簡介可編程序控制器

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的原理及功能特點。

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

【關鍵詞】可編程序控制器；PLC；數(shù)據(jù)；程序

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

一、PLC的發(fā)展史

1968年美國通用汽車公司（GM）首先公開招標，對控制系統(tǒng)提出的要求為：a、 它的繼電控制系統(tǒng)設計周期短，更改容易，接線簡單成本低；b、它能把計算機的功能和繼電器控制系統(tǒng)結合起來；c、系統(tǒng)通用性強。1969年美國數(shù)字設備公司（DEC）根據(jù)上述要求，研制出世界上第一臺PLC，并在GM公司汽車生產(chǎn)線上首次試用成功，實現(xiàn)了生產(chǎn)的自動化。其后日本、德國等相繼引入，可編程序控制器迅速發(fā)展起來，但是主要應用于順序控制，只能進行邏輯運算，故稱為可編程邏輯控制器，簡稱PLC。

隨著電子技術和計算機技術的迅猛發(fā)展，PLC的功能也越來越強大，更多地具有計算機的功能，所以又簡稱PC（PROGRAMMABLE CONTROLLER），但是為了不和PERSONAL COMPUTER混淆，仍習慣稱為PLC。目前PLC已經(jīng)在智能化、網(wǎng)絡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領域無限的發(fā)展前景。

二、可編程序控制器的功能特點

1.邏輯控制 PLC具有邏輯運算功能，能夠進行與、或、非等邏輯運算，可以代替繼電器進行開關量控制。

2.定時控制 為滿足生產(chǎn)控制工藝對時間的要求，PLC一般提供時間繼電器，并且計時時間常數(shù)在范圍內用戶編寫程序時自己設定，并且在PLC運行中也可以讀出、修改，使用方便。

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

4.步進順序控制 步進順序控制是plc最基本的控制方式。是為有時間或運行順序的生產(chǎn)過程專門設置的指令，在前道工序完成之后，就轉入下一道工序，使一臺PLC可作為多部步進控制器使用。

5.對控制系統(tǒng)的監(jiān)控 PLC具有較強的監(jiān)控能力，操作人員可以根據(jù)PLC的監(jiān)控信息，通過監(jiān)控命令，可以監(jiān)視系統(tǒng)的運行狀態(tài)，從而改變對異常值的設定。

6.數(shù)據(jù)處理 PLC具有較強的數(shù)據(jù)處理能力，能對大量的數(shù)據(jù)進行快速處理。

7.通信和聯(lián)網(wǎng) 現(xiàn)代 PLC大多數(shù)都采用了通信、網(wǎng)絡技術，可進行遠程I/O控制，多臺 PLC可彼此間聯(lián)網(wǎng)、通信，外部器件與一臺或多臺可編程控制器的信號處理單元之間，實現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)交換，如程序轉移、數(shù)據(jù)文檔轉移、監(jiān)視和診斷。

8.輸入/輸出接口調理功能 具有 A/D、D/A轉換功能，通過I/O模塊完成對模擬量的控制和調節(jié)。

9.人機界面功能 提供操作者以監(jiān)視機器 、過程工作必需的信息。允許操作者和PLC系統(tǒng)與其應用程序相互作用，以便作出決策和調整。

三、可編程控制器的結構和基本工作原理

PLC由于其自身的特點，在工業(yè)生產(chǎn)的各個領域得到了愈來愈廣泛的應用。而作為PLC的用戶，要正確地應用PLC去完成各種不同的控制任務，首先應了解其組成結構和工作原理。

1、 PLC的基本結構

可編程序控制器實施控制，其實質就是按一定算法進行輸入輸出變換，并將這個變換與以物理實現(xiàn)。PLC的基本結構如下圖所示：

（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. 接收并存儲從用戶程序和數(shù)據(jù)；b.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。

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

（3）輸入接口電路 輸入輸出信號有開關量、模擬量、數(shù)字量三種，在我們實習室涉及到的信號當中，開關量最普遍，也是實驗條件所限。

（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的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要得作用。如果沒有一個良好的、可靠得電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此PLC的制造商對電源的設計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%（+15%）范圍內，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。對每個程序，CPU從第一條指令開始執(zhí)行，按指令步序號做周期性的程序循環(huán)掃描，如果無跳轉指令，則從第一條指令開始逐條執(zhí)行用戶程序，直至遇到結束符后又返回第一條指令，如此周而復始不斷循環(huán)，每一個循環(huán)稱為一個掃描周期。掃描周期的長短主要取決于以下幾個因素：一是CPU執(zhí)行指令的速度；二是執(zhí)行每條指令占用的時間；三是程序中指令條數(shù)的多少。一個掃描周期主要可分為3個階段。

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，將關閉輸入端口，轉入程序執(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)寄存器的內容也不會改變，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，并將相應的邏輯運算結果存入對應的內部輔助寄存器和輸出狀態(tài)寄存器。當最后一條控制程序執(zhí)行完畢后，即轉入輸入刷新階段。

3.輸出刷新階段

當所有指令執(zhí)行完畢后，將輸出狀態(tài)寄存器中的內容，依次送到輸出鎖存電路（輸出映像寄存器），并通過一定輸出方式輸出，驅動外部相應執(zhí)行元件工作，這才形成PLC的實際輸出。

由此可見，輸入刷新、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段構成PLC一個工作周期，由此循環(huán)往復，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行的，所以亦將這兩個階段統(tǒng)稱為I/O刷新階段。實際上，除了執(zhí)行程序和I/O刷新外，PLC還要進行各種錯誤檢測（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”，一般在程序執(zhí)行之后進行。

顯然掃描周期的長短主要取決于程序的長短。掃描周期越長，響應速度越慢。由于每個掃描周期只進行一次I/O刷新，即每一個掃描周期PLC只對輸入、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)的響應速度。但是由于其對I/O的變化每個周期只輸出刷新一次，并且只對有變化的進行刷新，這對一般的開關量控制系統(tǒng)來說是完全允許的，不但不會造成影響，還會提高抗干擾能力。這是因為輸入采樣階段僅在輸入刷新階段進行，PLC在一個工作周期的大部分時間是與外設隔離的，而工業(yè)現(xiàn)場的干擾常常是脈沖、短時間的，誤動作將大大減小。但是在快速響應系統(tǒng)中就會造成響應滯后現(xiàn)象，這個一般PLC都會采取高速模塊。

參考文獻：

[1]廖常初.可編程序控制器的編程方法與工程應用.重慶：重慶大學出版社，2001.2

[2]李樹雄.可編程序控制器原理及應用教程.北京：北京航空航天大學出版社，2003.9