簡介可編程序控制器

袁琴

【摘 要】本文介紹可編程序控制器的發展歷史，介紹了可編程控制器技術的原理及功能特點。

【translate】 this article introduces the development history of Programmable Logic Controller，and introduced the principle and features of PLC Technology.

【關鍵詞】可編程序控制器；PLC；數據；程序

可編程序控制器（Programmable Logic Controller），簡稱PLC，是在繼電順序控制基礎上發展起來的以微處理器為核心的通用的工業自動化控制裝置。

一、PLC的發展史

1968年美國通用汽車公司（GM）首先公開招標，對控制系統提出的要求為：a、 它的繼電控制系統設計周期短，更改容易，接線簡單成本低；b、它能把計算機的功能和繼電器控制系統結合起來；c、系統通用性強。1969年美國數字設備公司（DEC）根據上述要求，研制出世界上第一臺PLC，并在GM公司汽車生產線上首次試用成功，實現了生產的自動化。其后日本、德國等相繼引入，可編程序控制器迅速發展起來，但是主要應用于順序控制，只能進行邏輯運算，故稱為可編程邏輯控制器，簡稱PLC。

隨著電子技術和計算機技術的迅猛發展，PLC的功能也越來越強大，更多地具有計算機的功能，所以又簡稱PC（PROGRAMMABLE CONTROLLER），但是為了不和PERSONAL COMPUTER混淆，仍習慣稱為PLC。目前PLC已經在智能化、網絡化方面取得了很好的發展，并且現今已出現SOFTPLC，更是PLC領域無限的發展前景。

二、可編程序控制器的功能特點

1.邏輯控制 PLC具有邏輯運算功能，能夠進行與、或、非等邏輯運算，可以代替繼電器進行開關量控制。

2.定時控制 為滿足生產控制工藝對時間的要求，PLC一般提供時間繼電器，并且計時時間常數在范圍內用戶編寫程序時自己設定，并且在PLC運行中也可以讀出、修改，使用方便。

3.計數控制 為滿足計數的需要，不同的PLC提供不同數量、不同類型的計數器。

4.步進順序控制 步進順序控制是plc最基本的控制方式。是為有時間或運行順序的生產過程專門設置的指令，在前道工序完成之后，就轉入下一道工序，使一臺PLC可作為多部步進控制器使用。

5.對控制系統的監控 PLC具有較強的監控能力，操作人員可以根據PLC的監控信息，通過監控命令，可以監視系統的運行狀態，從而改變對異常值的設定。

6.數據處理 PLC具有較強的數據處理能力，能對大量的數據進行快速處理。

7.通信和聯網 現代 PLC大多數都采用了通信、網絡技術，可進行遠程I/O控制，多臺 PLC可彼此間聯網、通信，外部器件與一臺或多臺可編程控制器的信號處理單元之間，實現程序和數據交換，如程序轉移、數據文檔轉移、監視和診斷。

8.輸入/輸出接口調理功能 具有 A/D、D/A轉換功能，通過I/O模塊完成對模擬量的控制和調節。

9.人機界面功能 提供操作者以監視機器 、過程工作必需的信息。允許操作者和PLC系統與其應用程序相互作用，以便作出決策和調整。

三、可編程控制器的結構和基本工作原理

PLC由于其自身的特點，在工業生產的各個領域得到了愈來愈廣泛的應用。而作為PLC的用戶，要正確地應用PLC去完成各種不同的控制任務，首先應了解其組成結構和工作原理。

1、 PLC的基本結構

可編程序控制器實施控制，其實質就是按一定算法進行輸入輸出變換，并將這個變換與以物理實現。PLC的基本結構如下圖所示：

（1）中央處理單元（CPU） 中央處理單元 （CPU）是PLC的控制核心。它按照PLC系統程序賦予的功能：a. 接收并存儲從用戶程序和數據；b.檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。

（2）存儲器 可編程序控制器的存儲器分為系統程序存儲器和用戶程序存儲器。存放系統軟件（包括監控程序、模塊化應用功能子程序、命令解釋程序、故障診斷程序及其各種管理程序）的存儲器稱為系統程序存儲器；存放用戶程序（用戶程序存和數據）的存儲器稱為用戶程序存儲器，所以又分為用戶存儲器和數據存儲器兩部分。

（3）輸入接口電路 輸入輸出信號有開關量、模擬量、數字量三種，在我們實習室涉及到的信號當中，開關量最普遍，也是實驗條件所限。

（4）輸出接口電路：可編程序控制器的輸出有：繼電器輸出（M）、晶體管輸出（T）、晶閘管輸出（SSR）三種輸出形式。

（5）電源 PLC的電源在整個系統中起著十分重要得作用。如果沒有一個良好的、可靠得電源系統是無法正常工作的，因此PLC的制造商對電源的設計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%（+15%）范圍內，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網上去。

2、 PLC的工作原理

PLC采用循環掃描的工作方式。對每個程序，CPU從第一條指令開始執行，按指令步序號做周期性的程序循環掃描，如果無跳轉指令，則從第一條指令開始逐條執行用戶程序，直至遇到結束符后又返回第一條指令，如此周而復始不斷循環，每一個循環稱為一個掃描周期。掃描周期的長短主要取決于以下幾個因素：一是CPU執行指令的速度；二是執行每條指令占用的時間；三是程序中指令條數的多少。一個掃描周期主要可分為3個階段。

1.輸入刷新階段

在輸入刷新階段，CPU掃描全部輸入端口，讀取其狀態并寫入輸入狀態寄存器。完成輸入端刷新工作后，將關閉輸入端口，轉入程序執行階段。在程序執行期間即使輸入端狀態發生變化，輸入狀態寄存器的內容也不會改變，而這些變化必須等到下一工作周期的輸入刷新階段才能被讀入。

2.程序執行階段

在程序執行階段，根據用戶輸入的控制程序，從第一條開始逐步執行，并將相應的邏輯運算結果存入對應的內部輔助寄存器和輸出狀態寄存器。當最后一條控制程序執行完畢后，即轉入輸入刷新階段。

3.輸出刷新階段

當所有指令執行完畢后，將輸出狀態寄存器中的內容，依次送到輸出鎖存電路（輸出映像寄存器），并通過一定輸出方式輸出，驅動外部相應執行元件工作，這才形成PLC的實際輸出。

由此可見，輸入刷新、程序執行和輸出刷新三個階段構成PLC一個工作周期，由此循環往復，因此稱為循環掃描工作方式。由于輸入刷新階段是緊接輸出刷新階段后馬上進行的，所以亦將這兩個階段統稱為I/O刷新階段。實際上，除了執行程序和I/O刷新外，PLC還要進行各種錯誤檢測（自診斷功能）并與編程工具通訊，這些操作統稱為“監視服務”，一般在程序執行之后進行。

顯然掃描周期的長短主要取決于程序的長短。掃描周期越長，響應速度越慢。由于每個掃描周期只進行一次I/O刷新，即每一個掃描周期PLC只對輸入、輸出狀態寄存器更新一次，所以系統存在輸入輸出滯后現象，這在一定程度上降低了系統的響應速度。但是由于其對I/O的變化每個周期只輸出刷新一次，并且只對有變化的進行刷新，這對一般的開關量控制系統來說是完全允許的，不但不會造成影響，還會提高抗干擾能力。這是因為輸入采樣階段僅在輸入刷新階段進行，PLC在一個工作周期的大部分時間是與外設隔離的，而工業現場的干擾常常是脈沖、短時間的，誤動作將大大減小。但是在快速響應系統中就會造成響應滯后現象，這個一般PLC都會采取高速模塊。

參考文獻：

[1]廖常初.可編程序控制器的編程方法與工程應用.重慶：重慶大學出版社，2001.2

[2]李樹雄.可編程序控制器原理及應用教程.北京：北京航空航天大學出版社，2003.9