可編程控制器基本原理及應用

1. 基本原理
可編程控制器，英文稱ProgrammableLogicController，簡稱PLC。PLC是基于電子計算機，且適用于工業現場工作的電控制器。它源于繼電控制裝置，但它不像繼電裝置那樣，通過電路的物理過程實現控制，而主要靠運行存儲于PLC內存中的程序，進行入出信息變換實現控制。
PLC基于電子計算機，但并不等同于普通計算機。普遍計算機進行入出信息變換，多只考慮信息本身，信息的入出，只要人機界面好就可以了。而PLC則還要考慮信息入出的可靠性、實時性，以及信息的使用等問題。特別要考慮怎么適應于工業環境，如便于安裝，抗干擾等問題。
1.1實現控制要點
輸入輸出信息變換、可靠物理實現，可以說是PLC實現控制的兩個基本要點。
輸入輸出信息變換靠運行存儲于PLC內存中的程序實現。PLC程序既有生產廠家的系統程序(不可更改)，又有用戶自行開發的應用（用戶）程序。系統程序提供運行平臺，同時，還為PLC程序可靠運行及信號與信息轉換進行必要的公共處理。用戶程序由用戶按控制要求設計。什么樣的控制要求，就應有什么樣的用戶程序。
可靠物理實現主要靠輸人（INPUT）及輸出（OUTPUT）電路。PLC的I/O電路，都是專門設計的。輸入電路要對輸入信號進行濾波，以去掉高頻干擾。而且與內部計算機電路在電上是隔離的，靠光耦元件建立聯系。輸出電路內外也是電隔離的，靠光耦元件或輸出繼電器建立聯系。輸出電路還要進行功率放大，以足以帶動一般的工業控制元器件，如電磁閥、接觸器等等。
I/O電路是很多的，每一輸入點或輸出點都要有一個I或O電路。PLC有多I/O用點，一般也就有多少個I/O用電路。但由于它們都是由高度集成化的電路組成的，所以，所占體積并不大。
輸入電路時刻監視著輸入狀況，并將其暫存于輸入暫存器中。每一輸入點都有一個對應的存儲其信息的暫存器。
輸出電路要把輸出鎖存器的信息傳送給輸出點。輸出鎖存器與輸出點也是一一對應的
這里的輸入暫存器及輸出鎖存器實際就是PLC處理器I/O口的寄存器。它們與計算機內存交換信息通過計算機總線，并主要由運行系統程序實現。把輸人暫存器的信息讀到PLC的內存中，稱輸入刷新。PLC內存有專門開辟的存放輸入信息的映射區。這個區的每一對應位（bit）稱之為輸入繼電器，或稱軟接點。這些位置成1，表示接點通，置成0為接點斷。由于它的狀態是由輸入刷新得到的，所以，它反映的就是輸入狀態。
輸出鎖存器與PLC內存中的輸出映射區也是對應的。一個輸出鎖存器也有一個內存位（bit）與其對應，這個位稱為輸出繼電器，或稱輸出線圈。靠運行系統程序，輸出繼電器的狀態映射到輸出鎖存器。這個映射也稱輸出刷新。輸出刷新主要也是靠運行系統程序實現的。這樣，用戶所要編的程序只是，內存中輸入映射區到輸出映射區的變換，特別是怎么按輸入的時序變換成輸出的時序。這是一個數據及邏輯處理問題。由于PLC有強大的指令系統，編寫出滿足這個要求的程序是完全可能的，而且也是較為容易的。
1.2實現控制過程
簡單地說，PLC實現控制的過程一般是：
輸入刷新--再運行用戶程序--再輸出刷新--再輸入刷新--再運行用戶程序--再輸出刷新……永不停止地循環反復地進行著。
圖1.1所示的流程圖反映的就是上述過程。它也反映了信息的時間關系。
有了上述過程，用PLC實現控制顯然是可能的。因為：有了輸入刷新，可把輸入電路監控得到的輸入信息存入PLC的輸入映射區；經運行用戶程序，輸出映射區將得到變換后的信息；再經輸出刷新，輸出鎖存器將反映輸出映射區的狀態，并通過輸出電路產生相應的輸出。又由于這個過程是永不停止地循環反復地進行著，所以，輸出總是反映輸入的變化的。只是響應的時間上，略有滯后。當然，這個滯后不宜太大，否則，所實現的控制不那么及時，也就失去控制的意義。
為此，PLC的工作速度要快。速度快、執行指令時間短，是PLC實現控制的基礎。事實上，它的速度是很快的，執行一條指令，多的幾微秒、幾十微秒，少的才零點幾，或零點零幾微秒。而且這個速度還在不斷提高中。
實際的PLC工作過程還要復雜些。除了I/O刷新及運行用戶程序，還要做些公共處理工作。
公共處理工作有：循環時間監控、外設服務及通訊處理等。
監控循環時間的目的是避免"死循環"，避免程序不能反復不斷地重復執行。辦法是用"看門狗"（Watchingdog）。只要循環超時，它可報警，或作相應處理.
外設服務是讓PLC可接受編程器對它的操作，或通過接口向輸出設備如打印機輸出數據.
通訊處理是實現PLC與PLC，或PLC與計算機，或PLC與其它工業控制裝置或智能部件間信息交換的。這也是增強PLC控制能力的需要。
也就是說，實際的PLC工作過程總是：公共處理--I/O刷新--運行用戶程序--再公共處理--……反復不停地重復著。
1.3可編程控制器實現控制的方式
用這種不斷地重復運行程序實現控制稱掃描方式。是用計算機進行實時控制的一種方式。此外，計算機用于控制還有中斷方式。在中斷方式下，需處理的控制先申請中斷，被響應后正運行的程序停止運行，轉而去處理中斷工作（運行有關中斷服務程序）。待處理完中斷，又返回運行原來程序。哪個控制需要處理，哪個就去申請中斷。哪個不需處理，將不被理睬。顯然，中斷方式與掃描方式是不同的。
在中斷方式下，計算機能得到充分利用，緊急的任務也能得到及時處理。但是，如果同時來了幾個都要處理的任務該怎么辦呢？優先級高的還好辦，低的呢？可能會出現照顧不到之處。所以，中斷方式不大適合于工作現場的日常使用。
但是，PLC在用掃描方式為主的情況下，也不排斥中斷方式。即，大量控制都用掃描方式，個別急需的處理，允許中斷這個掃描運行的程序，轉而去處理它。這樣，可做到所有的控制都能照顧到，個別應急的也能進行處理。
PLC的實際工作過程比這里講的還要復雜一些，分析其基本原理，也還有一些理論問題。有關人員如果能把上面介紹的入出變換、物理實現--信息處理、I/O電路--空間、時間關系--掃描方式并輔以中斷方式，作為一種思路加以研究，弄清了它，也就好理解PLC是怎樣去實現控制的，也就好把握住PLC基本原理的要點了。至于更深入的問題，在進一步學習中，將再作具體介紹。
2. 基本特點
從討論PLC的工作原理知，PLC的輸入與輸出在物理上是彼此隔開的，其間的聯系是靠運行存儲于它的內存中的程序實現。它的入出相關，不是靠物理過程，不是用線路；而是靠信息過程，用軟邏輯聯系。它的工作基礎是用好信息。
信息不同于物質與能量，有自身的規律。信息便于處理，便于傳遞，便于存儲；信息還可重用，等等。正是由于信息的這些特點，決定了PLC的基本特點。
下面介紹PLC的四個特點：
2.1功能豐富
PLC的功能非常豐富。這主要與它具有豐富的處理信息的指令系統及存儲信息的內部器件有關。
它的指令多達幾十條、幾百條，可進行各式各樣的邏輯問題的處理，還可進行各種類型數據的運算。凡普通計算機能做到的，它也都可作到。
它的內部器件，即內存中的數據存儲區，種類繁多，容量宏大。I/O繼電器，可以用以存儲入、出點信息的，少的幾十、幾百，多的可達幾千、幾萬，以至10幾萬。這意味著它可進行這么多I/O點的入出信息變換，進行這么大規模的控制。
它的內部種種繼電器，相當于中間繼電器，數量更多。內存中一個位就可作為一個中間繼電器，怎么不多！
它的計數器、定時器也很多，是繼電電路所望塵莫及的。小小的箱體或模塊，其內部定時器、計數器可達成百、成千。這也是因為只要用內存中的一個字，再加一些標志位，即可成為定時器、計數器，所以才那么多。
而且，這些內部器件還可設置成丟電保持的，或丟電不保持的，即上電后予以清零的。以滿足不同的使用要求。這些也是繼電器件所難以做到的。
它的數據存儲區還可用以存儲大量數據，幾百、幾千、幾萬字的信息都可以存，而且，掉電后還不丟失。
PLC還有豐富的外部設備，可建立友好的人機界面，以進行信息交換。可送入程序，送入數據，可讀出程序，讀出數據。而且讀、寫時可在圖文并茂的畫面上進行。數據讀出后，可轉儲，可打印。數據送入可鍵入，可以讀卡入，等等。
PLC還具有通訊接口，可與計算機鏈接或聯網，與計算機交換信息。自身也可聯網，以形成單機所不能有的更大的、地域更廣的控制系統。
PLC還有強大的自檢功能，可進行自診斷。其結果可自動記錄。這為它的維修增加了透明度，提供了方便。
豐富的功能為PLC的廣泛應用提供了可能；同時，也為工業系統的自動化、遠動化及其控制的智能化創造了條件。
像PLC這樣集豐富功能于一身，是別的電控制器所沒有的；更是傳統的繼電控制電路所無法比擬的。
2.2使用方便
用PLC實現對系統的控制是非常方便的。這是因為：首先PLC控制邏輯的建立是程序,用程序代替硬件接線。編程序比接線，更改程序比更改接線，當然要方便得多！
其次PLC的硬件是高度集成化的，已集成為種種小型化的模塊。而且，這些模塊是配套的，已實現了系列化與規格化。種種控制系統所需的模塊，PLC廠家多有現貨供應，市場上即可購得。所以，硬件系統配置與建造也非常方便。
正因如此，用可編程序控制器才有這個"可"字。對軟件講，它的程序可編，也不難編。對硬件講，它的配置可變，而且也易于變。
具體地講，PLC有五個方面的方便：
（1）配置方便：可接控制系統的需要確定要使用哪家的PLC，那種類型的，用什么模塊，要多少模塊，確定后，到市場上定貨購買即可。
（2）安裝方便：PLC硬件安裝簡單，組裝容易。外部接線有接線器，接線簡單，而且一次接好后，更換模塊時，把接線器安裝到新模塊上即可，都不必再接線。內部什么線都不要接，只要作些必要的DIP開關設定或軟件設定，以及編制好用戶程序就可工作。
（3）編程方便：PLC內部雖然沒有什么實際的繼電器、時間繼電器、計數器，但它通過程序（軟件）與系統內存，這些器件卻實實在在地存在著。其數量之多是繼電