2.2.2 PLC 的工作原理

  

　　PLC 采用循环扫描的工作方式，在PLC 中用户程序按先后顺序存放，CPU 从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符后再返回第一条，如此周而复始不断循环。PLC 的扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。当PLC 处于停止状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。在PLC 处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。

   

　　1、输入处理

  

　　输入处理也叫输入采样。在此阶段，顺序读入所有输入端子的通断状态，并将读入的信息存入内存中所对应的映像寄存器。在程序执行时，输入映像寄存器与外界隔离，即使输入信号发生变化，其映像寄存器的内容也不会发生变化，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入信息。

  

　　2、程序执行

  

　　根据PLC 梯形图程序扫描原则，按先左后右先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。遇到程序跳转指令，根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。从用户程序涉及到输入输出状态时，PLC 从输入映像寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映像寄存器读出对应映像寄存器，根据用户程序进行逻辑运算，存入有关器件寄存器中。对每个器件来说，器件映像寄存器中所寄存的内容，会随着程序执行过程而变化。

  

　　3、输出处理

   

　　程序执行完毕后，将输出映像寄存器，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。

   

　　2.3 PLC 的特点与应用

   

　　2.3.1 PLC 的特点

  

　　PLC 经过半个世纪的发展，与继电器和微机控制相比，有以下显著特点：

  

　　(1)可靠性高，抗干扰能力强

  

　　微机虽然具有很强的功能，但抗干扰能力差，工业现场的电磁干扰，电源波动，机械震动，温度和湿度的变化，都可以使一般通用微机不能正常工作。而PLC 在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸取了生产厂家长期积累的生产控制经验，主要模块均采用大规模与超大规模集成电路，I/O 系统设计有完善的通道保护与信号调理电路;在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑;在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰措施;在软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施;所有这些使PLC 具有较高的抗干扰能力。PLC 的平均无故障时间通常在几万小时以上，这是一般微机不能比拟的。

  

　　(2)控制系统结构简单，通用性强

  

　　PLC 及外围模块品种较多，可由各种组建灵活组成各种大小和不同要求的控制系统。在PLC 构成的控制系统中，只需在PLC 的端子上接入相应的输入/输出信号线即可，不需要诸如继电器之类的物理电子器件和大量而又繁杂的硬接线线路。当控制要求改变，需要变更控制系统的功能时，可以用编程器在线或离线修给程序，同一个PLC装置用于不同的控制对象，只是输入/输出组件和相应软件的不同。PLC 的输入/输出可直接与交流220V，直流24V 等电源相连，并有较强的带负载能力。

   

　　(3)编程方便，易于使用

  

　　PLC 是面向用户的设备，PLC 的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯，PLC 程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继电器原理图相类似，这种编程语言形象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，只要具有一定的电工和工艺知识的人员都可在短时间学会。

  

　　(4)功能完善

   

　　PLC 的输入/输出系统功能完善，性能可靠，能够适应于各种形式和性质的开关量和模拟量的输入/输出。在PLC 内部具备许多控制功能，诸如时序、计算器、主控继电器以及位移寄存器、中间寄存器等。由于采用了微处理器，它能够很方便的实现延时、锁存、比较、跳转和强制I/O 等诸多功能，它不仅具有逻辑运算、算术运算、数制转换以及顺序控制功能，而且还具备模拟运算、显示、监控、打印及报表生成功能。

   

　　此外，它还可以和其他微机系统、控制设备共同组成分布式或分散式控制系统，还能实现成组数据传送、矩阵运算、闭环控制、排序与查表、函数运算及快速中断等功能。因此PLC 具有极强的适应性，能够很好的满足各种类型控制的需要。

  

　　(5)设计、施工、调试的周期短

   

　　用继电接触器控制完成一项控制工程，必须首先按工艺要求画出电气原理图，然后画出继电器屏(柜)的布置和接线图等，进行安装调试，以后修改起来十分不便。而采用PLC 控制，由于其硬软件齐全，为模块化积木式结构，且已商品化，故仅需按性能、容量(输入/输出点数、内存大小)等选用组装。而大量具体的程序编制工作也可以在PLC 到货前进行，因而缩短了设计周期。因为PLC 是通过程序完成控制任务的，采用了方便用户的工业编程语言，且都具有强制和仿真功能，故程序的设计、修改和调试都很方便，这样可大大缩短设计和投运周期。

   

　　(6)体积小，维护操作方便

  

　　PLC 体积小，质量轻，便于安装。PLC 的输入/输出系统能够直观的反映现场信号的变化状态，还能通过各种方式直观的反映控制系统的运行状态，如内部工作状态、通信状态、I/O 点状态、异常状态和电源状态等，对此均有醒目的指示，非常有利于运行和维护人员对系统进行监视。

  

　　2.3.2 PLC 的应用领域

    

　　目前，PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。

  

　　1、开关量的逻辑控制

   

　　这是PLC 最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。

   

　　2、模拟量控制

  

　　在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量(Analog)和数字量(Digital)之间的A/D 转换及D/A 转换。PLC 厂家都生产配套的A/D 和D/A 转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。

   

　　3、运动控制

  

　　PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O 模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC 厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。

  

　　4、过程控制

   

　　过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC 能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID 调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC 都有PID 模块，目前许多小型PLC 也具有此功能模块。PID 处理一般是运行专用的PID 子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。

  

　　5、数据处理

  

　　现代PLC 具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统;也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。

  

　　6、机器人控制

  

　　机器人作为工业过程自动生产线中的重要设备，已成为未来工业生产自动化的三大支柱之一。现在许多机器人制造公司选用PLC 作为机器人控制器来控制各种机械动作。随着PLC 体积进一步缩小，功能进一步增强，PLC 在机器人控制中的应用必将更加普遍。

  

　　7、通信及联网

   

　　PLC 通信含PLC 间的通信及PLC 与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC 厂商都十分重视PLC 的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC 都具有通信接口，通信非常方便。

  

　　2.4 本章小结

  

　　本章重点叙述了PLC 的产生、发展、特点、应用及PLC 的结构和工作原理。工业控制中使用的PLC 种类很多，不同厂家的产品各有特点，它们虽有一定的区别，但作为工业标准控制设备，PLC 在结构组成、工作原理和编程方法等许多方面是基本相同的。PLC 是在继电接触器控制和计算机控制基础上开发的工业自动控制装置,是计算机技术在工业控制领域的一种应用技术。微机技术和微电子技术的迅猛发展，极大推动了PLC 在世界范围内的发展，其功能越来越强大，应用范围越来越广，已广泛应用在各种机械和生产过程的自动控制第3 章硬件设计。

   

   

    

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