1  PLC控制系統(tǒng)的工作原理

　　PLC是一種工業(yè)控制計算機，它的工作原理建立在計算機工作原理之上，即通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來完成。

　　1.1   PLC可編程控制器的基本工作原理

　　PLC以微處理器為核心，具有微機的許多特點，但它的工作方式卻與微機有很大不同。

　　微機一般采用等待命令的工作方式工作。

　　PLC是按集中輸入、集中輸出，周期性循環(huán)掃描的方式進行工作的。每一次循環(huán)掃描所用的時間稱為一個掃描周期。

　　對每個程序，CPU從第一條指令開始執(zhí)行，按順序逐條地執(zhí)行指令做周期性的程序循環(huán)掃描，如果無跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至結(jié)束又返回第一條指令，如此周而復(fù)始不斷循環(huán)。

　　PLC在每次掃描工作過程中除了執(zhí)行用戶程序外，還要完成內(nèi)部處理、輸入采樣、通信服務(wù)、程序執(zhí)行、自診斷、輸出刷新等工作。PLC工作的全過程包括三個部分，即上電處理、掃描過程和出錯處理。PLC工作的全過程可用圖4所示的運行框圖來表示。

　　在圖4中，PLC通電后，CPU在系統(tǒng)程序的控制下先進行內(nèi)部處理，包括硬件初始化、I/O模塊配置檢查、停電保持范圍設(shè)定及其他初始化處理等工作。

　　PLC有很強的自診斷功能，PLC每掃描一次執(zhí)行一次自診斷檢查，確定PLC自身的動作是否正常，如電源檢測、內(nèi)部硬件是否正常、程序語法是否有錯等。如檢查出異常時，CPU面板的LED及異常繼電器會接通，在特殊寄存器中會存入出錯代碼；CPU能根據(jù)錯誤類型和程度發(fā)出信號，甚至進行相應(yīng)的出錯處理，使PLC停止掃描或強制變成STOP狀態(tài)。

　　PLC運行正常時，掃描周期的長短與用戶應(yīng)用程序的長短、CPU的運算速度、I/O點的情況等有關(guān)。通常用PLC執(zhí)行1KB指令所需時間來說明其掃描速度（一般1-10ms/KB）。值得注意的是，不同指令執(zhí)行時間是不同的，故選用不同指令所用的掃描時間將會不同。若用于高速系統(tǒng)要縮短掃描周期時，可從軟硬件上同時考慮。PLC周期性循環(huán)掃描工作方式的顯著特點是：可靠性高、抗干擾能力強，但響應(yīng)滯后、速度慢。

　　1.2 PLC控制系統(tǒng)的掃描工作過程

　　PLC執(zhí)行程序的過程分為三個階段，即輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段、輸出刷新階段，PLC的掃描工作過程如圖5所示。

　?。?）輸入采樣階段。在這一階段中，PLC以掃描方式讀入所有輸入端子上的輸入信號，并將各輸入狀態(tài)存入對應(yīng)的輸入映像寄存器中。此時，輸入映像寄存器被刷斷。在程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段中，輸入映像存儲器與外界隔離，其內(nèi)容保持不變，直至下一個掃描周期的輸入掃描階段，才被重新讀入的輸入信號刷新?？梢?，PLC在執(zhí)行程序和處理數(shù)據(jù)時，不直接使用現(xiàn)場當時的輸入信號，而使用本次采樣時輸入到映像區(qū)中的數(shù)據(jù)。一般來說，輸入信號的寬度要大于一個掃描周期，否則可能造成信號的丟失。

　?。?）程序執(zhí)行階段。在執(zhí)行用戶程序過程中，PLC按照梯形圖程序掃描原則，一般來說，PLC按從左至右、從上到下的步驟逐個執(zhí)行程序。但遇到程序跳轉(zhuǎn)指令，則根據(jù)跳轉(zhuǎn)條件是否滿足來決定程序跳轉(zhuǎn)地址。程序執(zhí)行過程中，當指令中涉及輸入、輸出狀態(tài)時，PLC就從輸入映像寄存器中“讀入”對應(yīng)輸入端子狀態(tài)，從輸出映像寄存器“讀入”對應(yīng)元件（“軟繼電器”）的當前狀態(tài)。然后進行相應(yīng)的運算，運算結(jié)果再存入輸出映像寄存器中。對輸出映像寄存器來說，每一個元件（“軟繼電器”）的狀態(tài)會隨著程序執(zhí)行過程而變化。

　?。?）輸出刷新階段。程序執(zhí)行階段的運算結(jié)果被存入輸出映像區(qū)，而不送到輸出端口上。在輸出刷新階段，PLC將輸出映像區(qū)中的輸出變量送入輸出鎖存器，然后由鎖存器通過輸出模塊產(chǎn)生本周期的控制輸出。如果內(nèi)部輸出繼電器的狀態(tài)為“1”，則輸出繼電器觸點閉合，經(jīng)過輸出端子驅(qū)動外部負載。全部輸出設(shè)備的狀態(tài)要保持一個掃描周期。

　　● 輸入/輸出滯后問題：

　　當PLC的輸入端輸入信號發(fā)生變化PLC輸出端對該輸入變化做出反應(yīng)需要一段時間，這種現(xiàn)象稱為PLC輸入/輸出響應(yīng)滯后。

　　由上述分析可知，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(yīng)速度越慢。由于每一個掃描周期只進行一次I/O刷新，即每一個掃描周期PLC只對輸人、輸出狀態(tài)寄存器更新一次，故使系統(tǒng)存在輸人、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。工業(yè)現(xiàn)場的干擾常常是脈沖式的、短時的，PLC的輸入/輸出響應(yīng)滯后，對一般的工業(yè)控制要求，是完全允許的，還可以起到增強系統(tǒng)的抗干擾能力。

　　但是，對于控制時間要求嚴格、響應(yīng)速度要求較快的系統(tǒng)，就要采取措施減小輸入/輸出滯后的不利影響。

　　2 PLC控制系統(tǒng)的編程語言

　　PLC的編程語言與一般計算機語言相比具有明顯的特點，它既不同于一般高級語言，也不同于一般匯編語言，它既要易于編寫又要易于調(diào)試。目前，還沒有一種對各廠家產(chǎn)品都能兼容的編程語言。

　　目前，PLC為用戶提供了多種編程語言，以適應(yīng)編制用戶程序的需要，PLC提供的編程語言通常有以下幾種：梯形圖、指令表、順序功能圖和功能塊圖

　　2.1、梯形圖

　　梯形圖編程語言是從繼電器控制系統(tǒng)原理圖的基礎(chǔ)上演變而來的。PLC的梯形圖與繼電器控制系統(tǒng)梯形圖的基本思想是一致的，但是在使用符號和表達式等方面有一定區(qū)別。

　　梯形圖具有形象、直觀、簡單明了，易于理解的特點，特別適合開關(guān)量邏輯控制，是PLC基本、普遍的編程語言。

　　2.2、語句表（STL）

　　語句表是用助記符來表達PLC的各種功能。它類似計算機的匯編語言，但比匯編語言通俗易懂，也是較為廣泛應(yīng)用的一種編程語言。使用語句表編程時，編程設(shè)備簡單，邏輯緊湊、系統(tǒng)化，連接范圍不受限制，但比較抽象。一般可以與梯形圖互相轉(zhuǎn)化，互為補充。目前，大多數(shù)PLC都有語句表編程功能。

　　2.3、。功能塊圖（FBD）

　　邏輯功能圖是一種由邏輯功能符號組成的功能塊來表達命令的圖形語言，這種編程語言基本上沿用了半導(dǎo)體邏輯電路的邏輯方塊圖。對每一種功能都使用一個運算方塊，其運算功能由方塊內(nèi)的符號確定。對于熟悉邏輯電路和具有邏輯代數(shù)基礎(chǔ)的人員來說，使用非常方便。

　　2.4、 順序功能圖(SFC)

　　順序功能圖編程是一種圖形化的編程方法，亦稱功能圖。它的編程方式采用畫工藝流程圖的方法編程，只要在每個工藝方框的輸入和輸出端，標上特定的符號即可。采用順序功能圖編程，可以使具有并發(fā)、選擇等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)控制程序大為簡化。許多PLC都提供了用于SFC編程的指令，它是一種效果顯著、深受歡迎的編程語言，目前國際電工委員會（IEC）也正在實施并發(fā)展這種語言的編程標準