袁琴

【摘 要】本文介紹可編程序控制器的發(fā)展歷史，介紹了可編程控制器技術(shù)的原理及功能特點(diǎn)。

【translate】 this article introduces the development history of Programmable Logic Controller，and introduced the principle and features of PLC Technology.

【關(guān)鍵詞】可編程序控制器；PLC；數(shù)據(jù)；程序

可編程序控制器（Programmable Logic Controller），簡(jiǎn)稱PLC，是在繼電順序控制基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的以微處理器為核心的通用的工業(yè)自動(dòng)化控制裝置。

一、PLC的發(fā)展史

1968年美國(guó)通用汽車公司（GM）首先公開招標(biāo)，對(duì)控制系統(tǒng)提出的要求為：a、 它的繼電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期短，更改容易，接線簡(jiǎn)單成本低；b、它能把計(jì)算機(jī)的功能和繼電器控制系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)；c、系統(tǒng)通用性強(qiáng)。1969年美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司（DEC）根據(jù)上述要求，研制出世界上第一臺(tái)PLC，并在GM公司汽車生產(chǎn)線上首次試用成功，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的自動(dòng)化。其后日本、德國(guó)等相繼引入，可編程序控制器迅速發(fā)展起來(lái)，但是主要應(yīng)用于順序控制，只能進(jìn)行邏輯運(yùn)算，故稱為可編程邏輯控制器，簡(jiǎn)稱PLC。

隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，PLC的功能也越來(lái)越強(qiáng)大，更多地具有計(jì)算機(jī)的功能，所以又簡(jiǎn)稱PC（PROGRAMMABLE CONTROLLER），但是為了不和PERSONAL COMPUTER混淆，仍習(xí)慣稱為PLC。目前PLC已經(jīng)在智能化、網(wǎng)絡(luò)化方面取得了很好的發(fā)展，并且現(xiàn)今已出現(xiàn)SOFTPLC，更是PLC領(lǐng)域無(wú)限的發(fā)展前景。

二、可編程序控制器的功能特點(diǎn)

1.邏輯控制 PLC具有邏輯運(yùn)算功能，能夠進(jìn)行與、或、非等邏輯運(yùn)算，可以代替繼電器進(jìn)行開關(guān)量控制。

2.定時(shí)控制 為滿足生產(chǎn)控制工藝對(duì)時(shí)間的要求，PLC一般提供時(shí)間繼電器，并且計(jì)時(shí)時(shí)間常數(shù)在范圍內(nèi)用戶編寫程序時(shí)自己設(shè)定，并且在PLC運(yùn)行中也可以讀出、修改，使用方便。

3.計(jì)數(shù)控制 為滿足計(jì)數(shù)的需要，不同的PLC提供不同數(shù)量、不同類型的計(jì)數(shù)器。

4.步進(jìn)順序控制 步進(jìn)順序控制是plc最基本的控制方式。是為有時(shí)間或運(yùn)行順序的生產(chǎn)過(guò)程專門設(shè)置的指令，在前道工序完成之后，就轉(zhuǎn)入下一道工序，使一臺(tái)PLC可作為多部步進(jìn)控制器使用。

5.對(duì)控制系統(tǒng)的監(jiān)控 PLC具有較強(qiáng)的監(jiān)控能力，操作人員可以根據(jù)PLC的監(jiān)控信息，通過(guò)監(jiān)控命令，可以監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，從而改變對(duì)異常值的設(shè)定。

6.數(shù)據(jù)處理 PLC具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，能對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理。

7.通信和聯(lián)網(wǎng) 現(xiàn)代 PLC大多數(shù)都采用了通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可進(jìn)行遠(yuǎn)程I/O控制，多臺(tái) PLC可彼此間聯(lián)網(wǎng)、通信，外部器件與一臺(tái)或多臺(tái)可編程控制器的信號(hào)處理單元之間，實(shí)現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)交換，如程序轉(zhuǎn)移、數(shù)據(jù)文檔轉(zhuǎn)移、監(jiān)視和診斷。

8.輸入/輸出接口調(diào)理功能 具有 A/D、D/A轉(zhuǎn)換功能，通過(guò)I/O模塊完成對(duì)模擬量的控制和調(diào)節(jié)。

9.人機(jī)界面功能 提供操作者以監(jiān)視機(jī)器 、過(guò)程工作必需的信息。允許操作者和PLC系統(tǒng)與其應(yīng)用程序相互作用，以便作出決策和調(diào)整。

三、可編程控制器的結(jié)構(gòu)和基本工作原理

PLC由于其自身的特點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域得到了愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用。而作為PLC的用戶，要正確地應(yīng)用PLC去完成各種不同的控制任務(wù)，首先應(yīng)了解其組成結(jié)構(gòu)和工作原理。

1、 PLC的基本結(jié)構(gòu)

可編程序控制器實(shí)施控制，其實(shí)質(zhì)就是按一定算法進(jìn)行輸入輸出變換，并將這個(gè)變換與以物理實(shí)現(xiàn)。PLC的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示：

（1）中央處理單元（CPU） 中央處理單元 （CPU）是PLC的控制核心。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能：a. 接收并存儲(chǔ)從用戶程序和數(shù)據(jù)；b.檢查電源、存儲(chǔ)器、I/O以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語(yǔ)法錯(cuò)誤。

（2）存儲(chǔ)器 可編程序控制器的存儲(chǔ)器分為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶程序存儲(chǔ)器。存放系統(tǒng)軟件（包括監(jiān)控程序、模塊化應(yīng)用功能子程序、命令解釋程序、故障診斷程序及其各種管理程序）的存儲(chǔ)器稱為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器；存放用戶程序（用戶程序存和數(shù)據(jù)）的存儲(chǔ)器稱為用戶程序存儲(chǔ)器，所以又分為用戶存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器兩部分。

（3）輸入接口電路 輸入輸出信號(hào)有開關(guān)量、模擬量、數(shù)字量三種，在我們實(shí)習(xí)室涉及到的信號(hào)當(dāng)中，開關(guān)量最普遍，也是實(shí)驗(yàn)條件所限。

（4）輸出接口電路：可編程序控制器的輸出有：繼電器輸出（M）、晶體管輸出（T）、晶閘管輸出（SSR）三種輸出形式。

（5）電源 PLC的電源在整個(gè)系統(tǒng)中起著十分重要得作用。如果沒有一個(gè)良好的、可靠得電源系統(tǒng)是無(wú)法正常工作的，因此PLC的制造商對(duì)電源的設(shè)計(jì)和制造也十分重視。一般交流電壓波動(dòng)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。

2、 PLC的工作原理

PLC采用循環(huán)掃描的工作方式。對(duì)每個(gè)程序，CPU從第一條指令開始執(zhí)行，按指令步序號(hào)做周期性的程序循環(huán)掃描，如果無(wú)跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條執(zhí)行用戶程序，直至遇到結(jié)束符后又返回第一條指令，如此周而復(fù)始不斷循環(huán)，每一個(gè)循環(huán)稱為一個(gè)掃描周期。掃描周期的長(zhǎng)短主要取決于以下幾個(gè)因素：一是CPU執(zhí)行指令的速度；二是執(zhí)行每條指令占用的時(shí)間；三是程序中指令條數(shù)的多少。一個(gè)掃描周期主要可分為3個(gè)階段。

1.輸入刷新階段

在輸入刷新階段，CPU掃描全部輸入端口，讀取其狀態(tài)并寫入輸入狀態(tài)寄存器。完成輸入端刷新工作后，將關(guān)閉輸入端口，轉(zhuǎn)入程序執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行期間即使輸入端狀態(tài)發(fā)生變化，輸入狀態(tài)寄存器的內(nèi)容也不會(huì)改變，而這些變化必須等到下一工作周期的輸入刷新階段才能被讀入。

2.程序執(zhí)行階段

在程序執(zhí)行階段，根據(jù)用戶輸入的控制程序，從第一條開始逐步執(zhí)行，并將相應(yīng)的邏輯運(yùn)算結(jié)果存入對(duì)應(yīng)的內(nèi)部輔助寄存器和輸出狀態(tài)寄存器。當(dāng)最后一條控制程序執(zhí)行完畢后，即轉(zhuǎn)入輸入刷新階段。

3.輸出刷新階段

當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢后，將輸出狀態(tài)寄存器中的內(nèi)容，依次送到輸出鎖存電路（輸出映像寄存器），并通過(guò)一定輸出方式輸出，驅(qū)動(dòng)外部相應(yīng)執(zhí)行元件工作，這才形成PLC的實(shí)際輸出。

由此可見，輸入刷新、程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段構(gòu)成PLC一個(gè)工作周期，由此循環(huán)往復(fù)，因此稱為循環(huán)掃描工作方式。由于輸入刷新階段是緊接輸出刷新階段后馬上進(jìn)行的，所以亦將這兩個(gè)階段統(tǒng)稱為I/O刷新階段。實(shí)際上，除了執(zhí)行程序和I/O刷新外，PLC還要進(jìn)行各種錯(cuò)誤檢測(cè)（自診斷功能）并與編程工具通訊，這些操作統(tǒng)稱為“監(jiān)視服務(wù)”，一般在程序執(zhí)行之后進(jìn)行。

顯然掃描周期的長(zhǎng)短主要取決于程序的長(zhǎng)短。掃描周期越長(zhǎng)，響應(yīng)速度越慢。由于每個(gè)掃描周期只進(jìn)行一次I/O刷新，即每一個(gè)掃描周期PLC只對(duì)輸入、輸出狀態(tài)寄存器更新一次，所以系統(tǒng)存在輸入輸出滯后現(xiàn)象，這在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。但是由于其對(duì)I/O的變化每個(gè)周期只輸出刷新一次，并且只對(duì)有變化的進(jìn)行刷新，這對(duì)一般的開關(guān)量控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是完全允許的，不但不會(huì)造成影響，還會(huì)提高抗干擾能力。這是因?yàn)檩斎氩蓸与A段僅在輸入刷新階段進(jìn)行，PLC在一個(gè)工作周期的大部分時(shí)間是與外設(shè)隔離的，而工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的干擾常常是脈沖、短時(shí)間的，誤動(dòng)作將大大減小。但是在快速響應(yīng)系統(tǒng)中就會(huì)造成響應(yīng)滯后現(xiàn)象，這個(gè)一般PLC都會(huì)采取高速模塊。

參考文獻(xiàn)：

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