PLC工程應(yīng)用分析

摘要：文章針對PLC工程應(yīng)用開發(fā)過程中的使用特點(diǎn)，研究了PLC硬件組成、軟件結(jié)構(gòu)，分析了PLC控制使用的工作過程，最后探討了PLC編程語言語句，對PLC在控制系統(tǒng)的應(yīng)用有一定指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：PLC工程；硬件系統(tǒng)；軟件系統(tǒng)；編程語言語句；控制系統(tǒng) 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TP27 文章編號：1009-2374（2015）34-0033-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.34.017

可編程序控制器（Programmable Logical Controller，PLC）是一種新型的工業(yè)自動化裝置，PLC的核心是微處理器，由自動化、通信、計(jì)算機(jī)技術(shù)三者融合而成。PLC的特征是具有簡單靈活的可編程性、能夠抵抗惡劣工作環(huán)境的高抗壓能力以及適應(yīng)性能強(qiáng)。PLC憑借體積小、價(jià)格便宜、重量輕等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制上，在熱電廠自動化工程的應(yīng)用也日益廣泛。

1 PLC的結(jié)構(gòu)研究

不同型號可編程邏輯控制器的結(jié)構(gòu)及組成基本原理相同，研究可編程控制原理應(yīng)該從硬件結(jié)構(gòu)與軟件開發(fā)入手。

1.1 PLC的硬件組成部分

PLC的硬件系統(tǒng)組成部分包括CPU板、輸入和輸出電路、存儲器擴(kuò)展接口等。

1.1.1 CPU板：PLC的核心系統(tǒng)就是CPU板，CPU板中包含中央處理器、只讀存儲器、隨機(jī)存儲器、并行接口及串行接口等等組成部件。CPU板在PLC的作用是運(yùn)算和控制程序，對不同的邏輯運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算以及系統(tǒng)整體的部件起到管理、控制的作用。隨機(jī)存儲器和只讀存儲器配備在PLC程序內(nèi)部，具有存儲各種系統(tǒng)程序的作用。并行接口和串行接口實(shí)現(xiàn)中央處理器與每一個接口電路之間的信息交換。

1.1.2 輸入/輸出電路：輸入電路包括直流輸入和交流輸入兩種電路。輸入電路能夠?qū)ΜF(xiàn)場輸入設(shè)備所提示的控制信號程序進(jìn)行接收，接收后光電耦合器可將控制信號隔離進(jìn)行程序編碼，從而轉(zhuǎn)換為PLC程序中的標(biāo)準(zhǔn)使用的信號格式，再經(jīng)過CPU實(shí)現(xiàn)信號讀入，從而傳輸至存儲器內(nèi)。

輸出電路在PLC中，主要作用是實(shí)現(xiàn)輸出信號，在PLC系統(tǒng)中的控制信號輸出時，輸出電路負(fù)責(zé)將控制信號傳送至其他外部輸出設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)輸出電路的工作。輸出電路的形式分為三種：（1）繼電器形式的輸出電路，該形式的輸出電路對繼電器的線圈進(jìn)行控制，使繼電器的觸點(diǎn)發(fā)生通斷，從而達(dá)到電氣隔離的目的；（2）晶體管輸出型電路，該電路運(yùn)用光電耦合器達(dá)到電路開關(guān)晶體管出現(xiàn)通斷的目的，以此來對輸出設(shè)備進(jìn)行控制；（3）可控硅輸出型，以可控硅為媒介對輸出設(shè)備進(jìn)行控制，當(dāng)觸發(fā)可控硅，即可出現(xiàn)電路通斷。

1.1.3 存儲器擴(kuò)展接口：是只讀存儲器與隨機(jī)存儲器所運(yùn)用的擴(kuò)展卡盒。擴(kuò)展卡盒常用的類型有三種：（1）COMS ROM，COMS可由主板上的鋰電池提供備用電量，該卡盒的優(yōu)點(diǎn)在于停電或斷電故障下確保數(shù)據(jù)及程序不會丟失；（2）可擦除可編程ROM卡盒，該卡盒在寫入時需要運(yùn)用專門的編程器，才能將調(diào)試好的ROM內(nèi)的資料進(jìn)行寫入，在擦寫時，透過紫外線照射可見內(nèi)部芯片，從而擦除其內(nèi)的數(shù)據(jù)，且在寫入時，需具備一定的編程電壓，可以重復(fù)進(jìn)行擦除和編程；（3）EEPROM卡盒，電可擦可編程只讀存儲器，是一種斷電情況下也不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，實(shí)施編程與擦除操作時運(yùn)用專用編程器即可實(shí)現(xiàn)。

1.1.4 輸入/輸出擴(kuò)展接口：CPU與輸入、輸出擴(kuò)展接口之間通過總線連接法進(jìn)行連接，它對所有的擴(kuò)展單元均可連接，從而讓信號點(diǎn)數(shù)規(guī)模具備更強(qiáng)的靈活性。輸入/輸出擴(kuò)展接口也可與模擬量、高速脈沖等其他適配器進(jìn)行連接，從而擴(kuò)展、增強(qiáng)PLC的作用。

1.1.5 編程器及其接口：編程器在PLC中的作用是對數(shù)據(jù)和信息的輸入進(jìn)行調(diào)試、編輯以及檢測輸入數(shù)據(jù)的安全性。正常運(yùn)行狀態(tài)下的PLC不需要編程器進(jìn)行編程數(shù)據(jù)，所以編程器作為PLC部件中獨(dú)立設(shè)計(jì)的存在。PLC上通常設(shè)有一個編程器專用接口，該接口適應(yīng)于連接不同類型的編程器，以便完成對PLC程序的寫入及調(diào)試。

1.2 對可編程控制的研究分析

一個控制系統(tǒng)如要實(shí)現(xiàn)自身的控制功能，必須借助相應(yīng)的控制程序才能得以實(shí)現(xiàn)?？刂瞥绦蚍譃橐韵聝煞N類型：

1.2.1 固定布線程序控制。在舊模式下的繼電器中，如果要對各種程序進(jìn)行控制，繼電器的電路連接需為布線形式，輸入設(shè)備的作用是將控制信號送入控制系統(tǒng)，如按鈕開關(guān)、傳感器等。輸出設(shè)備的作用是將被控制者的動作進(jìn)行控制。該設(shè)備對輸出的控制信號的控制方式是由連線來完成的。接線完成后，控制程序也隨之確定，如需要重新對控制程序改動時，需要將原先控制程序的整個連線重新布線連接，制定新的連接方式。在復(fù)雜的控制系統(tǒng)中，該類型的程序控制難度較大，編程可行性不高。

1.2.2 可編程序控制?？删幊绦蚩刂茖ο到y(tǒng)進(jìn)行控制時，只需運(yùn)用專用編程器，通過相應(yīng)的程序語言實(shí)現(xiàn)編程，將控制程序下裝至存儲器中，最后借助可編程序控制器對編程實(shí)施各項(xiàng)操作。如要改動可編程系統(tǒng)，只需將程序存儲器中的程序語言進(jìn)行相應(yīng)改動，通過編程器即可完成，無需改動電路連接重新布線。通俗地說就是使用特定的軟件程序語言編寫程序代碼實(shí)現(xiàn)被控對象的各種動作控制。

2 PLC工程的工作原理

PLC的核心電子部件是微處理器，也可視為由繼電器、定時器、狀態(tài)器等的綜合組成部件。PLC中，輸入繼電器通過外部開關(guān)進(jìn)行驅(qū)動，輸出繼電器則安裝有許多觸點(diǎn)。PLC開展工作，其實(shí)就是執(zhí)行程序。PLC在工作狀態(tài)下，CPU以分時操作為工作原理，在一個周期內(nèi)執(zhí)行相應(yīng)的操作，即CPU的程序掃描。CPU在對程序進(jìn)行運(yùn)算處理時速度很快，因此從宏觀角度看其數(shù)據(jù)結(jié)果可發(fā)現(xiàn)CPU的程序運(yùn)算似乎是在極短時間內(nèi)完成。PLC對程序的執(zhí)行過程分為以下三個部分：

2.1 輸入處理

PLC在執(zhí)行程序過程中，運(yùn)用重復(fù)掃描來完成。執(zhí)行前，CPU將所有的輸入信號以地址中出現(xiàn)的編碼順序?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)編程至輸入存儲器中，隨后開始開展程序執(zhí)行。在CPU執(zhí)行程序時，即使輸入狀態(tài)發(fā)生了變化，但輸入寄存器中的數(shù)據(jù)內(nèi)容不會隨著輸入狀態(tài)的變化而發(fā)生變化，直至掃描周期結(jié)束CPU才對輸入狀態(tài)進(jìn)行重新讀取。

2.2 程序執(zhí)行

PLC在執(zhí)行程序時，依據(jù)順序?qū)τ脩舫绦蜻M(jìn)行掃描。完成一條程序的執(zhí)行后，所需信息將經(jīng)過寄存器由程序讀出，并參與程序運(yùn)算，接著再將程序執(zhí)行的數(shù)據(jù)結(jié)果編程到相關(guān)的寄存器中。

2.3 輸出處理

當(dāng)PLC將所有指令全部執(zhí)行結(jié)束后，PLC會把所有程序結(jié)果輸入到輸出鎖存寄存器中，最終傳送至程序執(zhí)行終端。

3 PLC的軟件系統(tǒng)組成部分

一個完整的PLC控制系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件組成，兩者結(jié)合構(gòu)成復(fù)雜的控制功能。在PLC軟件系統(tǒng)中，分為系統(tǒng)程序和用戶程序。

系統(tǒng)程序在PLC中的作用是管理、服務(wù)和翻譯用戶程序，可將其視為一個軟件平臺。系統(tǒng)程序的質(zhì)量與PLC的性能具有直接聯(lián)系，系統(tǒng)程序質(zhì)量好，則PLC的性能強(qiáng)，反之性能弱。系統(tǒng)軟件是固定存在于程序中的，無法自行修改或存取。用戶程序即應(yīng)用程序，是用戶根據(jù)控制系統(tǒng)的要求運(yùn)用程序語言進(jìn)行編制的應(yīng)用，其存放于系統(tǒng)程序指定的存儲位置。

4 PLC的編程語言

運(yùn)用面向順序和面向過程對程序進(jìn)行控制的“自然語言”，即為PLC的編程語言，PLC的編程語言有很多，如梯形圖、邏輯方程式、語名表或布爾代數(shù)式等語言種類。下面對常用的PLC編程語言進(jìn)行介紹。

PLC的基本指令（如三菱FX2系列為例）如下所示：

4.1 邏輯聯(lián)取及輸出（LD/LDI/OUT）指令

LD/LDI指令用于取常開觸點(diǎn)/常閉觸點(diǎn)于母線相連。另外，在分支開始處，這些指令與后述的ANB（塊與）指令組合使用；OUT指令用于驅(qū)動輸出繼電器，輔助繼電器、狀態(tài)器、定時器及計(jì)數(shù)器的線圈，但不能用來驅(qū)動輸入繼電器的線圈。對于定時器、計(jì)數(shù)器的線圈，在輸出指令（OUT）后必須設(shè)定適當(dāng)?shù)某?shù)。

4.2 觸點(diǎn)串聯(lián)指令

AND（與），ANI（非）指令，AND為常開觸點(diǎn)串聯(lián)連接，ANI即常閉觸點(diǎn)串聯(lián)連接，AND與ANI均可用于對觸電進(jìn)行串聯(lián)連接，同時運(yùn)算于邏輯。對串聯(lián)觸點(diǎn)并不限制其個數(shù)，是可以重復(fù)使用的程序指令。

4.3 觸點(diǎn)并聯(lián)指令

OR（或），ORI（或非）指令，OR常開觸點(diǎn)并聯(lián)連接，ORI常閉觸點(diǎn)并聯(lián)連接，兩者可對觸點(diǎn)進(jìn)行并聯(lián)連接或使用于邏輯運(yùn)算。對并聯(lián)觸點(diǎn)的設(shè)置并不限制其個數(shù)，是可以重復(fù)使用的程序指令。當(dāng)兩個以上觸點(diǎn)的串聯(lián)電路塊進(jìn)行并聯(lián)連接時，應(yīng)使用后述的ORB（塊或）指令。

4.4 串聯(lián)電路塊的并聯(lián)指令（ORB）塊

串聯(lián)電路塊是指將兩個以上的觸點(diǎn)電路進(jìn)行串聯(lián)連接，一般情況下，一個串聯(lián)電路塊就是一條線路分支。在對串聯(lián)電路塊實(shí)施并聯(lián)連接的形式時，各分支的始端用LD或LDI指令，在分支的終點(diǎn)用ORB指令。在多重并聯(lián)電路中，若每個串聯(lián)電路塊的終點(diǎn)分別使用ORB指令，則并聯(lián)的串聯(lián)電路塊的數(shù)量不受限制。ORB指令與后述的ANB指令一樣都是無操作元件號的獨(dú)立指令。

4.5 并聯(lián)電路塊的串聯(lián)指令

ANB（塊與）并聯(lián)電路塊的串聯(lián)連接兩個以上的觸點(diǎn)并聯(lián)接的電路稱為并聯(lián)電路塊，通常每一個并聯(lián)電路塊稱為一條分支。在進(jìn)行并聯(lián)電路塊的串聯(lián)連接時，各分支的始端用LD或LDI指令，并聯(lián)電路塊結(jié)束后，使用ANB指令，實(shí)現(xiàn)與前面的電路串聯(lián)。

ANB指令與前述的ORB指令一樣，都是無操作元件號的獨(dú)立指令。若多個并聯(lián)電路塊依次與前一電路串聯(lián)，則ANB指令的使用數(shù)量不受限制。

4.6 主控觸點(diǎn)指令

MC（主控），MCR（主控復(fù)位），MC主控電路塊起點(diǎn)，MCR主控電路塊終點(diǎn)。

在編程過程中，經(jīng)常會遇到幾個邏輯行同時受一個觸點(diǎn)或一組觸點(diǎn)的控制，受到一個公共條件的控制，叫做主控，這時就可以使用MC/MCR指令進(jìn)行編輯。當(dāng)主控條件滿足時，執(zhí)行MC和MCR之間的指令。執(zhí)行MC指令后，使母線移至MC主控觸點(diǎn)之后，執(zhí)行MCR指令后，母線又返回到原來的位置上。MC和MCR指令必須配對使用。

4.7 置位和復(fù)位指令

SET（置位），RST（復(fù)位），SET令元件自保持ON，令元件自保持OFF，清除數(shù)據(jù)寄存器。當(dāng)執(zhí)行SET指令時，將對應(yīng)的操作元件（Y，M，S）置位，并具有自保持功能。當(dāng)執(zhí)行RST指令時，將對應(yīng)的操作元件（Y，M，S）置位，并具有自保功能。使用RST指令還可以數(shù)據(jù)寄存器D、變址寄存器V和Z清零。

4.8 END（程序結(jié)束）指令

END輸入輸出處理程序回到第“0”步。

5 結(jié)語

在使用PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，要求輸入點(diǎn)數(shù)很多。尤其對于需要進(jìn)行多個位置、多點(diǎn)控制的熱電廠系統(tǒng)，對輸入點(diǎn)數(shù)要求較為突出。所以，能夠有效地減少系統(tǒng)的輸入點(diǎn)，有效地降低PLC的成本。在進(jìn)行PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時，要求運(yùn)用以下的技巧和要點(diǎn)：（1）在設(shè)計(jì)時，根據(jù)軟件的控制功能不同進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)，如果是梯形圖，則設(shè)計(jì)方式應(yīng)采用模塊化形式；（2）在使用循環(huán)掃描時，應(yīng)保持指令與指令、模塊與模塊之間的時序關(guān)系不變，使程序在設(shè)計(jì)功能基礎(chǔ)上正常運(yùn)行；（3）對于自動關(guān)門、換速、自動切換時間等需要進(jìn)行調(diào)節(jié)的參數(shù)項(xiàng)目，使其與程序分離。因此，在需要進(jìn)行調(diào)整參數(shù)時，無需將程序進(jìn)行改動，方便快捷、便于調(diào)試，同時能夠使軟件的可靠性有效提高；（4）對于串聯(lián)開關(guān)、聯(lián)動開關(guān)，比如層門之間的連鎖開關(guān)、轎頂和轎廂之間，可將其設(shè)置為一個輸入點(diǎn)；（5）對于具備相同作用的開關(guān)信號，如安全觸板的開關(guān)以及大門開關(guān)，可將其采用并聯(lián)的形式輸入PLC內(nèi)；（6）采用組合式按鈕輸入法，應(yīng)用該方法時應(yīng)使用兩個輸入點(diǎn)數(shù)，把按鈕鍵進(jìn)行組合，再由程序自動對組合信號進(jìn)行識別和復(fù)原；（7）進(jìn)行編碼的輸入：運(yùn)用二進(jìn)制編碼，在按鈕開關(guān)中輸入識別信號，再自動轉(zhuǎn)接到PLC程序進(jìn)行復(fù)原、識別，可以非常有效地減少PLC輸入點(diǎn)數(shù)。

參考文獻(xiàn)

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[2] 王兆義.可編成控制器教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

作者簡介：王瓊（1980-），男，浙江嵊州人，上虞杭協(xié)熱電有限公司熱控工程師，研究方向：電廠自動化控制系統(tǒng)管理與維護(hù)、硬件的日常維護(hù)及軟件編程。

（責(zé)任編輯：周 瓊）