都(dou)有(you)可能(neng)发(fa)生(sheng)变化(hua)(hua),而(er)(er)且排(pai)在上面的(de)梯(ti)形图(tu),其(qi)(qi)程序(xu)执(zhi)行(xing)结(jie)果会对(dui)(dui)排(pai)在下(xia)面的(de)凡是用到(dao)这(zhei)些线(xian)圈(quan)或(huo)数(shu)据(ju)的(de)梯(ti)形图(tu)起(qi)作用;相反,排(pai)在下(xia)面的(de)梯(ti)形图(tu),其(qi)(qi)被刷新(xin)的(de)逻辑线(xian)圈(quan)的(de)状态或(huo)数(shu)据(ju)只能(neng)到(dao)下(xia)一个(ge)扫描周期才能(neng)对(dui)(dui)排(pai)在其(qi)(qi)上面的(de)程序(xu)起(qi)作用。

在程(cheng)(cheng)序(xu)执行的过(guo)程(cheng)(cheng)中如果使用(yong)立即I/O指令(ling)则可以直接存(cun)取(qu)I/O点。即使用(yong)I/O指令(ling)的话,输入(ru)过(guo)程(cheng)(cheng)影(ying)像寄(ji)存(cun)器的值不会被更新,程(cheng)(cheng)序(xu)直接从I/O模(mo)块(kuai)取(qu)值,输出过(guo)程(cheng)(cheng)影(ying)像寄(ji)存(cun)器会被立即更新,这跟立即输入(ru)有些(xie)区别(bie)。


(3) 输出刷(shua)新阶段(duan)

当扫(sao)描用(yong)户程(cheng)序结束(shu)后,PLC就进入输(shu)出刷(shua)新阶(jie)段。在此期间,CPU按照I/O映象区内对应的状(zhuang)态和(he)数据刷(shua)新所有的输(shu)出锁存电路(lu),再经输(shu)出电路(lu)驱(qu)动相应的外设。这时,才(cai)是PLC的真(zhen)正(zheng)输(shu)出。


4、PLC内部运作(zuo)方式

虽然(ran)PLC所使用(yong)之阶梯(ti)图(tu)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)式(shi)(shi)中往(wang)往(wang)使用(yong)到(dao)许多继(ji)电(dian)器(qi)(qi)、计(ji)时(shi)器(qi)(qi)与计(ji)数器(qi)(qi)等名称,但PLC内部并非实体上具有(you)这(zhei)些硬件(jian),而是以(yi)内存与程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)式(shi)(shi)编程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)方(fang)(fang)式(shi)(shi)做逻辑控(kong)制编辑,并借由输(shu)出元件(jian)连接外部机(ji)械(xie)装置做实体控(kong)制。因此(ci)能大大减少控(kong)制器(qi)(qi)所需之硬件(jian)空间。实际上PLC执(zhi)行阶梯(ti)图(tu)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)式(shi)(shi)的(de)运作方(fang)(fang)式(shi)(shi)是逐行的(de)先(xian)将阶梯(ti)图(tu)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)式(shi)(shi)码(ma)以(yi)扫(sao)描方(fang)(fang)式(shi)(shi)读(du)入(ru)CPU 中并最后执(zhi)行控(kong)制运作。在整个(ge)的(de)扫(sao)描过程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)包括三大步骤,“输(shu)入(ru)状态(tai)检(jian)查”、“程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)式(shi)(shi)执(zhi)行”、“输(shu)出状态(tai)更新”说(shuo)明如下:

步(bu)(bu)骤(zhou)一“输(shu)(shu)入(ru)状(zhuang)(zhuang)态检(jian)查”:PLC首先(xian)检(jian)查输(shu)(shu)入(ru)端(duan)元件所连接之(zhi)(zhi)(zhi)各点开(kai)关或传(chuan)感器状(zhuang)(zhuang)态(1 或0 代(dai)表开(kai)或关),并将其状(zhuang)(zhuang)态写入(ru)内(nei)(nei)存中(zhong)对应之(zhi)(zhi)(zhi)位(wei)置Xn。步(bu)(bu)骤(zhou)二“程(cheng)式执(zhi)行”:将阶梯图程(cheng)式逐行取入(ru)CPU 中(zhong)运(yun)(yun)算(suan),若程(cheng)式执(zhi)行中(zhong)需(xu)要输(shu)(shu)入(ru)接点状(zhuang)(zhuang)态,CPU直接自内(nei)(nei)存中(zhong)查询取出(chu)(chu)。输(shu)(shu)出(chu)(chu)线圈之(zhi)(zhi)(zhi)运(yun)(yun)算(suan)结果则存入(ru)内(nei)(nei)存中(zhong)对应之(zhi)(zhi)(zhi)位(wei)置,暂不(bu)反(fan)应至输(shu)(shu)出(chu)(chu)端(duan)Yn。步(bu)(bu)骤(zhou)三“输(shu)(shu)出(chu)(chu)状(zhuang)(zhuang)态更新”:将步(bu)(bu)骤(zhou)二中(zhong)之(zhi)(zhi)(zhi)输(shu)(shu)出(chu)(chu)状(zhuang)(zhuang)态更新至PLC输(shu)(shu)出(chu)(chu)部接点,并且重回步(bu)(bu)骤(zhou)一。此(ci)(ci)三步(bu)(bu)骤(zhou)称为PLC之(zhi)(zhi)(zhi)扫描周期,而完成(cheng)所需(xu)的时间(jian)称为PLC 之(zhi)(zhi)(zhi)反(fan)应时间(jian),PLC 输(shu)(shu)入(ru)讯号之(zhi)(zhi)(zhi)时间(jian)若小(xiao)于此(ci)(ci)反(fan)应时间(jian),则有误读(du)的可能(neng)性。每次程(cheng)式执(zhi)行后与(yu)下一次程(cheng)式执(zhi)行前(qian),输(shu)(shu)出(chu)(chu)与(yu)输(shu)(shu)入(ru)状(zhuang)(zhuang)态会被(bei)更新一次,因此(ci)(ci)称此(ci)(ci)种运(yun)(yun)作(zuo)方(fang)式为输(shu)(shu)出(chu)(chu)输(shu)(shu)入(ru)端(duan)“程(cheng)式结束再生”。


5、plc的特(te)点(dian)

(1)高可靠(kao)性

1)所有(you)的(de)I/O接口电路均采用光电隔离,使(shi)工(gong)业现场的(de)外电路与PLC内(nei)部电路之间电气上(shang)隔离。

2)各(ge)输入端(duan)均采用R-C滤波(bo)器(qi),其滤波(bo)时间(jian)常(chang)数一般为10~20ms。

3)各(ge)模块(kuai)均采用屏蔽(bi)措施,以防(fang)止辐射干扰(rao)。

4)采用性能优良的开关(guan)电(dian)源(yuan)。

5)对采用的器(qi)件进(jin)行严格的筛眩(xuan) 

6)良好的自诊(zhen)断(duan)功能,一(yi)旦电源或其(qi)他软、硬件发生异常情况,CPU立即采用有(you)效措施(shi),以防止故(gu)障扩大。

7)大型(xing)PLC还(hai)可(ke)以采用由双CPU构(gou)成(cheng)冗余系统或有三CPU构(gou)成(cheng)表(biao)决系统,使可(ke)靠(kao)性更进(jin)一步(bu)提高。


(2)丰富(fu)的(de)I/O接口模块

PLC针(zhen)对不同(tong)的工业现场信(xin)号,如:交流或直流、开关量(liang)或模拟(ni)量(liang)、电(dian)压或电(dian)流、脉冲或电(dian)位、强电(dian)或弱电(dian)等

有相(xiang)应的(de)I/O模块与工业现场的(de)器件(jian)或(huo)设(she)备,如:按(an)钮、行程开关(guan)、接近开关(guan)、传感器及变送器、电(dian)磁线(xian)圈、控制阀

直接连(lian)接另外为了(le)提高操作性(xing)能,它(ta)还有多种人-机对(dui)话的(de)接口(kou)模块;为了(le)组成工业(ye)局部(bu)网络,它(ta)还有多种通讯联网的(de)接口(kou)模块,等等。


(3)采用(yong)模块(kuai)化(hua)结构(gou)

为了适应各(ge)种(zhong)工业控制需要除(chu)了单元式的(de)(de)小型PLC以外绝大多数(shu)PLC均(jun) 采用模(mo)块(kuai)化结构PLC的(de)(de)各(ge)个部件包括CPU电源I/O等(deng)均(jun)采用模(mo)块(kuai)化设(she)计由机架及(ji)电缆将各(ge)模(mo)块(kuai)连(lian)接起来系统的(de)(de)规模(mo)和功能(neng)可根(gen)据用户(hu)的(de)(de)需要自行组合。


(4)编程简单易学

PLC的编程大多采用类似于继电器控(kong)制线路的梯形图形式对使用者来说(shuo)不需要具备计算(suan)机(ji)的专门知识因此很容易被一般工程技术人员(yuan)所理解和掌握(wo)。


(5)安装简单维修方便

PLC不需(xu)(xu)要专门的机房可以在各(ge)(ge)种工业环境(jing)下直(zhi)接运(yun)(yun)(yun)行使用(yong)(yong)时(shi)只需(xu)(xu)将现场的各(ge)(ge)种设备(bei)与PLC相应(ying)的I/O端相连(lian)接即(ji)可投入运(yun)(yun)(yun)行各(ge)(ge)种模(mo)(mo)块(kuai)上均有运(yun)(yun)(yun)行和(he)故障指示装置便于(yu)用(yong)(yong)户(hu)了解(jie)运(yun)(yun)(yun)行情况和(he)查找故障 由(you)于(yu)采用(yong)(yong)模(mo)(mo)块(kuai)化结构因此(ci)一旦某模(mo)(mo)块(kuai)发生(sheng)故障用(yong)(yong)户(hu)可以通过更换模(mo)(mo)块(kuai)的 方(fang)法(fa)使系统迅速恢(hui)复运(yun)(yun)(yun)行。


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