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德國HILSCHER赫優(yōu)訊可編程邏輯控制器是種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字
它采用一種可編程的存儲器,在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令,通過數(shù)字式或模擬式的輸入輸出來控制各種類型的機械設備或生產過程。
可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC),一種具有微處理器的用于自動化控制的數(shù)字運算控制器,可以將控制指令隨時載入內存進行儲存與執(zhí)行??删幊炭刂破饔蒀PU、指令及數(shù)據內存、輸入/輸出接口、電源、數(shù)字模擬轉換等功能單元組成。早期的HILSCHER可編程邏輯控制器只有邏輯控制的功能,所以被命名為HILSCHER可編程邏輯控制器,后來隨著不斷地發(fā)展,這些當初功能簡單的計算機模塊已經有了包括邏輯控制、時序控制、模擬控制、多機通信等各類功能,名稱也改為可編程控制器(Programmable Controller),但是由于它的簡寫PC與個人電腦(Personal Computer)的簡寫相沖突,加上習慣的原因,人們還是經常使用HILSCHER可編程邏輯控制器這一稱呼,并仍使用PLC這一縮寫。
工業(yè)上使用的HILSCHER可編程邏輯控制器已經相當或接近于一臺緊湊型電腦的主機,其在擴展性和可靠性方面的優(yōu)勢使其被廣泛應用于各類工業(yè)控制領域。不管是在計算機直接控制系統(tǒng)還是集中分散式控制系統(tǒng)DCS,或者現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS中,總是有各類PLC控制器的大量使用。PLC的生產廠商很多,如西門子、施耐德、三菱、臺達等,幾乎涉及工業(yè)自動化領域的廠商都會有其PLC產品提供。
可編程邏輯控制器實質是一種專用于工業(yè)控制的計算機,其硬件結構基本上與微型計算機相同,基本組成如圖1所示,基本構成詳細描述如下
電源
電源用于將交流電轉換成PLC內部所需的直流電,大部分PLC采用開關式穩(wěn)壓電源供電。
中央處理單元
中央處理器(CPU)是PLC的控制中樞,也是PLC的核心部件,其性能決定了PLC的性能。
中央處理器由控制器、運算器和寄存器組成,這些電路都集中在一塊芯片上,通過地址總線、控制總線與存儲器的輸入/輸出接口電路相連。中央處理器的作用是處理和運行用戶程序,進行邏輯和數(shù)學運算,控制整個系統(tǒng)使之協(xié)調。
存儲器
存儲器是具有記憶功能的半導體電路,它的作用是存放系統(tǒng)程序、用戶程序、邏輯變量和其他一些信息。其中系統(tǒng)程序是控制PLC實現(xiàn)各種功能的程序,由PLC生產廠家編寫,并固化到只讀存儲器(ROM)中,用戶不能訪問。
輸入單元
輸入單元是PLC與被控設備相連的輸入接口,是信號進入PLC的橋梁,它的作用是接收主令元件、檢測元件傳來的信號。輸入的類型有直流輸入、交流輸入、交直流輸入。
輸出單元
輸出單元也是PLC與被控設備之間的連接部件,它的作用是把PLC的輸出信號傳送給被控設備,即將中央處理器送出的弱電信號轉換成電平信號,驅動被控設備的執(zhí)行元件。輸出的類型有繼電器輸出、晶體管輸出、晶閘門輸出。
除上述幾部分外,根據機型的不同還有多種外部設備,其作用是幫助編程、實現(xiàn)監(jiān)控以及網絡通信。常用的外部設備有編程器、打印機、盒式磁帶錄音機、計算機等。
當HILSCHER可編程邏輯控制器投入運行后,其工作過程一般分為三個階段,即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間,HILSCHER可編程邏輯控制器的CPU以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述三個階段。
輸入采樣
在輸入采樣階段,HILSCHER可編程邏輯控制器以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據,并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應的單元內。輸入采樣結束后,轉入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中,即使輸入狀態(tài)和數(shù)據發(fā)生變化,I/O映象區(qū)中的相應單元的狀態(tài)和數(shù)據也不會改變。因此,如果輸入是脈沖信號,則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期,才能保證在任何情況下,該輸入均能被讀入。
用戶程序執(zhí)行
在用戶程序執(zhí)行階段,HILSCHER可編程邏輯控制器總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時,又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路,并按先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制線路進行邏輯運算,然后根據邏輯運算的結果,刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應位的狀態(tài);或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應位的狀態(tài);或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。
即,在用戶程序執(zhí)行過程中,只有輸入點在I/O映象區(qū)內的狀態(tài)和數(shù)據不會發(fā)生變化,而其他輸出點和軟設備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲區(qū)內的狀態(tài)和數(shù)據都有可能發(fā)生變化,而且排在上面的梯形圖,其程序執(zhí)行結果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據的梯形圖起作用;相反,排在下面的梯形圖,其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。
在程序執(zhí)行的過程中如果使用立即I/O指令則可以直接存取I/O點。即使用I/O指令的話,輸入過程映像寄存器的值不會被更新,程序直接從I/O模塊取值,輸出過程映像寄存器會被立即更新,這跟立即輸入有些區(qū)別。
輸出刷新
當掃描用戶程序結束后,HILSCHER可編程邏輯控制器就進入輸出刷新階段。在此期間,CPU按照I/O映象區(qū)內對應的狀態(tài)和數(shù)據刷新所有的輸出鎖存電路,再經輸出電路驅動相應的外設。這時,才是HILSCHER可編程邏輯控制器的真正輸出。
小結
根據上述過程的描述,可以對PLC工作過程的特點小結如下:
①PLC采用集中采樣、集中輸出的工作方式,這種方式減少了外界干擾的影響。
②PLC的工作過程是循環(huán)掃描的過程,循環(huán)掃描時間的長短取決于指令執(zhí)行速度、用戶程序的長度等因素。
③輸出對輸入的影響有滯后現(xiàn)象。PLC采用集中采樣、集中輸出的工作方式,當采樣階段結束后,輸入狀態(tài)的變化將要等到下一個采樣周期才能被接收,因此這個滯后時間的長短又主要取決于循環(huán)周期的長短。此外,影響滯后時間的因素還有輸入濾波時間、輸出電路的滯后時間等。
④輸出映像寄存器的內容取決于用戶程序掃描執(zhí)行的結果。
⑤輸出鎖存器的內容由上一次輸出刷新期間輸出映像寄存器中的數(shù)據決定。
⑥PLC當前實際的輸出狀態(tài)由輸出鎖存器的內容決定。