谈PLC的基本原理与工作方式

摘要：由于PLC是专门为工业控制需要而设计，编程时把PLC内部看成由许多“软继电器”组成，给使用者提供一种按设计继电器控制电路方式的编程方法。

关键词：PLC;基本原理;工作;方式

由于PLC是专门为工业控制需要而设计，因而对于使用者来说，编程时完全可以不考虑微处理器内部的复杂结构，也不必使用各种计算机使用的语言，而是把PLC内部看成由许多“软继电器”组成，给使用者提供一种按设计继电器控制电路方式的编程方法。

1.PLC的基本控制原理

继电器控制系统由三个基本部分构成，即输入部分、逻辑部分和输出部分。其中输入部分是指各类按钮、开关类主令电器等；逻辑部分是由各种继电器及其触头组成的实现一定逻辑功能的控制电路；而输出部分则是包括各种电磁阀、线圈或信号指示灯等执行电器。

早期的PLC设计以取代继电器柜为目标，其基本控制原理和继电器系统类似。PLC也是由输入部分、逻辑部分和输出部分组成。

1.1 输入部分

输入部分收集并保存被控制对象运行的数据状态和控制所需的各种命令信号。

1.2 逻辑部分

逻辑部分根据编制的程序处理输人、输出及内部相关元件组成的逻辑，按操作要求判断哪些结果应作为状态记忆，哪些功能需作输出反应。

1.3 输出部分

输出部分提供正在被控制的许多装置中，哪些设备需要实时操作处理。其中，输入、输出部分基本上仍与继电器控制系统相同。但由于PLC采用了集成电子电路、计算机技术，为了将不同的电压或电流形成的信号源转换成微处理器所能接受的低电平信号，并且为了提高可靠性与抗干扰能力，需加入变换器。同时，程序执行后，要将输出控制的电平信号转换成控制设备所需要的电压或电流信号，输出部分也需加变换器。

2.PLC的工作方式

PLC是一种工业控制的专用计算机。计算机在每一瞬间只能做一件事，CPU是以分时操作方式来处理各项任务的，所以按程序分时扫描工作是其基本特征。PLC内相应各种软器件是按程序号顺序在时间上串行工作的，但由于CPU运算速度极高，各器件动作看起来似乎是同时完成。继电器逻辑系统各电器元件在时间上是并行工作的，因此两者的工作方式、工作特点是不相同的。

另一方面，PLC虽然采用了计算机技术，但由于其工作环境、技术指标、控制要求、应用领域等与微机有很大不同。因此，PLC无论在硬件、软件设计与组成，控制系统的构成、工作方式、工作特点等方面与微机及微机控制系统也是不相同的。在PLC控制中，要查看的已不再是某一个变量条件，而是多个变量条件，等待查询方式已不能满足控制要求，而且一般工业设备对控制系统的运行速度与存储容量要求相对也比较低，因而PLC控制采用与微机控制不同的工作方式。PLC采用周期循环扫描、集中输入与集中输出的工作方式。这种工作方式的显著特点是：可靠性高、抗干扰能力强，但响应滞后、速度慢。也就是说PLC以降低速度求得高可靠性，全面表示了PLC控制系统的工作过程。

2.1输入处理阶段

输入处理称为输入采样。在此阶段，扫描所有输入端子并将输入量(开／关“1／“0”状态)顺序存人输入映像寄存器。此时输入映像寄存器被刷新，此后关闭输入通道，接着转入程序执行阶段。在程序执行和输出处理阶段无论外部输入信号如何变化，输入映像寄存器内容保持不变，直到下一个扫描周期的采样阶段，才重新写入输入端的新内容。输入采样内容是包括对远程I／O特殊功能模块和其他外部设备通信服务所得信息(相应数据寄存器和存储器中)的采集。根据不同控制要求，输入采样有多种方式，上述采样方式运用于小型PLC，其I／O点数较少，用户程序较短。一次集中输入、集中输出方式虽然在一定程度上降低了系统的响应速度，但从根本上提高了系统的抗干扰能力；增强了系统的可靠性。而大中型PLC的I／O点数多，用户程序相应较长，为提高系统响应速度而采用定期输入采样、直接输入采样、中断输入采样及智能化I／O接口模块等多种采样方式，以求提高运行速度。

2.2程序执行阶段

PLC对用户程序(梯形图)按先左后右、从上至下步序，逐句执行程序指令。在程序执行过程中根据程序执行需要，从输入映像寄存器、内部元件寄存器(内部继电器、计时、器、计数器等状态和数据)中，将有关元件的状态、数据读出，按程序要求运行逻辑运算和算术运算并将每步运算结果写入相关元件映像寄存器(有关存储器或数据寄存器)。因此，内部元件寄存器随程序执行在不断刷新。

2.3输出处理阶段

所有程序指令执行完毕，将内部元件寄存器中所有输出继电器状态(构成输出状态表)在输出处理阶段一次转存到输出锁存器中，经隔离、驱动功率放大电路送到输出端子，并通过PLC外部接线驱动实际负载。。

用户程序执行扫描方式既可按上述固定顺序方式，也可以按用户程序指定的可变顺序进行。这不仅因为有的程序不需每扫描一次就执行一次，更主要的是在一个大、中控制系统中需要处理的I／O点数多、程序结构庞大，通过安排不同的组织模块，采用分时、分批扫描执行方式，可缩短循环扫描周期，从而提高控制实时响应速度。

循环扫描的工作方式是PLC的一大特点，针对工业控制采用这种工作方式使PLC具有一些优于其他各种控制器的特点。例如，可靠性、抗干扰能力明显提高；串行工作方式避免触头(逻辑)竞争和时序失配；简化程序设计；通过扫描时间定时监视可诊断CPU内部故障，避免程序异常运行的不良影响等。

循环扫描工作方式的主要缺点是带来控制响应滞后性。一般工业设备对PLC响应滞后是允许的，但对某些需要I／O快速响应的设备则应采取相应措施。尽可能提高响应速度，如硬件设计上采用快速响应模块、高速计数模块等，在软件设计上采用不同中断处理措施、优化设计程序等。影响响应滞后的主要因素有：输入输出电路的响应时间；PLC运算速度；程序设计结构等。

可见程序扫描周期是PLC运行的一个重要参数，小型PLC的扫描周期在十几ms到几十ms。扫描周期丁是自诊断、输入采样、用户程序执行和输出刷新等几部分时间的总和，其中用户程序执行时间是影响丁长短的主要因素，它决定于程序执行速度、程序长短和程序执行情况。必须指出程序执行情况不同，所需时间相差很大，因此要准确计算于是很困难的。■

参考文献

[1]张宇辉.电力系统微型计算机继电保护[M].北京:中国电力出版社,2000

[2]罗毅.电力系统安全监控的理论及方法研究[D].华中科技大学， 2004.