德國IFM易福門可編程邏輯控制器輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段

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    德國IFM易福門可編程邏輯控制器輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段

它采用一種可編程的存儲器，在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，通過數(shù)字式或模擬式的輸入輸出來控制各種類型的機械設(shè)備或生產(chǎn)過程。

IFM可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，一種具有微處理器的用于自動化控制的數(shù)字運算控制器，可以將控制指令隨時載入內(nèi)存進行儲存與執(zhí)行?？删幊炭刂破饔蒀PU、指令及數(shù)據(jù)內(nèi)存、輸入/輸出接口、電源、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換等功能單元組成。早期的IFM可編程邏輯控制器只有邏輯控制的功能，所以被命名為IFM可編程邏輯控制器，后來隨著不斷地發(fā)展，這些當(dāng)初功能簡單的計算機模塊已經(jīng)有了包括邏輯控制、時序控制、模擬控制、多機通信等各類功能，名稱也改為可編程控制器(Programmable Controller)，但是由于它的簡寫PC與個人電腦(Personal Computer)的簡寫相沖突，加上習(xí)慣的原因，人們還是經(jīng)常使用IFM可編程邏輯控制器這一稱呼，并仍使用PLC這一縮寫。 [2]

工業(yè)上使用的IFM可編程邏輯控制器已經(jīng)相當(dāng)或接近于一臺緊湊型電腦的主機，其在擴展性和可靠性方面的優(yōu)勢使其被廣泛應(yīng)用于各類工業(yè)控制領(lǐng)域。不管是在計算機直接控制系統(tǒng)還是集中分散式控制系統(tǒng)DCS，或者現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS中，總是有各類PLC控制器的大量使用。PLC的生產(chǎn)廠商很多，如西門子、施耐德、三菱、臺達等，幾乎涉及工業(yè)自動化領(lǐng)域的廠商都會有其PLC產(chǎn)品提供。

IFM可編程邏輯控制器實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相同，基本組成如圖1所示，基本構(gòu)成詳細描述如下

電源

電源用于將交流電轉(zhuǎn)換成PLC內(nèi)部所需的直流電，大部分PLC采用開關(guān)式穩(wěn)壓電源供電。 [6]

中央處理單元

中央處理器(CPU)是PLC的控制中樞，也是PLC的核心部件，其性能決定了PLC的性能。 [6]

中央處理器由控制器、運算器和寄存器組成，這些電路都集中在一塊芯片上，通過地址總線、控制總線與存儲器的輸入/輸出接口電路相連。中央處理器的作用是處理和運行用戶程序，進行邏輯和數(shù)學(xué)運算，控制整個系統(tǒng)使之協(xié)調(diào)。 [6]

存儲器

存儲器是具有記憶功能的半導(dǎo)體電路，它的作用是存放系統(tǒng)程序、用戶程序、邏輯變量和其他一些信息。其中系統(tǒng)程序是控制PLC實現(xiàn)各種功能的程序，由PLC生產(chǎn)廠家編寫，并固化到只讀存儲器(ROM)中，用戶不能訪問。 [6]

輸入單元

輸入單元是PLC與被控設(shè)備相連的輸入接口，是信號進入PLC的橋梁，它的作用是接收主令元件、檢測元件傳來的信號。輸入的類型有直流輸入、交流輸入、交直流輸入。 [6]

輸出單元

輸出單元也是PLC與被控設(shè)備之間的連接部件，它的作用是把PLC的輸出信號傳送給被控設(shè)備，即將中央處理器送出的弱電信號轉(zhuǎn)換成電平信號，驅(qū)動被控設(shè)備的執(zhí)行元件。輸出的類型有繼電器輸出、晶體管輸出、晶閘門輸出。 [6]

PLC除上述幾部分外，根據(jù)機型的不同還有多種外部設(shè)備，其作用是幫助編程、實現(xiàn)監(jiān)控以及網(wǎng)絡(luò)通信。常用的外部設(shè)備有編程器、打印機、盒式磁帶錄音機、計算機等。

當(dāng)IFM可編程邏輯控制器投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，IFM可編程邏輯控制器的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段。 [5]

輸入采樣

在輸入采樣階段，IFM可編程邏輯控制器以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)的單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。

用戶程序執(zhí)行

在用戶程序執(zhí)行階段，IFM可編程邏輯控制器總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點構(gòu)成的控制線路進行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。 [5]

即，在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點在I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其他輸出點和軟設(shè)備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。 [5]

在程序執(zhí)行的過程中如果使用立即I/O指令則可以直接存取I/O點。即使用I/O指令的話，輸入過程映像寄存器的值不會被更新，程序直接從I/O模塊取值，輸出過程映像寄存器會被立即更新，這跟立即輸入有些區(qū)別。 [5]

輸出刷新

當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，IFM可編程邏輯控制器就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應(yīng)的外設(shè)。這時，才是IFM可編程邏輯控制器的真正輸出。 [5]

小結(jié)

根據(jù)上述過程的描述，可以對PLC工作過程的特點小結(jié)如下： [7]

①PLC采用集中采樣、集中輸出的工作方式，這種方式減少了外界干擾的影響。 [5]

②PLC的工作過程是循環(huán)掃描的過程，循環(huán)掃描時間的長短取決于指令執(zhí)行速度、用戶程序的長度等因素。 [5]

③輸出對輸入的影響有滯后現(xiàn)象。PLC采用集中采樣、集中輸出的工作方式，當(dāng)采樣階段結(jié)束后，輸入狀態(tài)的變化將要等到下一個采樣周期才能被接收，因此這個滯后時間的長短又主要取決于循環(huán)周期的長短。此外，影響滯后時間的因素還有輸入濾波時間、輸出電路的滯后時間等。 [5]

④輸出映像寄存器的內(nèi)容取決于用戶程序掃描執(zhí)行的結(jié)果。 [5]

⑤輸出鎖存器的內(nèi)容由上一次輸出刷新期間輸出映像寄存器中的數(shù)據(jù)決定。 [5]

⑥PLC當(dāng)前實際的輸出狀態(tài)由輸出鎖存器的內(nèi)容決定。