PLC的工作原理研究

陳逸凡+任成龍

摘 要：可編程控制器（programmable logic controller）是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境下應用而設計。它采用可編程序的存貯器，用來在其內部存貯執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。

關鍵詞：PLC；串行通信

1 PLC的基本結構

（1）整體式結構

早期的PLC一般采用整體式結構。采用整體式結構的PLC將CPU模塊、輸入輸出模塊、電源模塊和通信接口模塊等基本模塊緊湊地封裝在一個機殼內，構成一個整體。微型、小型PLC一般采用整體式結構。

（2）模塊式結構

在模塊式PLC結構中，按PLC的各個組成部分將PLC劃分為不同的模塊，并將這些模塊獨立地進行物理封裝。劃分的模塊一般包括CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊、電源模塊和各種功能模塊。各個模塊功能是獨立的，外形尺寸是統一的，安裝時將這些模塊插在框架上或基板上即可，它們由系統自動進行尋址連接，插入什么模塊可根據需要進行配置。大、中型PLC多采用模塊式結構形式。模塊式結構能夠適應各種工業現場的分布式控制。

（3）混合式結構

混合式PLC由PLC主機模塊和擴展功能模塊組成。其中，PLC主機模塊由CPU、存儲器、通信電路、基本輸入/輸出電路、電源等基本模塊組成，構成最小配置，可以單獨完成控制功能，而擴展功能模塊可以是輸入/輸出模塊、模擬量模塊、位置控制模塊、PID模塊、聯網控制模塊等智能模塊。模塊之間的連接：它們之間通過總線進行連接，由主機模塊統一管理。混合式PLC結構如圖1.1所示。

混合式PLC集中了整體式和模塊式的優點，擴充性能良好，模塊豐富，擴大了PLC的應用范圍，改善了控制性能，所以混合式PLC得到了迅猛的發展。它能夠適用于各種復雜、惡劣的分布或集中環境。

2 PLC的工作原理

PLC是以循環掃描方式控制數字化的信息，實施邏輯性很強的通信控制。在系統硬件的支持和軟件的控制下，PLC按固定的周期時間循環掃描，按用戶程序中指令的順序，一條一條地執行程序中的指令。在每一個掃描周期內，PLC順序地執行自診斷，初始化，執行用戶程序，通信服務等任務。

3 PLC控制系統的結構

使用PLC可以構成多種形式的控制系統，下面介紹幾種常用的PLC控制系統。

（1）單機控制系統

單機控制系統是較普通的一種PLC控制系統。該控制系統使用一臺PLC控制一個對象，控制系統要求的點數和存儲器容量比較小，沒有PLC的通信問題，采樣條件和執行機構比較集中，控制系統的構成簡單明了。

（2）集中控制系統

集中控制系統用一臺功能強大的PLC監視、控制多個設備，形成中央集中式的計算機控制系統。其中，各個設備之間的聯絡、連鎖關系、運行順序等統一由中央PLC來完成。集中控制系統比單機控制系統經濟得多，但也有不足。為了適應控制系統的改變，采用集中控制系統時，必須注意選擇I/0點數和存儲器容量時要留有足夠的裕量，以便滿足增加控制對象的要求。

（3）分散控制系統

分散控制系統的構成如圖3.1所示，每一個控制對象設置一臺PLC，各臺PLC之間可通過信號傳遞進行內部連鎖、響應或發令等，或者由上位機通過數據通信總線進行通信。

分散控制系統常用于多臺機械生產線的控制，各生產線之間有數據連接。由于各控制對象都由自己的PLC進行控制，當某一臺PLC停止運行時，不需要停運其他的PLC。

隨著PLC性能的不斷提高，由PLC擔當底層控制任務，通過網絡連接，PLC與過程控制相結合的分散控制系統將是計算機控制的重要發展方向。與集中控制系統相比，分散控制系統的可靠性大為加強。

4 PLC串行通信原理

無論計算機還是PLC，它們都是數字設備。它們之間交換的信息是由“0”和“1”表示的數字信號。通常把具有一定編碼、格式和位長的數字信號稱為數字信息。數字通信就是將數字信息通過適當的傳輸線路，從一臺機器傳輸到另一臺機器。這里的機器可以是計算機、PLC或是有數字通信功能的其他數字設備。數字通信系統的任務是把地理位置不同的計算機和PLC及其他數字設備連接起來，高效率地完成數據的傳輸、信息交換和通信處理三項任務。數字通信系統一般由傳輸設備、傳輸控制設備和傳輸協議及通信軟件等組成。

4.1 串行通信的概念

所謂“串行通信”是指外設和計算機間使用一根數據信號線，數據在一根數據信號線上一位一位地進行傳輸，每一位數據都占據一個固定的時間長度。由于CPU與接口之間按并行方式傳輸，接口與外設之間按串行方式傳輸，因此，在串行接口中，必須要有“接收移位寄存器”（串一并）和“發送移位寄存器”（并一串）。典型的串行接口的結構如圖4.1所示。

在數據輸入過程中，數據1位連1位地從外設進入接口的“接收移位寄存器”，當“接收移位寄存器”中已接收完1個字符的各位后，數據就從“接收移位寄存器”進入“數據輸入寄存器”。CPU從“數據輸入寄存器”中讀取接收到的字符。（并行讀取，即D7-D0同時被讀至累加器中）。接收移位寄存器力的移位速度由“接收時鐘”確定。在數據輸出過程中，CPU把要輸出的字符（并行地）送入“數據輸出寄存器”，“數據輸出寄存器”的內容傳輸到“發送移位寄存器”，然后由“發送移位寄存器”移位，把數據1位接1位地送到外設。“發送移位寄存器”的移位速度由“發送時鐘”確定。接口中的“控制寄存器”用來容納CPU送給此接口的各種控制信息，這些控制信息決定接口的工作方式。狀態寄存器"的各位稱為“狀態位”，每一個狀態位都可以用來指示數據傳輸過程中的狀態或某種錯誤。例如，用狀態寄存器的D5位為“1”表示“數據輸出寄存器”空，用D0位表示“數據輸入寄存器滿”，用D2位表示“奇偶檢驗錯”等。

結論

本文綜述了PLC控制系統的一般結構及PLC網絡通信基本原理和方法；提出了PLC控制系統設計的原則、內容和步驟。

參考文獻

[1] 周萬珍，高鴻斌.PLC分析與設計應用.北京：電子工業出版社，2001.1.