可编程控制器的原理及技术性能.doc

一、PLC的基本工作原理由于PLC以微处理器为核心，故具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大 不同。微机一般采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式或IO扫描方式，若有 键按下或有IO变化，则转入相应的子程序，若无则继续扫描等待。PLC则是采用循环扫描的工作方式。对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令 步序号作周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令,则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。扫描周期的长短主要取决于以下几个因素：一是CPU执行指令的速度；二是执行每条指令占用的时间；三是程序中指令条数的多少。一个循环扫描周期主要可分为三个阶段。1) 输入刷新阶段 在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输 入状态寄存器。完成输入端刷新工作后，将关闭输入端口，转入程序执行阶段。在程序执行 期间即使输入端状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，而这些变化必须等到下 一工作周期的输入刷新阶段才能被读入。2)程序执行阶段 在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐条执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。当最后一条控 制程序执行完毕后，即转入输出刷新阶段。3)输出刷新阶段 当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路，并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际 输出。由此可见，输入刷新、程序执行和输出刷新三个阶段构成PLC一个工作周期，由此循环 往复，因此称为循环扫描工作方式。由于输入刷新阶段是紧接输出刷新阶段后马上进行的，所以亦将这两个阶段统称为IO刷新阶段。实际上，除了执行程序和IO刷新外，PLC还 要进行各种错误检测(自诊断功能)并与编程工具通讯，这些操作统称为“监视服务”，一般 在输入扫描过程之后进行。综上所述，PLC的扫描工作过程如图1-4所示。显然扫描周期的长短主要取决于程序的长短。扫描周期越长，响应速度越慢。由于每一个扫描周期只进行一次I0刷新，即每一个扫描周期PLC只对输入、输出状态寄存器更 新一次，故使系统存在输入、输出滞后现象，这在一定程度上降低了系统的响应速度。由此 可见，若输入变量在I0刷新期间状态发生变化，则本次扫描期间输出会相应地发生变化。反之，若在本次刷新之后输入变量才发生变化，则本次扫描输出不变，而要到下一次扫描的I0刷新期间输出才会发生变化。这对于一般的开关量控制系统来说是完全允许的，不但不 会造成影响，反而可以增强系统的抗干扰能力。这是因为输入采样仅在输入刷新阶段进行，PLC在一个工作周期的大部分时间里实际上是与外设隔离的。而工业现场的干扰常常是脉冲式的、短时的，由于系统响应较慢，往往要几个扫描周期才响应一次，而多次扫描后，因瞬 间干扰而引起的误动作将会大大减少，从而提高了系统的抗干扰能力。但是对于控制时间要 求较严格、响应速度要求较快的系统，就需要精心编制程序，必要时采用一些特殊功能，以减少因扫描周期造成的响应滞后等不良影响。总之，采用循环扫描的工作方式是PLC区别于微机和其他控制设备的最大特点，在使用 中应引起特别的注意。二、PLC的主要技术指标PLC的一些基本的技术性能，通常可用以下几种指标进行描述。1输入输出点数(IO点数)输入输出点数指PLC外部的输入、输出端子数，这是一项很重要的技术指标，因为在选用PLC时，要根据控制对象的IO点数要求确定机型。主机的IO点数不够时可接扩展IO模块，但因为扩展模块内一般只有接口电路、驱动电路而没有CPU，它通过总线电缆与 主机相连，由主机的CPU进行寻址，故最大扩展点数受CPU的IO寻址能力的限制。2内存容量一般以PLC所能存放用户程序的多少来衡量内存容量的。在PLC中程序指令是按“步” 存放的(一条指令少则一“步”，多则十几“步”)，一“步”占一个地址单元，一个地址单 元一般占两个字节。例如，一个内存容量为1000步的PLC，可推知其内存为2K字节。注意： “内存容量”实际是指用户程序容量，不包括系统程序存储器的容量。3扫描速度扫描速度一般指执行1000步指令所需要的时间，单位为msk。有时也用执行一步指令所需的时间计，单位为s/步。4指令条数PLC指令系统拥有的指令种类和数量是衡量其软件功能强弱的重要指标。PLC具有的指令种类越多，说明其软件功能越强。PLC指令一般分为基本指令和高级指令两部分。5内部继电器和寄存器PLC内部有许多继电器和寄存器，用以存放变量状态、中间结果和数据等，还有许多具有特殊功能的辅助继电器和寄存器，如定时器、计数器、系统寄存器、索引寄存器等。通过 使用它们，可使用户编程方便灵活，以简化整个系统的设计。因此内部继电器、寄存器的配置情况常是衡量PLC硬件功能的一个指标。6编程语言及编程手段PLC所具有的编程语言及编程手段也是衡量其性能的一项指标。编程语言一般分为梯形图语言、助记符语言、系统流程图语言等几类，不同厂家的PLC编程语言类型有所不同，语句也各异。编程手段主要是指采用何种编程装置，编程装置一般分为手持编程器和带有相应 编程软件的计算机两种。7高级模块PLC除了主控模块外，还可以配接各种高级模块。主控模块可实现基本控制功能，高级模块的配置则可实现一些特殊的专门功能。因此，高级模块的配置反映了PLC的功能强弱， 是衡量PLC产品档次高低的一个重要标志。目前各生产厂家都在开发功能模块上下很大功夫，使其发展很快，种类日益增多，功能也越来越强。主要有：AD和DA转换模块、高速计 数模块、位置控制模块、PID控制模块、速度控制模块、温度控制模块、远程通信模块、高级语言编辑模块以及各种物理量转换模块等。这些高级模块不但能使PLC进行开关量顺序控 制，而且能进行模拟量控制、定位控制和速度控制等。特别是网络通信模块的迅速发展，实现了PLC之间、PLC与计算机的通信，使得PLC可以充分利用计算机和互联网的资源，实现 远程监控。三、PLC的内存分配及IO点数在使用PLC之前，深入了解PLC内部继电器和寄存器的配置和功能，以及I0分配情 况对使用者是至关重要的。下面介绍一般PLC产品的内部寄存器区的划分情况,每个区分配 一定数量的内存单元，并按不同的区命名编号。1I0继电器区I0区的寄存器可直接与PLC外部的输入、输出端子传递信息。这些I0寄存器在PLC 中具有“继电器”的功能，即它们有自己的“线圈”和“触点”。故在PLC中又常称这一寄存器区为“I0继电器区”。每个I0寄存器由一个字(16位)组成，每位对应PLC 的一个 外部端子，称作一个I0点。I0寄存器的个数乘以16等于PLC总的I0点数。如某PLC有10个I0寄存器，则该PLC共有160个I0点。在程序中，每个I0点又都可以看成是一个“软继电器”，有常开触点，也有常闭触点。不同型号的PLC配置有不同数量的I0 点，一般小型的PLC主机有十几至几十个I0点。若一台PLC主机的I0点数不够，可 进行I0扩展。2内部通用继电器区这个区的寄存器与I0区结构相同，即能以字为单位使用，也能以位为单位使用。不 同之处在于它们只能在PLC内部使用，而不能直接进行输入输出控制。其作用与中间继电器 相似，在程序控制中可存放中间变量。3数据寄存器区 这个区的寄存器只能按字使用，不能按位使用。一般只用来存放各种数据。4特殊继电器、寄存器区 这两个区中的继电器和寄存器的结构并无特殊之处，也是以字或位为一个单元。但它们都被系统内部占用，专门用于某些特殊目的，如存放各种标志、标准时钟脉冲、计数器和定 时器的设定值和经过值、自诊断的错误信息等等。这些区的继电器和寄存器一般不能由用户任意占用。5系统寄存器区 系统寄存器区一般用来存放各种重要信息和参数，如各种故障检测信息、各种特殊功能的控制参数以及PLC产品出