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?  PLC的工作原理

    前面幾節(jié)把可編程控制器硬件體系中的最基本部件做了介紹。本節(jié)用一個(gè)最簡(jiǎn)單的PLC來(lái)說(shuō)明其工作原理。設(shè)有一臺(tái)PLC（型號(hào)為L(zhǎng)EM），它有6種基本指令，指令見(jiàn)表1。

表1  LEM PLC的6種指令

    圖1給出了指令格式，每一條指令由13位組成。

圖1  LEM PLC的指令格式

    從圖1指令格式中可以看出指令的地址場(chǎng)包含9位2進(jìn)制數(shù)，允許尋址29 = 512位。在LEM－PLC中設(shè)置128位輸入變量Ui和128位輸出變量Yj，剩下256位保留作為中間變量Xk。因此LEM的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（便箋式存儲(chǔ)器）具有512位，以8進(jìn)制表示時(shí)，地址為0(O)至777(O)。圖2表示了LEM的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器組態(tài)。

圖2  LEM的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器組態(tài)

    LEM的中央處理器包含一個(gè)程序計(jì)數(shù)器(P)或稱指令指針（10位寄存器），一個(gè)13位指令寄存器(I)和一個(gè)邏輯累加器(A)，最后還有一個(gè)4位后進(jìn)先出的堆棧LIFO。圖3表示執(zhí)行指令的過(guò)程。指令指針執(zhí)行完當(dāng)前指令后把指針數(shù)加1，指向下一條將執(zhí)行的指令。現(xiàn)在指令指針中的內(nèi)容為1000(O)（2進(jìn)制碼為001  000  000  000），在程序存儲(chǔ)器（用戶存儲(chǔ)區(qū)）中。地址為1000(O)單元處放置有指令I(lǐng)FU3，中央處理器將這條指令取入指令寄存器(I)，這時(shí)(I)寄存器的內(nèi)容為：

圖3  LEM PLC執(zhí)行指令的過(guò)程

    其地址場(chǎng)的內(nèi)容為000  000  011轉(zhuǎn)入地址寄存器(S)，并取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器第3單元（輸入變量U3）的內(nèi)容送至累加器(A)。這一過(guò)程是中央處理器根據(jù)指令中的操作碼0001，經(jīng)譯碼器譯碼后在時(shí)鐘的控制下進(jìn)行的。以上僅僅是執(zhí)行一條指令的過(guò)程。

    下面說(shuō)明PLC怎樣使用LIFO堆棧來(lái)完成一個(gè)梯形圖的梯節(jié)或一個(gè)布爾代數(shù)方程的表達(dá)式： 

   

    用梯形圖來(lái)表示上述邏輯方程的梯節(jié)如圖4所示：

圖4  用梯形圖表示的例子 

    將上述邏輯方程或梯節(jié)寫成LEM  PLC能執(zhí)行的程序，其程序表見(jiàn)表2。

    表2中的指令助記符在程序存儲(chǔ)器中的編碼見(jiàn)表3。

    在表4中列出了程序執(zhí)行過(guò)程中，累加器A和堆棧的內(nèi)容。

    輸入變量，中間變量和輸出變量在數(shù)據(jù)儲(chǔ)器中的位置如表5所示。

    上面說(shuō)明了PLC執(zhí)行一條指令或一個(gè)邏輯方程（用梯形圖表示時(shí)是一個(gè)梯節(jié)）的過(guò)程。但是PLC與普通辦公用計(jì)算機(jī)有一個(gè)很大的不同點(diǎn)，就是PLC的程序是自動(dòng)循環(huán)執(zhí)行的，而普通計(jì)算機(jī)是按照命令執(zhí)行程序，程序結(jié)束后等待新的命令。后一種工作方式稱異步工作方式。因此，對(duì)PLC說(shuō)來(lái)循環(huán)是一個(gè)十分重要的概念。大部分PLC采用這樣的循環(huán)方式，程序一開(kāi)始，掃描和采集輸入摸板上各輸入變量的數(shù)據(jù)，然后轉(zhuǎn)移到中央存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)區(qū)（有時(shí)稱為便箋式存儲(chǔ)器或輸入映像區(qū)），接著執(zhí)行用戶的應(yīng)用程序，把邏輯運(yùn)算的結(jié)果送到便箋式存儲(chǔ)器的輸出映像區(qū)，最后將輸出映像區(qū)的值送到輸出摸板去控制具體的物理過(guò)程。在處理完輸出轉(zhuǎn)移后，要進(jìn)行通信程序處理，來(lái)完成編程命令或監(jiān)視命令。然后又回到循環(huán)的起始點(diǎn)，掃描和采集輸入摸板。

表2   LEM PLC內(nèi)的用戶程序表（執(zhí)行本例子的程序表）

表3  程序表在存儲(chǔ)器中的編碼

表4  程序執(zhí)行過(guò)程中累加器A和堆棧的內(nèi)容

表5  程序執(zhí)行過(guò)程中各個(gè)變量在存儲(chǔ)器中的位置

    下面以PHILIPS Proscon邏輯控制器為例，進(jìn)一步說(shuō)明循環(huán)的概念，該控制器的配置如下：

    16塊輸入摸板，每塊摸板16個(gè)輸入點(diǎn)，總共256個(gè)輸入點(diǎn)；
    16塊輸出摸板，每塊摸板16個(gè)輸出點(diǎn)，總共256個(gè)輸出點(diǎn)；
    程序存儲(chǔ)器4KB。

 圖5   PLC循環(huán)舉例

圖6   PLC摸板之間信息交換的過(guò)程

    一塊輸入板或輸出板的存取時(shí)間為29μs，執(zhí)行1K字程序指令的時(shí)間為1.85ms。這樣，整個(gè)的循環(huán)時(shí)間是8.3ms。它是由兩個(gè)部分組成的：一部分的輸入／輸出循環(huán)時(shí)間為32×29＝928μs=0.928ms；另一部分的執(zhí)行程序存儲(chǔ)器用戶程序的時(shí)間，最長(zhǎng)為4×1.85=7.4ms。圖5為PLC循環(huán)舉例。圖6表示了摸板之間信息交換的過(guò)程。 圖7表示了循環(huán)的控制信號(hào)定時(shí)圖。

    圖7上的各種信號(hào)說(shuō)明如下：

    S1：輸入／輸出信號(hào)的有效周期；
    B1：輸入／輸出地址總線信號(hào)；
    S2：來(lái)自輸入摸板的應(yīng)答信號(hào)；
    B2：轉(zhuǎn)移輸入狀態(tài)到便箋式存儲(chǔ)器（輸入／輸出映像）的總線信號(hào)；
    B3：從便箋式存儲(chǔ)器中輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)移到緩沖存儲(chǔ)器的總線信號(hào)．緩沖存儲(chǔ)器能保證即使在輸出板的電源發(fā)生故障的情況下，也能保持住應(yīng)輸出的信息；
    S3：來(lái)自中央處理單元允許轉(zhuǎn)移到輸出摸板的時(shí)鐘信號(hào)；
    S5：邏輯處理信號(hào)；
    B4：程序存儲(chǔ)器地址總線信號(hào)；
    S6：開(kāi)始執(zhí)行指令周期的信號(hào)；
    B5：指令的總線信號(hào)。

    有三種基因素會(huì)影響到PLC的循環(huán)結(jié)構(gòu)，它們是：
    ?  輸入／輸出采集戰(zhàn)略；
    ?  跳轉(zhuǎn)指令的應(yīng)用；
    ?  有可能存在數(shù)值計(jì)算。

    還有一種更復(fù)雜的情況，就是多處理器結(jié)構(gòu)的PLC，在循環(huán)過(guò)程中要分配給智能摸板命令和采集信息，智能摸板是自身帶CPU具有特殊功能的摸板，智能摸板的循環(huán)和主CPU的循環(huán)是并行進(jìn)行的，但主CPU要向智能摸板發(fā)送命令和采集信息。

圖7   PLC循環(huán)的控制信號(hào)定時(shí)圖

    在循環(huán)過(guò)程中，遇有跳轉(zhuǎn)指令時(shí)（包括無(wú)條件和條件跳轉(zhuǎn)），會(huì)改變循環(huán)的方向，圖8 表示了執(zhí)行程序過(guò)程中修整循環(huán)的例子。

?  PLC 軟件體系　

    PLC系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件
 
    PLC的基本軟件包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，如果用一個(gè)示意圖來(lái)表示的話（見(jiàn)圖9），PLC的硬件處在一個(gè)園的核心部分。在硬件外圍有三個(gè)環(huán)包圍著。第一個(gè)環(huán)是軟件的操作系統(tǒng)，用它來(lái)管理各種硬件資源（存儲(chǔ)器，軟盤驅(qū)動(dòng)，鍵盤。CRT，輸入，輸出等）；第二個(gè)環(huán)是編程語(yǔ)言的編譯系統(tǒng)；第三個(gè)環(huán)是應(yīng)用程序。最外圍是被控制對(duì)象。相對(duì)PLC講來(lái)是外部世界。在硬件和外部世界之間的三個(gè)環(huán)就構(gòu)成了PLC的基本軟件，硬件通過(guò)基本軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)外部世界的控制。對(duì)基本軟件可以下這樣一個(gè)定義：PLC的基本軟件是由一組程序組成，這組程序允許對(duì)硬件進(jìn)行管理，并提供使用方便。這組程序也用來(lái)生成和開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件，通過(guò)應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)外部世界的控制。

    在PLC的結(jié)構(gòu)中，軟件操作系統(tǒng)駐留在PLC的中央存儲(chǔ)器內(nèi)，并且都加以固化。PLC的語(yǔ)言編譯系統(tǒng)，一般都比較大，通常是以磁盤文件的形式，放置在編程器內(nèi)，最后生成的應(yīng)用程序也放置在中央存儲(chǔ)器內(nèi)．但是需要有后備電池支持，以保證關(guān)機(jī)時(shí)，程序不會(huì)丟失。只有在程序經(jīng)確認(rèn)沒(méi)有錯(cuò)誤，現(xiàn)場(chǎng)也不需改動(dòng)的情況下，為了提高運(yùn)行的安全性才將應(yīng)用程序進(jìn)行固化。

(a) 根據(jù)程序中的跳轉(zhuǎn)指令，循環(huán)的時(shí)間是變化的

(b) 子循環(huán)的建立
圖8  程序執(zhí)行時(shí)循環(huán)時(shí)間修改的例子

圖9  PLC的軟件結(jié)構(gòu)