plc教程理論篇之
plc 基本知識一
關鍵詞：plc、入出資訊變換、可靠物理實現、掃瞄方式、中斷方式、西門子、omron、三菱、箱體式 plc、模組式 plc、資訊的特點、可靠性、plc 的「可」、plc 的功能、plc的效能、plc 的應用
一、什麼是 plc
plc 是可程式設計控制器的英文縮寫，於上世紀 70 年代誕生於美國。1987 年 2 月，國際電
工委員會（iec）通過了對它的定義：「可程式設計控制器是一種數字運算操作的電子系統，專
為在工業環境應用而設計的。它採用可程式設計的儲存器，用於其內部儲存程式，執行邏輯運算、
順序控制、定時、計數與算術操作等面向使用者的指令，並通過數字或模擬式輸入、輸出控制
各種型別的機械或生產過程。可程式設計控制器及其有關外部裝置，都按易於與工業控制系統聯
成乙個整體，易於擴充其功能的原則設計。」
可知，plc 這個電子系統，也是靠存貯程式、執行指令，進行資訊處理，實現輸入到
輸出的變換。但它的目的是用以控制各種型別機械或生產過程。所以，從實質上講，它是一
臺工業環境應用的、滿足實時控制要求的專用計算機。與普通計算機所不同的主要是：
它沒有鍵盤，代之為乙個個輸入電路，並用其獲取控制命令或現場訊號。同時，此輸
入電路具有濾波能力的，與內部電路為電隔離的，但可通過光耦合建立聯絡；
它沒有顯示器，代之為乙個個輸出電路，並用其產生控制輸出。由於此電路具有驅動
能力，故可以驅動一般的工業控制元器件，如電磁閥、接觸器等。同時，此電路與內部電路
也是電隔離的，用光或磁耦合建立聯絡；
它沒有硬碟，只有記憶體。但可配備存貯卡，以為程式與資料建立備份；
它配置有外設或通訊介面，可用以程式設計或**程式、監控及聯網通訊；
它的結構為模組化，體積小，安裝方便，比較堅固，具有很強的抗干擾、抗衝擊、抗
震動特性。
總之，plc 只是一台沒有鍵盤、沒有顯示器、沒有硬碟，但有很多輸入、輸出電路、配有介面，可在工業現場實時使用的、模組化、小型化的特殊計算機。
要指出的是，隨著技術進步，plc 的效能在不斷提高，應用在不斷擴充套件，型別在不斷增多。所以，它的概念也在不斷更新。無疑的是，它已發展成為當今方方面面自動化、資訊化的重要支柱。
二、plc是怎麼工作的
它的工作有兩個要點：入出資訊變換、可靠物理實現。
入出資訊變換主要由執行儲存於 plc 記憶體中的程式實現。這程式既有系統的（這程式又稱監控程式，或作業系統），又有使用者的。系統程式為使用者程式提供編輯與執行平台，同時，還進行必要的公共處理，如自檢，i/o 重新整理，與外設、上位計算機或其它 plc 通訊等處理。
使用者程式由使用者按照控制的要求進行設計。什麼樣的控制，就有什麼樣的使用者程式。
可靠物理實現主要通過輸入（i， input）及輸出（o， output）電路。每一輸入點或輸出點就有乙個 i 或 o 電路。而且，總是把若干個這樣電路整合在乙個模組（或箱體）中，然後再由若干個模組（或箱體）集成為 plc 完整的 i/o 系統（電路）。
儘管這些模組相當多，佔了 plc 體積的大部分，但由於它們都是由高度整合化的，所以，plc 的體積還是不太大的。
輸入電路時刻監視著輸入點的（通、on 或斷、off）狀態，並將此狀態暫存於它的輸入暫存器（還可能有別的稱謂）中。每一輸入點都有乙個與其對應的輸入暫存器。
輸出電路有輸出鎖存器（還可能有別的稱謂）。它也有兩個狀態，高、低電位狀態，並可鎖存。同時，它還有相應的物理電路，可把這個高、低電位的狀態傳送給輸出點。
每一輸出點都有乙個與其對應的輸出鎖存器。
這裡的輸入暫存器及輸出鎖存器實際是plc的i/o電路的暫存器。它們與plc記憶體交換資訊通過plc i/o匯流排及執行plc的系統程式實現。
把輸入暫存器的資訊讀到plc的記憶體中，稱輸入重新整理。plc記憶體有專門開闢的存放輸入資訊的對映區。這個區的每一對應位（bit）稱為輸入繼電器，或稱軟觸點，或稱為過程對映輸入暫存器（the process-image input register）。
這些位（bit）置成1，表示觸點通，置成0為觸點斷。由於它的狀態是由輸入重新整理得到的，所以，它反映的就是輸入點的狀態。
輸出鎖存器與plc記憶體中的輸出對映區也是對應的。乙個輸出鎖存器也有乙個記憶體位（bit）與其對應，這個位稱為輸出繼電器，或稱輸出線圈，或稱為過程對映輸出暫存器（the process-image output register）。通過plc i/o匯流排及執行系統程式，輸出繼電器的狀態將對映給輸出鎖存器。
這個對映的完成也稱輸出重新整理。
plc 除了有可接收開關訊號的輸入電路，有時，還有接收模擬訊號的輸入電路（稱模擬量輸入單元或模組）。只是後者先要進行模、數轉換，然後，再把轉換後的資料存入 plc
相應的記憶體單元中。
如要產生模擬量輸出，則要配有模擬量輸出電路（稱模擬量輸出模組或單元）。靠它對
plc 相應的記憶體單元的內容進行數、模轉換，並產生輸出。
這樣，使用者所要編的程式只是，plc 輸入有關的記憶體區到輸出有關的記憶體區的變換。這是乙個資料及邏輯處理問題。由於 plc 有強大的指令系統，編寫出滿足這個要求的程式
是完全可能的。
圖 1-1 對以上敘述作了說明。其中框圖代表資訊儲存的地點，箭頭代表資訊的流向及實現資訊流動的手段。這個圖，既反映了 plc 實現控制的兩個基本要點，同時也反映了資訊在 plc 中的空間關係。
簡單地說，plc 工作過程是：輸入重新整理---執行使用者程式---輸出重新整理，再輸入重新整理---再執行使用者程式---再輸出重新整理……永不停止地迴圈反覆地進行著。
圖 2 所示的流程圖反映的就是上述過程。它也反映了資訊間的時間關係。
有了上述過程，用 plc 實現控制顯然是可能的。因為：有了輸入重新整理，可把輸入電路監視得到的輸入資訊存入 plc 的輸入對映區；經執行使用者程式，輸出對映區將得到變換後的資訊；再經輸出重新整理，輸出鎖存器將反映輸出對映區的狀態，並通過輸出電路產生相應的輸出。
又由於這個過程是永不停止地迴圈反覆地進行著，所以，輸出總是反映輸入的變化。
只是響應的時間上，略有滯後。但由於 plc 的工作速度很快，所以，這個「略有滯後」的
間是很短的，一般也就是幾豪秒、幾十豪秒，最多也不會超過 100 到 200 毫秒。
圖 1-2a 所示的是簡化的過程，實際的 plc 工作過程還要複雜些。除了 i/o 重新整理及執行使用者程式，還要做些其它的公共處理工作。公共處理工作有：
迴圈時間監視、外設服務及通訊處理等。
監視迴圈時間的目的是避免使用者程式「死迴圈」，保證 plc 能正常工作。為避免使用者程式「死迴圈」的辦法是用「看門狗」（watching dog），即設乙個定時器，監測使用者程式的執行時間。只要迴圈超時，即報警，或作相應處理。
外設服務是讓 plc 可接受程式設計器對它的操作，或向程式設計器輸出資料。通訊處理是實現與計算機，或與其它 plc，或與智慧型操作器、感測器進行資訊交換的。
這也是增強 plc 控制能力的需要。也就是說，實際的 plc 工作過程總是：公共處理——i/o 重新整理——執行使用者程式——再公共處理——…反覆不停地重複著。
圖 1-2b 所示的是實際的過程。此外，plc 上電後，也要進行系統自檢及記憶體的初始化工作，為 plc 的正常執行做好
準備。 用這種不斷地重複執行程式以實現控制，稱掃瞄方式工作。是 plc 基本的工作方式。
此外，為了應對緊急任務，plc 還有中斷工作方式。在中斷方式下，需處理的任務先申請中斷，被響應後停止正執行的程式，轉而去處理中斷工作（執行有關中斷的服務程式）。待處理完中斷，又返回執行原來程式。
plc 的中斷方式的任務，或稱事件，是分等級的。同時出現兩個或多個中斷事件，則
優先順序高的先處理，繼而處理低的。直到全部處理完中斷任務，再轉為執行掃瞄程式。plc 對大量控制都用掃瞄方式工作，而對個別急需的處理，則用中斷方式。
這樣，既可做到所有的控制都能照顧到，而個別應急的任務也能及時進行處理。
當然，plc 的實際工作過程比這裡講的還要複雜一些，分析其基本原理，也還有一些理論問題。但如果能弄清上面介紹的思路，也可知到 plc 是怎麼工作的了。
三、怎樣計算響應時間
從 plc 工作過程可知，plc 的輸出對輸入的響應是有滯後的。這滯後時間也稱響應時間。以掃瞄方
式工作為例，其計算見圖 1-3。
從圖知，此時間應為 t1、t2、t3、t4、t5 與 t6 之和。
這裡：t1 為輸入響應時間，從輸入訊號產生到輸入暫存器完成存貯所經歷的時間。消耗在輸入電路上。可設定，預設為 8 豪秒；特殊的還可設定為可讀取作用時間很短的訊號。
t2 為等待輸入重新整理時間：從輸入暫存器完成 plc 開始執行輸入重新整理的時間。在輸入暫存器完成存貯時，正好是 plc 進行輸入重新整理，則此時間為 0；在輸入暫存器完成存貯時，正好是 plc 剛完成輸入重新整理，
則此時間為 1 個掃瞄週期 t。
t3 為輸入重新整理時間：把輸入暫存器的狀態讀入輸入繼電器，即用於輸入重新整理的時間。
t4 為程式執行時間：執行使用者程式及公共處理時間。
t5 為輸出重新整理時間：把輸出繼電器的狀態傳送給輸輸出鎖存器，即用於輸出重新整理的時間。
t6 為輸出響應時間：從輸出鎖存器狀態到實際輸出產生的時間。消耗在輸出電路上。取決於使用的輸出電路及負載。一般為若干豪秒。
而 t3、t4、t5 之和為掃瞄週期 t。
圖中畫出 tx1 與 tx2 兩個響應時間，它們所差的是等待時間 t2 不同。t2 最小值為 0，最大值為 t.
所以，最長響應時間為：
tx-max=t1+2t+t6
一些重要訊號如響應時間太長，則應改委中斷方式。因它不包含 t3、t4、t5，不受掃瞄週期影響，而且t1 也可設得很小。所以，可得到快速響應。
四、plc 能實現什麼功能
plc 有豐富的指令系統，有各種各樣的 i/o 介面、通訊介面，有大容量的記憶體，有可靠
的作業系統，因而具有豐富的功能：
訊號採集功能：可採集開關訊號、模擬訊號及脈衝訊號。
輸出控制功能：可控制輸出開關訊號、模擬訊號及脈衝（脈衝鏈或脈寬可調製的脈衝）訊號。
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