接点状态采集器原理(PLC的工作原理)

PLC的工作原理

一、PLC控制系统的等效工作电路

PLC控制系统的等效工作电路可分为三部分，即输入部分、内部控制电路和输出部分。输入部分采集输入信号，输出部分就是系统的执行部件。这两部分与继电器控制电路相同。内部控制电路通过编程方法实现控制逻辑，用软件编程代替继电器电路的功能。其等效工作电路如图5-4所示。

图5-4　PLC控制系统的等效工作电路

1、输入部分

输入部分由外部输入电路、PLC输入接线端子和输入继电器组成。外部输入信号经PLC输入接线端子去驱动输入继电器的线圈。每个输入端子与相同编号的输入继电器有着惟一确定的对应关系。当外部的输入元件处于接通状态时，对应的输入继电器线圈“得电”（注意：这个输入继电器是PLC内部的“软继电器”，就是我们在前面介绍过的存储器基本单元中的某一位，它可以提供任意多个动合触点或动断触点供PLC内部控制电路编程使用）。

为使输入继电器的线圈“得电”，即让外部输入元件的接通状态写入与其对应的基本单元中去，输入回路要有电源。输入回路所使用的电源，可以用PLC内部提供的24　V　直流电源（其带载能力有限），也可由PLC外部独立的交流或直流电源供电。

需要强调的是，输入继电器的线圈只能是由来自现场的输入元件（如控制按钮、行程开关的触点、晶体管的基极-发射极电压、各种检测及保护器件的触点或动作信号等）驱动，而不能用编程的方式去控制。因此，在梯形图程序中只能使用输入继电器的触点，不能使用输入继电器的线圈。

2、内部控制电路

所谓内部控制电路，是指由用户程序（一般用梯形图语言或指令语句表编制的）形成的用“软继电器”来代替硬继电器的控制逻辑。其作用是按照用户程序规定的逻辑关系，对输入信号和输出信号的状态进行检测、判断、运算和处理，然后得到相应的输出。

3、输出部分

输出部分是由在PLC内部且与内部控制电路隔离的输出继电器的外部动合触点、输出接线端子和外部驱动电路组成，用来驱动外部负载。

PLC的内部控制电路中有许多输出继电器，每个输出继电器除了有为内部控制电路提供编程用的任意多个动合、动断触点外，还为外部输出电路提供了一个实际的动合触点与输出接线端子相连。

驱动外部负载电路的电源必须由外部电源提供，电源种类及规格可根据负载要求去配备，只要在PLC允许的电压范围内工作即可。

二、扫描工作方式

可编程控制器是一种工业控制计算机，故它的工作原理是建立在计算机工作原理基础上的，是通过执行反映控制要求的用户程序来实现的。当PLC运行时，用户程序中有众多的操作需要去执行，但CPU是不能同时去执行多个操作的，它只能按分时操作原理每一时刻执行一个操作。由于CPU的运算处理速度很高，使得外部出现的结果从宏观上看似乎是同时完成的。这种分时操作的过程称为CPU对程序的扫描。扫描是一种形象化的术语，用作描述CPU是如何完成分配给它的各种任务的方式。

扫描从0000号存储地址所存放的第一条用户程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，存储地址号递增的方向顺序逐条扫描用户程序，就是顺序逐条执行用户程序，直到程序结束。每扫描完一次程序就构成一个扫描周期，然后再从头开始扫描，并周而复始地重复。

顺序扫描的工作方式简单直观，它简化了程序的设计，并为PLC的可靠运行提供了非常有用的保证。一方面，所扫描到的指令被执行后，其结果马上就可以被将要扫描到的指令所利用；另一方面，还可以通过CPU设置的定时器来监视每次扫描是否超过规定的时间，从而避免了由于CPU内部故障使程序进入死循环而造成故障的影响。

三、PLC的工作过程

PLC的工作过程就是程序执行过程。PLC投入运行后，便进入程序执行过程。它分为三个阶段进行，即输入采样（或输入处理）阶段、程序执行（或程序处理）阶段和输出刷新（或输出处理）阶段，如图5-5所示。

图5-5　PLC程序执行的过程

1、输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式按顺序将所有输入端的输入信号状态（开或关，即ON或OFF、“1”或“0”）读入到输入映像寄存器中寄存起来，称为对输入信号的采样，或称输入处理。接着转入程序执行阶段，在程序执行期间，即使输入状态变化，输入映像寄存器的内容也不会改变。输入状态的变化只能在下一个工作周期的输入采样阶段才被重新读入。

2、程序执行阶段

在程序执行阶段，PLC对程序按顺序进行扫描。如果程序用梯形图表示，则总是按先上后下、先左后右的顺序进行扫描。每扫描到一条指令时，，需要的输入状态或其它元素的状态分别由输入映像寄存器和元素映像寄存器中读出，而将执行结果写入元素映像寄存器中。也就是说，，于每个元素来说，元素映像寄存器中寄存的内容，，随程序执行的进程而变化。

3、输出刷新阶段

当程序执行完后，进入输出刷新阶段。此时，元素映像寄存器中所有输出继电器的状态转存到输出锁存电路，再驱动用户输出设备（负载），这就是PLC的实际输出。

PLC重复地执行上述三个阶段，每重复一次的时间就是一个工作周期（或扫描周期）。工作周期的长短与程序的长短（即组成程序的语句多少）有关，通常为几十毫秒。

PLC在每次扫描中，对输入信号采样一样，对输出刷新一次。这就保证了PLC在执行程序阶段，输入映像寄存器和输出锁存电路的内容或数据保持不变。

四、PLC对输入/输出的处理规则

总结上面分析的程序执行过程，可以得出PLC对输入／输出的处理规则，如图5-6所示。对应于图中的数字标号说明如下：

图5-6　PLC对输入/输出的处理规则

①输入映像寄存器的数据，取决于输入端子在上一个工作周期的输入采样阶段所刷新的状态。

②输出映像寄存器（包含在元素映像寄存器中）的状态，由程序中输出指令的执行结果确定。

③输出锁存电路中的数据，由上一个工作周期的输出刷新阶段存入到输出锁存电路中的数据来确定。

④输出端子上的输出状态，由输出锁存电路中的数据来确定。

⑤程序执行中所需的输入、输出状态（数据），由输入映像寄存器和输出映像寄存器读出。

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