PLC在用户程序执行过程中的应用阶段的重要性

一. 扫描技术

PLC投入运行时,其工作过程一般分为三个阶段可编程控制器基本原理,即输入采样、用户程序执行和输出刷新。完成以上三个阶段称为一个扫描周期。在整个运行过程中,PLC的CPU以一定的扫描速度反复执行上述三个阶段。

(一) 输入采样阶段

在输入采样阶段,PLC以扫描方式依次读取所有输入状态和数据,并存储在I/O图像区的相应单元中。输入采样结束后,进入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中,即使输入状态和数据发生变化,I/O图像区域中相应单元的状态和数据也不会发生变化。因此,如果输入是脉冲信号,则脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期,以保证输入在任何情况下都能被读取。

(二) 用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段,PLC总是从上到下依次扫描用户程序(梯形图)。在扫描每个梯形图时可编程控制器基本原理,总是先扫描梯形图左侧的触点组成的控制电路,对触点组成的控制电路按先左后右的顺序进行逻辑运算,先上后下。,然后根据逻辑运算的结果,刷新系统RAM存储区中逻辑线圈对应位的状态;或刷新I/O图像区输出线圈对应位的状态;或者判断是否执行指定的特殊功能指令。

即在用户程序执行过程中,只有I/O映像区的输入点的状态和数据不会改变,而其他的输出点和软设备都在I/O映像区或系统RAM中。储藏区域。状态和数据都可能发生变化,上面列出的梯形图的程序执行结果将作用于使用这些线圈或数据的梯形图。刷新后的逻辑线圈的状态或数据只能对上面排列的程序生效,直到下一个扫描周期。

(三) 输出刷新阶段

当扫描用户程序结束时,PLC 进入输出刷新阶段。在此期间,CPU根据I/O图像区对应的状态和数据刷新所有输出锁存电路,然后通过输出电路驱动相应的外设。此时是PLC的真正输出。

同样的几个梯形图排列顺序不同,执行结果也不同。此外,使用扫描运行用户程序的结果与与继电器控制设备的硬逻辑并行运行的结果之间存在差异。当然,如果整个运行过程中扫描周期所花费的时间可以忽略不计,那么两者之间没有区别。

一般来说,PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等,如下图所示,即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样所有时间的总和,用户程序执行和输出刷新。

可编程控制器,英文叫ProgrammableLogicController,简称PLC。PLC是一种基于电子计算机的电子控制器,适用于工业现场工作。它起源于继电器控制装置,但与继电器装置不同的是,它是通过电路的物理过程来实现控制,但主要是依靠运行存储在PLC内存中的程序来转换输入输出信息来实现控制。

PLC是以电子计算机为基础的,但并不等同于普通计算机。一般来说,计算机在进行信息转换时,只考虑信息本身,只要人机界面好就行。PLC 还必须考虑进出信息的可靠性、实时性以及信息的使用。尤其要考虑如何适应工业环境,比如安装方便、抗干扰等问题。

1.1 实施控制点

输入输出信息转换,可靠的物理实现,可以说是PLC控制的两个基本点。

输入输出信息的转换是通过运行存储在PLC内存中的程序来实现的。PLC程序既包括制造商的系统程序(不能更改),也包括用户开发的应用(用户)程序。系统程序提供了一个运行平台,同时也为PLC程序的可靠运行和信号与信息的转换进行了必要的公共处理。用户程序由用户根据控制要求设计。什么样的控制要求应该有什么样的用户程序。

可靠的物理实现主要依赖于输入(INPUT)和输出(OUTPUT)电路。PLC的I/O电路是专门设计的。输入电路需要对输入信号进行滤波以去除高频干扰。此外,它与内部计算机电路电隔离,并通过光耦元件建立连接。输出电路的内部和外部也是电气隔离的,通过光耦元件或输出继电器建立连接。输出电路还需要进行功率放大,以足以驱动一般工业控制元件,如电磁阀、接触器等。

I/O电路有很多,每个输入点或输出点都必须有一个I或O电路。PLC的I/O点数较多,一般I/O电路也一样多。但是,由于它们都是由高度集成的电路组成,所以它们的体积并不大。

输入电路不断监视输入条件并将其临时存储在输入寄存器中。每个输入点都有一个相应的寄存器来存储其信息。

输出电路将输出锁存器的信息传送到输出点。输出锁存器和输出点之间也存在一一对应的关系。

这里的输入寄存器和输出锁存器其实就是PLC处理器I/O口的寄存器。它们通过计算机总线与计算机内存交换信息,主要通过运行系统程序来实现。将输入临时寄存器的信息读入PLC的内存,称为输入刷新。PLC 内存有一个专门开发的映射区域,用于存储输入信息。这个区域中每个对应的位(bit)称为输入继电器,或软触点。这些位置设置为 1,表示触点打开,设置为 0,表示触点关闭。由于它的状态是由输入刷新的,所以它反映了输入状态。

图片[1]-PLC在用户程序执行过程中的应用阶段的重要性-老王博客

输出锁存器也对应于 PLC 内存中的输出映射区。一个输出锁存器也有一个与之对应的存储位(bit),这个位称为输出继电器,或输出线圈。通过运行系统程序,输出继电器的状态被映射到输出锁存器。这种映射也称为输出刷新。输出刷新主要是通过运行系统程序来实现的。这样,用户需要编译的程序只是内存中输入映射区到输出映射区的变换,尤其是如何将输入时序变换为输出时序。这是一个数据和逻辑处理问题。由于PLC具有强大的命令系统,完全可以编写出满足这一要求的程序,而且相对容易。

1.2 实现控制过程

简单来说,PLC控制的流程一般是:

图1.1 PLC典型启动流程

输入刷新 – 再次运行用户程序 – 输出刷新 – 再次输入刷新 – 再次运行用户程序 – 再次输出刷新……它继续不断地继续。

图1.1 所示的流程图反映了上述过程。它也反映了信息的时间关系。

通过上述过程,显然可以用PLC实现控制。因为:通过输入刷新,可以将输入电路监测到的输入信息存储在PLC的输入映射区;运行用户程序后,输出映射区会得到变换后的信息;输出刷新后,输出锁存器将反映映射区的状态进行输出,通过输出电路产生相应的输出。并且因为这个过程是在一个永不停止的循环中进行的,所以输出总是反映输入的变化。只是响应时间稍有延迟。当然,这个滞后不能太大,否则实现的控制不会那么及时,失去控制的意义。

为此,PLC 工作得更快。速度快、执行时间短是PLC实现控制的基础。事实上,它的速度非常快。执行一条指令需要几微秒或几十微秒,而只需几微秒或十分之一微秒。而且速度还在不断提高。

图1.1所示流程为简化流程,实际PLC工作流程更为复杂。除了 I/O 刷新和运行用户程序之外,还需要一些常见的处理工作。

常见的处理任务包括:周期时间监控、外围服务和通信处理。

监控循环时间的目的是避免程序无法一遍又一遍地重复的“死循环”。解决方法是使用“看门狗”(Watchingdog)。只要循环超时,它就可以报警,或者相应地进行处理。

外围服务是让PLC接受编程器的操作,或者通过接口将数据输出到打印机等输出设备。

通讯处理是实现PLC与PLC,或PLC与计算机,或PLC与其他工业控制设备或智能部件之间的信息交换。这也是增强PLC控制能力的需要。

也就是说,实际的PLC工作过程始终是:普通处理–I/O刷新–运行用户程序–再普通处理–……反复。

1.3可编程控制器实现控制的方式

用这种不断重复的程序来实现称为扫描的控制。它是一种用计算机进行实时控制的方式。此外,计算机用于控制,具有中断方式。在中断模式下,需要处理的控件首先申请中断,得到响应后,正在运行的程序停止运行,转而处理中断工作(运行相关的中断服务程序)。处理完中断后,返回原来的程序。哪个控件需要处理,哪个控件会申请中断。哪一个不需要处理将被忽略。显然,中断模式不同于扫描模式。

在中断模式下,可以充分利用计算机,也可以及时处理紧急任务。但是如果有多个任务需要同时处理呢?高优先级的容易处理,低优先级的呢?可能有一些地方不能照顾。因此,中断法不适合在工作现场的日常使用。

但是,PLC 不排除以扫描方式为主要方式时的中断方式。即大量控件处于扫描模式,个别急需处理让中断扫描操作的程序代之以处理。这样一来,所有的控制都可以兼顾,个别突发事件也可以处理。

PLC的实际工作过程比这里提到的要复杂一些。还有一些理论问题来分析其基本原理。如果相关人员能够将上述的in-out变换、物理实现-信息处理、I/O电路-空间、时间关系-扫描法辅以中断法作为一种思路进行研究,并加以阐明,那就是容易理解PLC是如何实现控制的,容易掌握PLC基本原理的要点。

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