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(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程序的存貯器，用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。

關(guān)鍵詞：PLC；串行通信

1 PLC的基本結(jié)構(gòu)

（1）整體式結(jié)構(gòu)

早期的PLC一般采用整體式結(jié)構(gòu)。采用整體式結(jié)構(gòu)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(nèi)，構(gòu)成一個整體。微型、小型PLC一般采用整體式結(jié)構(gòu)。

（2）模塊式結(jié)構(gòu)

在模塊式PLC結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(tǒng)自動進行尋址連接，插入什么模塊可根據(jù)需要進行配置。大、中型PLC多采用模塊式結(jié)構(gòu)形式。模塊式結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)各種工業(yè)現(xiàn)場的分布式控制。

（3）混合式結(jié)構(gòu)

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(gòu)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(lián)網(wǎng)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(tǒng)一管理?；旌鲜絇LC結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。

混合式PLC集中了整體式和模塊式的優(yōu)點，擴充性能良好，模塊豐富，擴大了PLC的應(yīng)用范圍，改善了控制性能，所以混合式PLC得到了迅猛的發(fā)展。它能夠適用于各種復(fù)雜、惡劣的分布或集中環(huán)境。

2 PLC的工作原理

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

3 PLC控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

使用PLC可以構(gòu)成多種形式的控制系統(tǒng)，下面介紹幾種常用的PLC控制系統(tǒng)。

（1）單機控制系統(tǒng)

單機控制系統(tǒng)是較普通的一種PLC控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)使用一臺PLC控制一個對象，控制系統(tǒng)要求的點數(shù)和存儲器容量比較小，沒有PLC的通信問題，采樣條件和執(zhí)行機構(gòu)比較集中，控制系統(tǒng)的構(gòu)成簡單明了。

（2）集中控制系統(tǒng)

集中控制系統(tǒng)用一臺功能強大的PLC監(jiān)視、控制多個設(shè)備，形成中央集中式的計算機控制系統(tǒng)。其中，各個設(shè)備之間的聯(lián)絡(luò)、連鎖關(guān)系、運行順序等統(tǒng)一由中央PLC來完成。集中控制系統(tǒng)比單機控制系統(tǒng)經(jīng)濟得多，但也有不足。為了適應(yīng)控制系統(tǒng)的改變，采用集中控制系統(tǒng)時，必須注意選擇I/0點數(shù)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(tǒng)

分散控制系統(tǒng)的構(gòu)成如圖3.1所示，每一個控制對象設(shè)置一臺PLC，各臺PLC之間可通過信號傳遞進行內(nèi)部連鎖、響應(yīng)或發(fā)令等，或者由上位機通過數(shù)據(jù)通信總線進行通信。

分散控制系統(tǒng)常用于多臺機械生產(chǎn)線的控制，各生產(chǎn)線之間有數(shù)據(jù)連接。由于各控制對象都由自己的PLC進行控制，當(dāng)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(dān)當(dāng)?shù)讓涌刂迫蝿?wù)，通過網(wǎng)絡(luò)連接，PLC與過程控制相結(jié)合的分散控制系統(tǒng)將是計算機控制的重要發(fā)展方向。與集中控制系統(tǒng)相比，分散控制系統(tǒng)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(shù)字設(shè)備。它們之間交換的信息是由“0”和“1”表示的數(shù)字信號。通常把具有一定編碼、格式和位長的數(shù)字信號稱為數(shù)字信息。數(shù)字通信就是將數(shù)字信息通過適當(dāng)?shù)膫鬏斁€路，從一臺機器傳輸?shù)搅硪慌_機器。這里的機器可以是計算機、PLC或是有數(shù)字通信功能的其他數(shù)字設(shè)備。數(shù)字通信系統(tǒng)的任務(wù)是把地理位置不同的計算機和PLC及其他數(shù)字設(shè)備連接起來，高效率地完成數(shù)據(jù)的傳輸、信息交換和通信處理三項任務(wù)。數(shù)字通信系統(tǒng)一般由傳輸設(shè)備、傳輸控制設(shè)備和傳輸協(xié)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(shè)和計算機間使用一根數(shù)據(jù)信號線，數(shù)據(jù)在一根數(shù)據(jù)信號線上一位一位地進行傳輸，每一位數(shù)據(jù)都占據(jù)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(shè)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(fā)送移位寄存器”（并一串）。典型的串行接口的結(jié)構(gòu)如圖4.1所示。

在數(shù)據(jù)輸入過程中，數(shù)據(jù)1位連1位地從外設(shè)進入接口的“接收移位寄存器”，當(dāng)“接收移位寄存器”中已接收完1個字符的各位后，數(shù)據(jù)就從“接收移位寄存器”進入“數(shù)據(jù)輸入寄存器”。CPU從“數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)輸出過程中，CPU把要輸出的字符（并行地）送入“數(shù)據(jù)輸出寄存器”，“數(shù)據(jù)輸出寄存器”的內(nèi)容傳輸?shù)健鞍l(fā)送移位寄存器”，然后由“發(fā)送移位寄存器”移位，把數(shù)據(jù)1位接1位地送到外設(shè)?！鞍l(fā)送移位寄存器”的移位速度由“發(fā)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(tài)寄存器"的各位稱為“狀態(tài)位”，每一個狀態(tài)位都可以用來指示數(shù)據(jù)傳輸過程中的狀態(tài)或某種錯誤。例如，用狀態(tài)寄存器的D5位為“1”表示“數(shù)據(jù)輸出寄存器”空，用D0位表示“數(shù)據(jù)輸入寄存器滿”，用D2位表示“奇偶檢驗錯”等。

結(jié)論

本文綜述了PLC控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)及PLC網(wǎng)絡(luò)通信基本原理和方法；提出了PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的原則、內(nèi)容和步驟。

參考文獻

[1] 周萬珍，高鴻斌.PLC分析與設(shè)計應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社，2001.1.