基于PLC的程序掃描順序探究

王治學(xué)

摘要：由于PLC工作原理是集中輸入，集中輸出的，導(dǎo)致同一個程序的不同書寫順序就可能會出現(xiàn)運行結(jié)果的改變，甚至?xí)l(fā)安全問題，這就需要引起程序設(shè)計者的高度重視。以S7-200 PLC的梯形圖為例，用實際工作中的任務(wù)為載體，探索和研究基于PLC的程序掃描順序，把微觀世界的概念轉(zhuǎn)變到宏觀世界中來，提高了從業(yè)者的認識，從而保證工業(yè)控制的正常安全進行。

Abstract： Because the working principle of PLC is centralized input and output， the different writing order of the same program may change the result of operation， and even cause security problems， which requires the attention of programmers. Taking the ladder diagram of S7-200 PLC as an example， this paper explores and studies the sequence of program scanning based on PLC with practical tasks as the carrier， transforms the concept of micro-world into macro-world， improves the awareness of practitioners， and ensures the normal and safe operation of industrial control.

關(guān)鍵詞：掃描順序;PLC;工業(yè)控制

Key words： scanning sequence;PLC;industrial control

中圖分類號：U412.6 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）07-0160-03

0 ?引言

PLC（可編程控制器）是工業(yè)控制設(shè)備中不可或缺的核心，通過執(zhí)行用戶下載的程序起到對硬件設(shè)備的控制作用。PLC在發(fā)出控制信號之前首先對程序進行讀取和計算，它是按照一定的順序來掃描和執(zhí)行用戶程序的，同一個程序的不同書寫順序就可能會導(dǎo)致運行結(jié)果的改變，即使這些程序是并行的。輕者會導(dǎo)致運行不通暢，嚴重的可能會引發(fā)安全問題。由于PLC的計算速度比常人快得多，我們可以認為其對程序的掃描是“微觀”世界的概念，但是作為“宏觀”世界的程序設(shè)計者必須對其詳盡的了解，以防止出現(xiàn)不必要的麻煩。以西門子S7-200 PLC的梯形圖程序為例進行分析與研究。

1 ?PLC程序掃描順序分析

1.1 PLC工作原理分析

PLC對于梯形圖的掃描是一個循環(huán)的過程，不是掃描一遍就停止了。它是按照從上到下，從左到右為序掃描梯形圖的，并且是集中輸入，集中輸出的。它不會掃描完一條網(wǎng)絡(luò)就執(zhí)行這條網(wǎng)絡(luò)的功能，而是把所有的網(wǎng)絡(luò)都掃描讀取完再同時執(zhí)行功能。

我們把PLC從頭到尾掃描一遍程序所用的時長叫做一個掃描周期。每個掃描周期可以分為：輸入采樣階段、用戶程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段。掃描周期開始時PLC首先是輸入采用階段，讀取輸入端子狀態(tài)并存入輸入映像寄存器中。在進入用戶執(zhí)行階段時，即使外部輸入改變，也不會影響到輸入映像寄存器的數(shù)據(jù)，直到下一掃描周期的輸入采樣階段。整個掃描周期程序的執(zhí)行過程如圖1所示。

在用戶程序執(zhí)行階段，所有輸入端子的狀態(tài)存入輸入映像寄存器中，與元件映像寄存器的當前狀態(tài)進行計算，把計算結(jié)果再存入元件映像寄存器覆蓋之前的數(shù)據(jù);在輸出刷新階段，元件映像寄存器中所有輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，當輸出鎖存器輸出時就可以驅(qū)動外部負載了。

輸出映像寄存器即元件映像寄存器中Q寄存器的狀態(tài)，運行結(jié)果寫入元件映像寄存器中，而需要向外輸出的信號則存入輸出映像寄存器。這個結(jié)果在全部程序未執(zhí)行完畢之前不會送到輸出端口上。

1.2 掃描順序影響的分析

舉例說明如圖2所示，從表面上看其功能為：當輸入I0.0觸點閉合時，輸出負載Q0.0和Q0.1會被激勵;當輸入I0.0觸點斷開時，輸出負載Q0.0和Q0.1會恢復(fù)到原來的狀態(tài)。由于程序掃描和執(zhí)行順序的存在，這兩個輸出并不是肉眼看到的同時亮，同時滅的。而是當I0.0閉合時，Q0.0比Q0.1晚點亮一個掃描周期;當I0.0斷開時，Q0.0比Q0.1早滅一個掃描周期。但是，這兩個輸出被激勵的時間是和觸點I0.0閉合的時間一樣長的。

分析原因：當I0.0閉合時，PLC需要從上而下掃描梯形圖，也就是先掃描網(wǎng)絡(luò)1，此時由于PLC沒有得到M0.0線圈得電的消息，所以它會認為網(wǎng)絡(luò)1中M0.0的常開觸點不能閉合，也就會導(dǎo)致線圈Q0.0沒有得電;當進行到網(wǎng)絡(luò)2時發(fā)現(xiàn)I0.0已閉合，能流可以流到M0.0的線圈，因此M0.0線圈得電，M0.0線圈對應(yīng)的觸點就會動作;網(wǎng)絡(luò)3的常開觸點就會閉合，導(dǎo)致能流流過Q0.1線圈，Q0.1得電。此時PLC輸出時只有Q0.1亮，而Q0.0不亮，但是它會在一個掃描周期之后亮起來，因為PLC已經(jīng)知道了線圈M0.0得電的消息。當I0.0觸點恢復(fù)到常開狀態(tài)時，網(wǎng)絡(luò)3中的常開觸點比網(wǎng)絡(luò)1中的先斷開一個掃描周期，導(dǎo)致Q0.1比Q0.0先滅一個掃描周期。因為掃描到網(wǎng)絡(luò)1的觸點時，PLC還不知道I0.0斷開的消息，所以這個周期內(nèi)Q0.0不會滅。經(jīng)過讀取網(wǎng)絡(luò)2中I0.0的狀態(tài)得出M0.0線圈失電，其處于網(wǎng)絡(luò)3的對應(yīng)觸點恢復(fù)原來狀態(tài)，Q0.1因為沒有能流經(jīng)過而滅掉。所以輸出的狀態(tài)是Q0.0亮，而Q0.1滅。特別注意的是：先亮的先滅，后亮的后滅，總體時間是一樣的，不會因為先后的順序而不同。

2 ?掃描順序研究價值分析

掃描順序的存在不但會出現(xiàn)如圖2所示的程序那樣產(chǎn)生先后順序，而且可能會影響輸出負載的正常驅(qū)動，從而影響實際的工作。以PLC控制三相異步電動機的星角降壓啟停控制為例來分析，輸入輸出配置如表1所示。設(shè)計要求為：點動啟動按鈕后，電機接觸器和星形接觸器得電吸合，電動機以星形連接方式運轉(zhuǎn)，3秒后星形接觸器失電斷開，角形接觸器得電吸合，電動機進入角形連接方式運行，整個運行過程帶自鎖保護。點動停止按鈕后電動機停止工作，參考程序如圖3所示。

如果不考慮掃描周期的影響，點動啟動按鈕I0.4，電機接觸器Q0.0和星形接觸器Q0.1得電，同時網(wǎng)絡(luò)3中的定時器開始計時;3秒后網(wǎng)絡(luò)2的T37常閉觸點斷開導(dǎo)致星形接觸器Q0.1失電，同時網(wǎng)絡(luò)4中T37的常開閉合導(dǎo)致角形接觸器Q0.2得電，電動機順利地從星形運轉(zhuǎn)變?yōu)榻切芜\轉(zhuǎn)，完成設(shè)計要求。

但是，正是由于PLC特有的掃描順序，按照這個程序的設(shè)計方法，電動機是不可能完成正常的星角降壓轉(zhuǎn)換的。電動機從靜止狀態(tài)到星形運轉(zhuǎn)狀態(tài)這一步是沒有問題的，問題就出現(xiàn)在定時器計的當前值計到30的那一個掃描周期。當定時器計到時，對應(yīng)的觸點都要動作，PLC先掃描到的是其在網(wǎng)絡(luò)2中的常閉觸點，由于還沒有掃描到T37的指令盒，所以只能認為常閉觸點還不具備斷開條件，即Q0.1依舊是得電狀態(tài)，這就使網(wǎng)絡(luò)4中Q0.1的常閉觸點一直處于打開狀態(tài)，與Q0.2形成互鎖，這個觸點不恢復(fù)狀態(tài)Q0.2是永遠也不能得電的;當PLC掃描到網(wǎng)絡(luò)3中定時器的常閉時，同網(wǎng)絡(luò)2一樣沒有變化，也就不會導(dǎo)致指令盒斷電;一直掃描到最右端發(fā)現(xiàn)定時器的當前值等于設(shè)定值了，其所有對應(yīng)的觸點都要變化;與前兩個網(wǎng)絡(luò)不同的是，網(wǎng)絡(luò)4中的T37常開要閉合，因為Q0.1的觸點處于打開狀態(tài)，能流不可以流到最后的線圈，所以Q0.2的線圈不得電。這個掃描周期輸出的結(jié)果是：Q0.0和Q0.1得電，Q0.2不得電。

當下一個掃描周期到來時，網(wǎng)絡(luò)2中T37常閉斷開，Q0.1失電，其網(wǎng)絡(luò)4中對應(yīng)觸點恢復(fù)閉合狀態(tài);網(wǎng)絡(luò)3中的T37觸點也一樣會斷開，導(dǎo)致能流不能達到T37指令盒的使能端，使能端子斷開失電后會使所有的觸點狀態(tài)復(fù)原。之后的T37觸點都要恢復(fù)到原來的狀態(tài);網(wǎng)絡(luò)4中在上一個掃描周期剛剛閉合的T37觸點又恢復(fù)原來狀態(tài)了，網(wǎng)絡(luò)4沒有能流，Q0.2也就沒有得電。這個掃描周期輸出的結(jié)果是：Q0.0得電，Q0.1和Q0.2不得電。再下一個掃描周期到來時，由于T37的指令盒使能端斷開，所有對應(yīng)觸點恢復(fù)原來狀態(tài)，導(dǎo)致只有Q0.0輸出有電，其余輸出都沒電，此程序不能完成星角降壓的啟動。

究其原因，凡是位置處在指令盒（或線圈）前面的觸點都比其會晚一個掃描周期動作，而處在后面的觸點會在同一周期動作，這就是不能同步的原因。要么都在前面，要么都在后面才能同時動作，避免問題的出現(xiàn)。通過實驗驗證，把網(wǎng)絡(luò)3和網(wǎng)絡(luò)4交換位置之后的程序可以正確實現(xiàn)功能，因為所有的觸點都在定時器指令盒的前面了，Q0.2線圈所在網(wǎng)絡(luò)中的T37觸點閉合和Q0.1觸點回復(fù)原狀是在一個掃描周期中進行的，這就是Q0.2線圈得電的條件。

為了保證運行的安全，星角降壓是必須要互鎖星形和角形兩個接觸器的。編程的初學(xué)者會可能會犯一個錯誤，就是在圖3程序的基礎(chǔ)上去掉Q0.1的常閉觸點。這樣雖可以實現(xiàn)星角的切換，但是會使星角這兩個接觸器同時得電，肉眼不能看到同時得電的現(xiàn)象不代表在微小的時間段內(nèi)不發(fā)生該現(xiàn)象。如圖4所示，可加入新的網(wǎng)絡(luò)進行驗證。把星和角的常開觸點串聯(lián)，后面連接一個輸出Q0.3，并把它置位，運行程序時就會發(fā)現(xiàn)這個輸出亮起來了，證明星角接觸器同時得電了，要避免此類危險事情的發(fā)生。

3 ?結(jié)論

通過對電動機星角降壓啟?？刂七@個實際問題進行程序的編寫與研究，進一步明確了PLC的工作原理和程序的掃描順序。掌握好PLC的程序掃描順序是一個從事工控編程者通往上層境界的必經(jīng)之路，否則會導(dǎo)致程序在運行的過程中出現(xiàn)難以預(yù)料的結(jié)果，甚至出現(xiàn)安全問題。對PLC程序掃描順序的研究具有推廣價值。

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