湖北西门子S7-200SMART代理经销商

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PLC执行程序的工作过程

    PLC执行程序的过程分为3个阶段，即输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段，如图2-7所示。

    1．输入采样阶段

    在输入采样阶段，PLC以扫描工作方式按顺序对所有输入端的输入状态进行采样，并存入输入映像寄存器中，此时输入映像寄存器被刷新。接着进入程序处理阶段，在程序执行阶段或其他阶段，即使输入状态发生变化，输入映像寄存器的内容也不会改变，输入状态的变化只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被采样到。

    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执行。若程序用梯形图来表示，则总是按先上后下，先左后右的顺序进行。当遇到程序跳转指令时，则根据跳转条件是否满足来决定程序是否跳转。当指令中涉及到输入、输出状态时，PLC从输入映像寄存器和元件映像寄存器中读出，根据用户程序进行运算，运算的结果再存入元件映像寄存器中。对于元件映像寄存器来说，其内容会随程序执行的过程而变化。

    3．输出刷新阶段

    当所有程序执行完毕后，进入输出处理阶段。在这一阶段里，PLC将输出映像寄存器中与输出有关的状态（输出继电器状态）转存到输出锁存器中，并通过一定方式输出，驱动外部负载。

    因此，PLC在一个扫描周期内，对输入状态的采样只在输入采样阶段进行。当PLC进入程序执行阶段后输入端将被封锁，直到下一个扫描周期的输入采样阶段才对输入状态进行重新采样。这种方式称为集中采样，即在一个扫描周期内，集中一段时间对输入状态进行采样。

    在用户程序中如果对输出结果多次赋值，则后一次有效。在一个扫描周期内，只在输出刷新阶段才将输出状态从输出映像寄存器中输出，对输出接口进行刷新。在其他阶段里输出状态一直保存在输出映像寄存器中。这种方式称为集中输出。

    对于小型PLC，其I/O点数较少，用户程序较短，一般采用集中采样、集中输出的工作方式，虽然在一定程度上降低了系统的响应速度，但使PLC工作时大多数时间与外部输入／输出设备隔离，从根本上提高了系统的抗*力，增强了系统的可靠性。而对于大中型PLC，其I/O点数较多，控制功能强，用户程序较长，为提高系统响应速度，可以采用定期采样、定期输出方式，或中断输入输出方式以及采用智能I/O接口等多种方式。
   从PLC控制系统与继电器一接触器控制系统比较可知，PLC的用户程序（软件）代替了继电器控制电路（硬件）。因此，对于使用者来说，可以将PLC等效成是许许多多各种各样的“软继电器”和“软接线”的集合，而用户程序就是用“软接线”将“软继电器”及其“触点”按一定要求连接起来的“控制电路”。

    为了更好地理解这种等效关系，下面通过一个例子来说明。图2-5所示为三相异步电动机单向起动运行的电气控制系统。其中，由输入设备SB1、SB2、FR的触点构成系统的输入部分，由输出设备KM构成系统的输出部分。

    如果用PLC来控制这台三相异步电动机，组成一个PLC控制系统，根据上述分析可知，系统主电路不变，只要将输入设备SB1、SB2、FR的触点与PLC的输入端连接，输出设备KM线圈与PLC的输出端连接，就构成PLC控制系统的输入、输出硬件电路。而控制部分的功能则由PLC的用户程序来实现，其等效电路如图2-6所示。

    图2-6中，输入设备SB1、SB2、FR与PLC内部的“软继电器”X0、X1、X2的“线圈”对应，由输入设备控制相对应的“软继电器”的状态，即通过这些“软继电器”将外部输入设备状态变成PLC内部的状态，这类“软继电器”称为输入继电器；同理，输出设备KM与PLC内部的“软继电器”Y0对应，由“软继电器”Y0状态控制对应的输出设备KM的状态，即通过这些“软继电器”将PLC内部状态输出，以控制外部输出设备，这类“软继电器”称为输出继电器。

    因此，PLC用户程序要实现的是：如何用输入继电器X0、X1、X2来控制输出继电器Y0。当控制要求复杂时，程序中还要采用PLC内部的其他类型的“软继电器”，如辅助继电器、定时器、计数器等，以达到控制要求。

    要注意的是，PLC等效电路中的继电器并不是实际的物理继电器，它实质上是存储器单元的状态。单元状态为“1”，相当于继电器接通；单元状态为“0”，则相当于继电器断开。因此，我们称这些继电器为“软继电器”。
   当PLC运行时，是通过执行反映控制要求的用户程序来完成控制任务的，需要执行众多的操作，但CPU不可能同时去执行多个操作，它只能按分时操作（串行工作）方式，每一次执行一个操作，按顺序逐个执行。由于CPU的运算处理速度很快，所以从宏观上来看，PLC外部出现的结果似乎是同时（并行）完成的。这种串行工作过程称为PLC的扫描工作方式。

    用扫描工作方式执行用户程序时，扫描是从*条程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储顺序的先后，逐条执行用户程序，直到程序结束。然后再从头开始扫描执行，周而复始重复运行。

    PLC的扫描工作方式与继电器一接触器控制的工作原理明显不同。继电器一接触器控制装置采用硬逻辑的并行工作方式，如果某个继电器的线圈通电或断电，那么该继电器的所有常开和常闭触点不论处在控制电路的哪个位置上，都会立即同时动作；而PLC采用扫描工作方式（串行工作方式），如果某个软继电器的线圈被接通或断开，其所有的触点不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。但由于PLC的扫描速度快，通常PLC与继电器-接触器控制装置在I/O的处理结果上并没有什么差别。PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新3个阶段。
PLC的容量包括I/O点数和用户存储容量两个方面。

    由于PLC的I/O模块价格相对较高，因此应该合理选用PLC的I/O点的数量，在满足控制要求的前提下力争使用的I/O点少，但必须留有一定的裕量。

    PLC的I/O点数的多少，在很大程序上反映了PLC系统的功能要求，通常I/O点数是根据被控对象的输入输出信号的实际需要，再加上10%~ 15%的裕量来确定的。

    用户程序所需的存储容量大小不仅与PLC系统的功能有关，而且还与功能实现的方法、程序编写水平有关。一个有经验的程序员和一个初学者，在完成同一复杂功能编程时，其程序量可能相差25%之多，所以对于初学者应该在存储容量估算时多留裕量。因此，可在I/O点数确定的基础上，按下式估算存储容量后，再加20%~30%的裕量。

    存储容量（字节）=开关量I/O点数×10+模拟量I/O通道数×100

    另外，在存储容量选择的同时，应注意对存储器的类型的选择。

    一般I/O模块的价格占PLC价格的一半以上。PLC的I/O模块有开关量I/O模块、模拟量I/O模块及各种特殊功能模块等。不同的I/O模块，其电路及功能也不同，直接影响PLC的应用范围和价格，应当根据实际需要加以选择。

    PLC在实际应用中常碰到这样两个问题：一是PLC的I/O点数不够，需要扩展，然而增加I/O点数将提高成本；二是已选定的PLC可扩展的I/O点数有限，无法再增加。因此，在满足系统控制要求的前提下，合理使用I/O点数，尽量减少所需的I/O点数是很有意义的。

    虽然各种PLC的CPU的大寻址空间各不相同，但是根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括以下3个区域：系统程序存储区；系统RAM存储区（包括I/O映像区和系统软设备等）；用户程序存储区。

    (1)系统程序存储区  在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序，包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等，由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能直接存取，它和硬件一起决定了该PLC的性能。

    (2)系统RAM存储区  系统RAM存储区包括I/O映像区以及各类软设备，如逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等存储器。

    ①I/O映像区。由于PLC投入运行后只是在输入采样阶段才依次读人各输入状态和数据，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设，因此它需要一定数量的存储单元( RAM)以存放I/O的状态和数据，这些单元称作I/O映像区。一个开关量I/O占用存储单元中的一个位( bit)，一个模拟量I/O占用存储单元中的一个字(16bit)，因此整个I/O映像区可看作由两个部分组成：开关量I/O映像区，模拟量I/O映像区。

    ②系统软设备存储区。除了I/O映像区以外，系统RAM存储区还包括PLC内部各类软设备（逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等）的存储区，该存储区又分为具有失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域，前者在PLC断电时由内部的锂电池供电，数据不会遗失，后者当PLC断电时数据被清零。

    逻辑线圈与开关输出一样，每个逻辑线圈占用系统RAM存储区中的一个位，但不能直接驱动外设，只供用户在编程中使用，其作用类似于电器控制电路中的继电器，另外不同的PLC还提供数量不等的特殊逻辑线圈，具有不同的功能。

    数据寄存器与模拟量I/O一样，每个数据寄存器占用系统RAM存储区中的一个字( 16bit)，另外PLC还提供数量不等的特殊数据寄存器，具有不同的功能。

    (3)用户程序存储区用户程序存储区存放用户编制的用户程序，不同类型的PLC其存储容量各不相同。

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