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PLC基础篇之PLC的诞生及工作原理

今天这篇文章,我们聊点关于PLC的基础性的东西。基础性的东西,其实也是很重要的东西。对于那些刚入门的或者想入门的朋友,这篇文章能让你对PLC有个概括性的了解;对于那些已经入门的朋友,这篇文章能帮你重温PLC的工作原理,结合你已经有的经验,温故知新。

plc_basic_cover.jpg


我们之前的文章经常提到“PLC”这个词,那么“PLC”代表什么意思呢?PLC是英文"Programmable Logic Controller"的缩写,中文名称“ 可编程逻辑控制器”。在PLC还没有问世的年代,工业自动化的控制要使用大量的中间继电器,时间继电器,计数器等元器件。数量庞大元器件的使用导致电控柜很臃肿,接线繁琐、复杂、易出错。

relay.jpg

1968年1月1日,一个叫迪克.莫利的人,在新年的第一天,起草了一个备忘录,导致了后来PLC的发明。这个备忘录是这样写的:“这个东东(当时还没有起名)应有如下特性:没有过程中断;直接映像进入存储器;没有软件处理重复的事务;运行速度慢(莫利随后认识到该特性是一个错误);坚固地设计以便能真正地工作;有自己的编程语言(几个月之后出现了梯形图逻辑)”。

迪克.莫利拿这个备忘录给贝德福德的团队看,包括麦克.格林伯格,乔纳斯.兰道和汤姆. 布瓦塞万。他们一起继续设计这个装置,并给它起了个代号:084。“084”的目标是模块化、坚固可靠、可连续工作的装置。迪克.莫利团队完成了设计并建造了084,它是今天“可编程逻辑控制器”的前身,下图是世界上第一台PLC及它的设计团队的合影:

first_plc.jpg

PLC的问世改变了工业自动化的面貌,它以软件编程的方式代替了继电器控制系统中的大量的元器件,设计人员只需要考虑系统的输入和输出,中间的逻辑运算由软件来实现,这使得控制柜的设计、安装、接线简单了很多,推动了工业自动化的进步。

当今的PLC的功能已经不仅仅限于逻辑运算,还包括模拟量采集、运动控制、通信及自我诊断等功能;PLC具有很高的可靠性,能够在恶劣的现场环境下正常工作,从而减少了停机时间,降低了维修人员的工作量,提高了生产效率;

PLC的种种优点,使其成为现代工业控制不可或缺的角色,世界各国的工业自动化厂商纷纷推出自己的PLC产品,以期能在这个领域占有自己的一席之地。

目前世界上主要的PLC厂商包括:德国的西门子公司(Siemens);美国的罗克韦尔公司(RockWell);法国的施耐德公司(Schneider);日本的三菱公司(Mitsubishi)和欧姆龙公司(Omron)等;我们国家也有生产PLC的厂商,但影响力都不大,诸君多努力吧。

各大公司的PLC在工作原理上 都基本相同的,这里我们以西门子SIMATIC PLC产品的工作原理为例,讲解PLC的工作过程(工作原理):

PLC的CPU内部包括两类程序:操作系统和用户程序。操作系统由PLC厂家编写并固化在CPU芯片的内部,用户不可以修改,但可以通过固件升级的方式进行更新。操作系统管理PLC的存储资源、调用用户程序、刷新输入/输出存储区、检测中断及调用中断处理函数、检测错误及进行处理、对PLC进行热启动等等;用户程序完成项目的实际需求,由编程人员编写并下载到CPU中执行;用户程序的各种功能的实现都需要操作系统的支持。

CPU有两种工作模式:运行(RUN)模式和停止(STOP)模式。

处于停止(STOP)模式的CPU不执行用户程序,不刷新输入/输出过程映像区,但会处理通信请求、执行诊断功能,可以下载程序。基于安全的考虑,对于输出模块的输出值,有两种选择:保持上一次的值(Keep last value)或者使用替代值(Substitute a value),两种方案可以通过硬件组态修改,如下图:

reaction2stop.jpg一般情况下,我们希望CPU停机后,输出模块的值为0。这时,你可以在“CPU停机响应(Reaction to CPU STOP)”中选择“使用替代值(Substitute a value)”,同时不要勾选“使用替代值1(Apply substiute value 1)”;如果你确实需要当CPU停机时,激活某个输出通道,则勾选“使用替代值1(Apply substiute value 1)",如下图:

output.png

处于运行(RUN)模式的CPU以循环扫描的方式进行工作,依次分为如下几个步骤:

1)将输出过程映像区的值写入到外设的物理地址中;

2)将外设的输入值读取到输入过程映像区中;

3)调用主程序组织块(OB1);

4)处理通信请求、进行自我诊断;

5)任何时候如果发生中断事件,则进行中断处理;

PLC每执行一循环扫描所用的时间称为扫描周期,每一个扫描周期内,外设的值(输入/输出)只更新一次,从而保证了PLC在执行程序时,不受外界信号变化的影响。

小结:这篇文章我们介绍了PLC的诞生和PLC的内部程序(操作系统和用户程序),讲解了两种工作模式(运行和停止)以及在这两种模式下PLC是怎样工作的。

关于CPU的扩展阅读可以看看这篇文章S7-1200硬件篇之重新认识CPU


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