程序如何执行取决于用户所编程序

现代工业控制应用较为普遍的可编程控制器 （Programmable Logic Controller，PLC），其核心也是由一个单片微机构成。自1969年第一台可编程控制器面世以来，经过几十年的发展，可编程控制器已经成为—种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制计算机。可编程控制器已进入过程控制、位置控制等场合的所有控制领域。在这些场合只需可编程控制器即可构成包括逻辑控制、过程控制、数据采集及控制和图形工作站等经济合算、体积小巧、设计调试方便的综合控制系统。

1.PLC的硬件组成

PLC的基本组成包括中央处理器（CPU）、存储器、输入／输出接口 （缩写为I／O，包括输入接口、输出接口、外部设备接口、扩展接口等）、外部设备编程器及电源模块。PLC内部各组成单元之间通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接，外部则根据实际控制对象配置相应设备与控制装置构成PLC控制系统。PLC的硬件系统简化框图如图2－11所示。

图2－11 PLC硬件系统简化框图

2.PLC的工作原理

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为3个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新。完成上述3个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述3个阶段，如图2－12所示。

图2－12 PLC的扫描工作过程

1）输入采样阶段

在输入采样阶段，可编程控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I／O映象区中相应的单元内。输入采样结束后，转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映象区中相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

2）用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，可编程控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序 （梯形图）。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态，或者刷新该输出线圈在I／O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即：在用户程序执行过程中，只有输入点在I／O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I／O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用。相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

在程序执行的过程中，如果使用立即I／O指令则可以直接存取I／O点。即使用I／O指令，输入过程中映象寄存器的值不会被更新，程序直接从I／O模块取值，输出过程中映象寄存器会被立即更新，这和立即输入有些区别。

3）输出刷新阶段

当扫描用户程序结束后，可编程控制器就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I／O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是可编程控制器的真正输出。

3.PLC的功能特点

可编程控制器具有以下鲜明的特点。

1）使用方便，编程简单

采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无须计算机知识。因此，系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不需拆动硬件。

2）功能强，性能价格比高

一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，可以实现非常复杂的控制功能。它与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。

3）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强

PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和小型交流接触器。

硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。

4）可靠性高，抗干扰能力强

传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器、时间继电器，由于触点接触不良，容易出现故障。PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件元件，接线可减少到继电器控制系统的1／10～1／100，因触点接触不良造成的故障大为减少。

PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场。PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。

5）系统的设计、安装、调试工作量少

PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。

PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计方法来设计。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，设计梯形图的时间比设计相同功能的继电器系统电路图的时间要少得多。

PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。

6）维修方便，工作量小

PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明故障原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。