:: 可編程控制器的工作原理
一、問(wèn)題提出
可編程控制器的工作原理建立在計算機基礎上，故其 CPU 以分時(shí)操作方式來(lái)處理各項任務(wù)，即串行工作方式，通過(guò)對可編程控制器的工作方式和工作過(guò)程的說(shuō)明，讓學(xué)生理解可編程控制器的工作原理。
二、可編程控制器的工作方式與運行框圖
眾所周知，繼電器控制系統是一種“硬件邏輯系統”，如圖 1 （ a ）所示，它的三條支路是并行工作的，當按下按鈕 SB1 ，接觸器 KM1 得電， KM1 的一個(gè)觸點(diǎn)閉合并自鎖，接觸器 KM2 ，時(shí)間繼電器 KT 的線(xiàn)圈同時(shí)得電動(dòng)作。所以繼電器控制系統采用的是并行工作方式。
圖 1 （ a ） 繼電器控制系統簡(jiǎn)圖
可編程控制器是一種工業(yè)控制計算機，故它的工作原理是建立在計算機工作原理基礎上的，即是通過(guò)執行反映控制要求的用戶(hù)程序來(lái)實(shí)現的。但是 CPU 是以分時(shí)操作方式來(lái)處理各項任務(wù)的，計算機在每一瞬間只能做一件事，所以程序的執行是按程序順序依次完成相應各電器的動(dòng)作，便成為時(shí)間上的串行。由于運算速度極高，各電器的動(dòng)作似乎是同時(shí)完成的，但實(shí)際輸入 / 輸出的響應是有滯后的。如圖 1 （ b ）所示。
圖 1 （ b ） 用 PLC 實(shí)現控制功能的接線(xiàn)示意圖
概括而言， PLC 的工作方式是一個(gè)不斷循環(huán)的順序掃描工作方式。每一次掃描所用的時(shí)間稱(chēng)為掃描周期或工作周期。 CPU 從第一條指令開(kāi)始，按順序逐條地執行用戶(hù)程序直到用戶(hù)程序結束，然后返回第一條指令開(kāi)始新的一輪掃描。 PLC 就是這樣周而復始地重復上述循環(huán)掃描的。
執行用戶(hù)程序時(shí)，需要各種現場(chǎng)信息，這些現場(chǎng)信息已接到 PLC 的輸入端口。 PLC 采集現場(chǎng)信息即采集輸入信號有兩種方式：第一種，采樣輸入方式。一般在掃描周期的開(kāi)始或結束將所有輸入信號（輸入元件的通 / 斷狀態(tài)）采集并存放到輸入映像寄存器（ PII ）中。執行用戶(hù)程序所需輸入狀態(tài)均在輸入映像寄存器中取用，而不直接到輸入端或輸入模塊去取用。第二種，立即輸入方式。隨著(zhù)程序的執行需要那一個(gè)輸入信號就直接從輸入端或輸入模塊取用這個(gè)輸入狀態(tài)，如“立即輸入指令”就是這樣，此時(shí)輸入映像寄存器的內容不變，到下一次集中采樣輸入時(shí)才變化。
同樣， PLC 對外部的輸出控制也有集中輸出和立即輸出兩種方式。
集中輸出方式在執行用戶(hù)程序時(shí)不是得到一個(gè)輸出結果就向外輸出一個(gè)，而是把執行用戶(hù)程序所得的所有輸出結果，先后全部存放在輸出映像寄存器（ PIQ ）中，執行完用戶(hù)程序后所有輸出結果一次性向輸出端口或輸出模塊輸出，使輸出設備部件動(dòng)作。立即輸出方式是在執行用戶(hù)程序時(shí)將該輸出結果立即向輸出端口或輸出模塊輸出，如“立即輸出指令”就是這樣，此時(shí)輸出映像寄存器的內容也更新。
PLC 對輸入輸出信號的傳送還有其他方式。如有的 PLC 采用輸入，輸出刷新指令。在需要的地方設置這類(lèi)指令，可對此電源 ON 的全部或部分輸入點(diǎn)信號讀入上電一次，以刷新輸入映像寄存器內容；或將此時(shí)的輸出結果立即向輸出端口或輸出模塊輸出。又如有的 PLC 上有輸入、輸出的禁止功能，實(shí)際上是關(guān)閉了輸入、輸出傳送服務(wù)，這意味著(zhù)此時(shí)的輸入信號不讀入、輸出信號也不輸出。
PLC 工作的全過(guò)程可用圖 5 所示的運行框圖來(lái)表示。
圖 5 可編程控制器運行框圖
可編程控制器整個(gè)運行可分為三部分：
第一部分是上電處理�？删幊炭刂破魃想姾髮� PLC 系統進(jìn)行一次初始化工作，包括硬件初始化， I/O 模塊配置運行方式檢查，停電保持范圍設定及其他初始化處理等。
第二部分是掃描過(guò)程�？删幊炭刂破魃想娞幚硗瓿梢院筮M(jìn)入掃描工作過(guò)程。先完成輸入處理，其次完成與其他外設的通信處理，再次進(jìn)行時(shí)鐘、特殊寄存器更新。當 CPU 處于 STOP 方式時(shí)，轉入執行自診斷檢查。當 CPU 處于 RUN 方式時(shí)，還要完成用戶(hù)程序的執行和輸出處理，再轉入執行自診斷檢查。
第三部分是出錯處理。 PLC 每掃描一次，執行一次自診斷檢查，確定 PLC 自身的動(dòng)作是否正常，如 CPU 、電池電壓、程序存儲器、 I/O 、通信等是否異�；虺鲥e，如檢查出異常時(shí)， CPU 面板上的 LED 及異常繼電器會(huì )接通，在特殊寄存器中會(huì )存入出錯代碼。當出現致命錯誤時(shí)， CPU 被強制為 STOP 方式，所有的掃描停止。
PLC 運行正常時(shí)，掃描周期的長(cháng)短與 CPU 的運算速度有關(guān)，與 I/O 點(diǎn)的情況有關(guān)，與用戶(hù)應用程序的長(cháng)短及編程情況等均有關(guān)。通常用 PLC 執行 1K 指令所需時(shí)間來(lái)說(shuō)明其掃描速度 ( 一般 1~10ms/K) 。值得注意的是，不同指令其執行是不同的，從零點(diǎn)幾微秒到上百微秒不等，故選用不同指令所用的掃描時(shí)間將會(huì )不同。若用于高速系統要縮短掃描周期時(shí)，可從軟硬件上考慮。
三、可編程控制器的工作過(guò)程
上面已經(jīng)說(shuō)明，可編程控制器是按圖 5 所示的運行框圖進(jìn)行工作的，當 PLC 處于正常運行時(shí)，它將不斷重復圖中的掃描過(guò)程，不斷循環(huán)掃描地工作下去。分析上述掃描過(guò)程，如果我們對遠程 I/O 特殊模塊和其他通信服務(wù)暫不考慮，這樣掃描過(guò)程就只剩下“輸入采樣”，“程序執行”，“輸出刷新”三個(gè)階段了。下面就對這三個(gè)階段進(jìn)行詳細的分析，并形象地用圖 6 表示（此處 I/O 采用集中輸入，集中輸出方式）。
圖 6 PLC 掃描工作過(guò)程
1 ．輸入采樣階段。 PLC 在輸入采樣階段，首先掃描所有輸入端子，并將各輸入狀態(tài)存入內存中各對應的輸入映像寄存器中。此時(shí)，輸入映像寄存器被刷新。接著(zhù)，進(jìn)入程序執行階段，在程序執行階段和輸出刷新階段，輸入影響寄存器與外界隔離，無(wú)論輸入信號如何變化，其內容保持不變，直到下一個(gè)掃描周期的輸入采樣階段，才重新寫(xiě)入輸入端的新內容。
2 ．程序執行階段。根據 PLC 梯形圖程序掃描原則， PLC 按先左后右，先上后下的步序語(yǔ)句逐句掃描。但遇到程序跳轉指令，則根據跳轉條件是否滿(mǎn)足來(lái)決定程序的跳轉地址。當指令中涉及輸入、輸出狀態(tài)時(shí)， PLC 就從輸入映像寄存器“讀入”上一階段采入的對應輸入端子狀態(tài)，從元件映像寄存器“讀入”對應元件 ( “軟繼電器” ) 的當前狀態(tài)。然后，進(jìn)行相應的運算，運算結果再存入元件映像寄存器中。對元件映像寄存器來(lái)說(shuō)，每一個(gè)元件 ( “軟繼電器” ) 的狀態(tài)會(huì )隨著(zhù)程序執行過(guò)程而變化。
3 ．輸出刷新階段。在所有指令執行完畢后，元件映像寄存器中所有輸出繼電器的狀態(tài)（接通 / 斷開(kāi)）在輸出刷新階段轉存到輸出鎖存器中，通過(guò)一定方式輸出，驅動(dòng)外部負載。
四、可編程控制器的中斷處理
根據以上所述，外部信號的輸入總是通過(guò)可編程控制器掃描由“輸入傳送”來(lái)完成，這就不可避免地帶來(lái)了“邏輯滯后”。 PLC 能不能像計算機那樣采用中斷輸入的方法，即當有中斷申請信號輸入后，系統會(huì )中斷正在執行的程序而轉去執行相關(guān)的中斷子程序；系統若有多個(gè)中斷源時(shí)，它們之間按重要性是否有一個(gè)先后順序的排隊；系統能否由程序設定允許中斷或禁止中斷等等。 PLC 關(guān)于中斷的概念及處理思路與一般微機系統基本是一樣的，但也有特殊之處。
1 ．響應問(wèn)題
一般微機系統的 CPU ，在執行每一條指令結束時(shí)去查詢(xún)有無(wú)中斷申請。而 PLC 對中斷的響應則是在相關(guān)的程序塊結束后查詢(xún)有無(wú)中斷申請和在執行用戶(hù)程序時(shí)查詢(xún)有無(wú)中斷申請，如有中斷申請，則轉入執行中斷服務(wù)程序。如果用戶(hù)程序以塊式結構組成，則在每塊結束或實(shí)行塊調用時(shí)處理中斷。
2 ．中斷源先后順序及中斷嵌套問(wèn)題
在 PLC 中，中斷源的信息是通過(guò)輸入點(diǎn)而進(jìn)入系統的， PLC 掃描輸入點(diǎn)是按輸入點(diǎn)編號的先后順序進(jìn)行的，因此中斷源的先后順序只要按輸入點(diǎn)編號的順序排列即可。系統接到中斷申請后，順序掃描中斷源，它可能只有一個(gè)中斷源申請中斷，也可能同時(shí)有多個(gè)中斷源申請中斷。系統在掃描中斷源的過(guò)程中，就在存儲器的一個(gè)特定區建立起“中斷處理表”，按順序存放中斷信息，中斷源被掃描過(guò)后，中斷處理表亦已建立完畢，系統就按該表順序先后轉至相應的中斷子程序入口地址去工作。
必須說(shuō)明的是，多中斷源可以有優(yōu)先順序，但無(wú)嵌套關(guān)系。即中斷程序執行中，若有新的中斷放生，不論新中斷的優(yōu)先順序如何，都要等執行中的中斷處理結束后，再進(jìn)行新的中斷處理。所以在 PLC 系統工作中，當轉入下一個(gè)中斷服務(wù)子程序時(shí)，并不自動(dòng)關(guān)閉中斷，所以也沒(méi)有必要去開(kāi)啟中斷。
3 ．中斷服務(wù)程序執行結果信息輸出問(wèn)題
PLC 按巡回掃描方式工作，正常的輸入 / 輸出在掃描周期的一定階段進(jìn)行，這給外設希望及時(shí)響應帶來(lái)了困難。采用中斷輸入，解決了對輸入信號的高速響應。當中斷申請被響應，在執行中斷子程序后有關(guān)信息應當盡早送到相關(guān)外設，而不希望等到掃描周期的輸出傳送階段，就是說(shuō)對部分信息的輸入或輸出要與系統 CPU 的周期掃描脫離，可利用專(zhuān)門(mén)的硬件模塊（如快速響應 I/O 模塊）或通過(guò)軟件利用專(zhuān)門(mén)指令使某些 I/O 立即執行來(lái)解決。
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