圖4-3

電動(dòng)機(jī)全壓起動(dòng)電氣控制線路

a)主電路

b)控制線路

2）建立內(nèi)部I/O映像區(qū)

在PLC存儲器內(nèi)開辟了I/O映像存儲區(qū)，用于存放I/O信號的狀態(tài)，分別稱為輸入映像寄存器和輸出映像寄存器，此外PLC其它編程元件也有相對應(yīng)的映像存儲器，稱為元件映像寄存器。

I/O映像區(qū)的大小由PLC的系統(tǒng)程序確定，對于系統(tǒng)的每一個(gè)輸入點(diǎn)總有一個(gè)輸入映像區(qū)的某一位與之相對應(yīng)，對于系統(tǒng)的每一個(gè)輸出點(diǎn)也都有輸出映像區(qū)的某一位與之相對應(yīng)，且系統(tǒng)的輸入輸出點(diǎn)的編址號與I/O映像區(qū)的映像寄存器地址號也對應(yīng)。

PLC工作時(shí)，將采集到的輸入信號狀態(tài)存放在輸入映像區(qū)對應(yīng)的位上，運(yùn)算結(jié)果存放到輸出映像區(qū)對應(yīng)的位上，PLC在執(zhí)行用戶程序時(shí)所需描述輸入繼電器的等效觸頭或輸出繼電器的等效觸頭、等效線圈狀態(tài)的數(shù)據(jù)取用于I/O映像區(qū)，而不直接與外部設(shè)備發(fā)生關(guān)系。

I/O映像區(qū)的建立使PLC工作時(shí)只和內(nèi)存有關(guān)地址單元內(nèi)所存的狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)生關(guān)系，而系統(tǒng)輸出也只是給內(nèi)存某一地址單元設(shè)定一個(gè)狀態(tài)數(shù)據(jù)。這樣不僅加快了程序執(zhí)行速度，而且使控制系統(tǒng)與外界隔開，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

3）內(nèi)部等效電路

圖4-5是PLC的內(nèi)部等效電路，以其中的起動(dòng)按鈕SB1為例，其接入接口I0.0與輸入映像區(qū)的一個(gè)觸發(fā)器I0.0相連接，當(dāng)SB1接通時(shí)，觸發(fā)器I0.0就被觸發(fā)為“1”狀態(tài)，而這個(gè)“1”狀態(tài)可被用戶程序直接引用為I0.0觸頭的狀態(tài)，此時(shí)I0.0觸頭與SB1的通斷狀態(tài)相同，則SB1接通，I0.0觸頭狀態(tài)為“1”，反之SB1斷開，I0.0觸頭狀態(tài)為“0”，由于I0.0觸發(fā)器功能與繼電器線圈相同且不用硬連接線，所以I0.0觸發(fā)器等效為PLC內(nèi)部的一個(gè)I0.0軟繼電器線圈，直接引用I0.0線圈狀態(tài)的I0.0觸頭就等效為一個(gè)受I0.0線圈控制的常開觸頭（或稱為動(dòng)合觸頭）。同理，停止按鈕SB2與PLC內(nèi)部的一個(gè)軟繼電器線圈I0.1相連接，SB2閉合，I0.1線圈的狀態(tài)為“1”，反之為“0”，而繼電器線圈I0.1的狀態(tài)被用戶程序取反后引用為I0.1觸頭的狀態(tài)，所以I0.1等效為一個(gè)受I0.1線圈控制的常閉觸頭（或稱動(dòng)斷觸頭）。而輸出觸頭Q0.0、Q0.1則是PLC內(nèi)部繼電器的物理常開觸頭，一旦閉合，外部相應(yīng)的KM線圈、指示燈HL1就會接通。PLC輸出端有輸出電源用的公共接口COM.圖4-5

PLC內(nèi)部等效電路2.

PLC控制系統(tǒng)用PLC實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)全壓起動(dòng)電氣控制系統(tǒng)，其主電路基本保持不變，而用PLC替代電氣控制線路。

1）PLC控制系統(tǒng)構(gòu)成

圖4-6是電動(dòng)機(jī)全壓起動(dòng)的PLC控制系統(tǒng)基本構(gòu)成圖，可將之分成輸入電路、內(nèi)部控制電路和輸出電路三個(gè)部分。

輸入電路圖4-6

PLC控制系統(tǒng)基本構(gòu)成框圖輸入電路的作用是將輸入控制信號送入PLC，輸入設(shè)備為按鈕SB1、SB2及FR常閉觸頭。外部輸入的控制信號經(jīng)PLC輸入到對應(yīng)的一個(gè)輸入繼電器，輸入繼電器可提供任意多個(gè)常開觸頭和常閉觸頭，供PLC內(nèi)容控制電路編程使用。4-6輸出電路

輸出電路的作用是將PLC的輸出控制信號轉(zhuǎn)換為能夠驅(qū)動(dòng)KM線圈和HL1指示燈的信號。PLC內(nèi)部控制電路中有許多輸出繼電器，每個(gè)輸出繼電器除了PLC內(nèi)部控制電路提供編程用的常開觸頭和常閉觸頭外，還為輸出電路提供一個(gè)常開觸頭與輸出端口相連，該觸頭稱為內(nèi)部硬觸頭，是一個(gè)內(nèi)部物理常開觸頭。通過該觸頭驅(qū)動(dòng)外部的KM線圈和HL1指示燈等負(fù)載，而KM線圈再通過主電路中KM主觸頭去控制電動(dòng)機(jī)M的起動(dòng)與停止。驅(qū)動(dòng)負(fù)載的電源由外電部電源提供，PLC的輸出端口中還有輸出電源用的COM公共端。

內(nèi)部控制電路

內(nèi)部控制電路由按照被控電動(dòng)機(jī)實(shí)際控制要求編寫的用戶程序形成，其作用是按照用戶程序規(guī)定的邏輯關(guān)系，對輸入、輸出信號的狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算、處理和判斷，然后得到相應(yīng)的輸出控制信號，通過控制信號驅(qū)動(dòng)輸出設(shè)備：電動(dòng)機(jī)M、指示燈HL1等。

用戶程序通過個(gè)人計(jì)算機(jī)通信或編程器輸入等方式，把程序語句全部寫到PLC的用戶程序存儲器中。用戶程序的修改只需通過編程器等設(shè)備改變存儲器中的某些語句，不會改變控制器內(nèi)部接線，實(shí)現(xiàn)了控制的靈活性。

2）PLC控制梯形圖

梯形圖是一種將PLC內(nèi)部等效成由許多內(nèi)部繼電器的線圈、常開觸頭、常閉觸頭或功能程序塊等組成的等效控制線路。圖4-7是PLC梯形圖常用的等效控制元件符號。

圖4-7

梯形圖常用等效控制元件符號

a)線圈

b)常開觸頭c)常閉觸頭圖4-8是電動(dòng)機(jī)全壓起動(dòng)的PLC控制梯形圖，由FR常閉觸頭、SB2常閉按鈕、KM常開輔助觸頭與SB1常開按鈕的并聯(lián)單元、KM線圈等零件對應(yīng)的等效控制元件符號串聯(lián)而成。電動(dòng)機(jī)全壓起動(dòng)控制梯形在形式上類似于接觸器電氣控制線路圖，但也與電氣控制線路圖存在許多差異。

圖4-8

電動(dòng)機(jī)全壓起動(dòng)控制梯形圖

梯形圖中繼電器元件物理結(jié)構(gòu)不同于電氣元件

PLC梯形圖中的線圈、觸頭只是功能上與電氣元件的線圈、觸頭等效。梯形圖中的線圈、觸頭在物理意義上只是輸入、輸出存儲器中的一個(gè)存儲位，與電氣元件的物理結(jié)構(gòu)不同。

梯形圖中繼電器元件的通斷狀態(tài)不同于電氣元件

梯形圖中繼電器元件的通斷狀態(tài)與相應(yīng)存儲位上的保存的數(shù)據(jù)相關(guān)，如果該存儲位的數(shù)據(jù)為“1”，則該元件處于“通”狀態(tài)，如果該位數(shù)據(jù)為“0”，則表示處于“斷”狀態(tài)。與電氣元件實(shí)際的通斷狀態(tài)不同。

梯形圖中繼電器元件狀態(tài)切換過程不同于電氣元件

梯形圖中繼電器元件的狀態(tài)切換只是PLC對存儲位的狀態(tài)數(shù)據(jù)的操作，如果PLC對常開觸頭等效的存儲位數(shù)據(jù)賦值為“1”，就完成動(dòng)合操作過程，同樣如對常閉觸頭等效的存儲位數(shù)據(jù)賦值為“0”，就可完成動(dòng)斷操作過程，切換操作過程沒有時(shí)間延時(shí)。而電氣元件線圈、觸頭進(jìn)行動(dòng)合或動(dòng)斷切換時(shí)，必定有時(shí)間延時(shí)，且一般要經(jīng)過先斷開后閉合的操作過程。

梯形圖中繼電器所屬觸頭數(shù)量與電氣元件不同

如果PLC從輸入繼電器I0.0相應(yīng)的存儲位中取出了位數(shù)據(jù)“0”，將之存入另一個(gè)存儲器中的一個(gè)存儲位，被存入的存儲位就成了受I0.0繼電器控制的一個(gè)常開觸頭，被存入的數(shù)據(jù)為“0”；如在取出位數(shù)據(jù)“0”之后先進(jìn)行取反操作，再存入一個(gè)存儲器的一個(gè)存儲位，則該位存入的數(shù)據(jù)為“1”，該存儲位就成了受繼電器I0.0控制的一個(gè)常閉觸頭。

只要PLC內(nèi)部存儲器足夠多，這種位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移操作就可無限次進(jìn)行，而每進(jìn)行一次操作，就可產(chǎn)生一個(gè)梯形圖中的繼電器觸頭，由此可見，梯形圖中繼電器觸頭原則上可以無限次反復(fù)使用。

但是PLC內(nèi)部的線圈通常只能引用一次，如需重復(fù)使用同一地址編號的線圈應(yīng)慎之又慎。與PLC不同的是電氣元件中觸頭數(shù)量是有限的。

梯形圖每一行畫法規(guī)則為從左母線開始，經(jīng)過觸頭和線圈（或功能方框），終止于右母線。一般并聯(lián)單元畫在每行的左側(cè)、輸出線圈則畫在右側(cè)，其余串聯(lián)元件畫在中間。3.

PLC工作過程

PLC上電后，在系統(tǒng)程序的監(jiān)控下周而復(fù)始地按一定的順序?qū)ο到y(tǒng)內(nèi)部的各種任務(wù)進(jìn)行查詢、判斷和執(zhí)行等，見圖4-9所示。

1)上電初始化2)CPU自診斷3)與外部設(shè)備通信4)掃描過程1）上電初始化

PLC上電后，首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括硬件初始化，I/O模塊配置檢查、停電保持范圍設(shè)定及清除內(nèi)部繼電器、復(fù)位定時(shí)器等。

2）CPU自診斷

在每個(gè)掃描周期須進(jìn)行自診斷，通過自診斷對電源、PLC內(nèi)部電路、用戶程序的語法等進(jìn)行檢查，一旦發(fā)現(xiàn)異常，CPU使異常繼電器接通，PLC面板上的異常指示燈LED亮，內(nèi)部特殊寄存器中存入出錯(cuò)代碼并給出故障顯示標(biāo)志。如果不是致命錯(cuò)誤則進(jìn)入PLC的停止（STOP）狀態(tài)；如果是現(xiàn)致命錯(cuò)誤時(shí)，則CPU被強(qiáng)制停止，等待錯(cuò)誤排除后才轉(zhuǎn)入STOP狀態(tài)。

3）與外部設(shè)備通信

與外部設(shè)備通信階段，PLC與其他智能裝置、編程器、終端設(shè)備、彩色圖形顯示器、其他PLC等進(jìn)行信息交換，然后進(jìn)行PLC工作狀態(tài)的判斷。

PLC有STOP和RUN兩種工作狀態(tài)，如果PLC處于STOP狀態(tài)，則不執(zhí)行用戶程序，將通過與編程器等設(shè)備交換信息，完成用戶程序的編輯、修改及調(diào)試任務(wù)；如果PLC處于RUN狀態(tài)，則將進(jìn)入掃描過程，執(zhí)行用戶程序。

4）掃描過程

以掃描方式把外部輸入信號的狀態(tài)存入輸入映像區(qū)，再執(zhí)行用戶程序，并將執(zhí)行結(jié)果輸出存入輸出映像區(qū)，直到傳送到外部設(shè)備。

PLC上電后周而復(fù)始地執(zhí)行上述工作過程，直至斷電停機(jī)。1）輸入采樣階段2）程序執(zhí)行階段3）輸出處理階段4.用戶程序循環(huán)掃描

1）輸入采樣階段

CPU將全部現(xiàn)場輸入信號，如按鈕、限位開關(guān)、速度繼電器的通斷狀態(tài)經(jīng)PLC的輸入接口讀入映像寄存器，這一過程稱為輸入采樣。輸入采樣結(jié)束后進(jìn)入程序執(zhí)行階段后，期間即使輸入信號發(fā)生變化，輸入映像寄存器內(nèi)數(shù)據(jù)不再隨之變化，直至一個(gè)掃描循環(huán)結(jié)束，下一次輸入采樣時(shí)才會更新。這種輸入工作方式稱為集中輸入方式。

2）程序執(zhí)行階段

PLC在程序執(zhí)行階段，若不出現(xiàn)中斷或跳轉(zhuǎn)指令，就根據(jù)梯形圖程序從首地址開始按自上而下、從左往右的順序進(jìn)行逐條掃描執(zhí)行，掃描過程中分別從輸入映像寄存器、輸出映像寄存器以及輔助繼電器中將有關(guān)編程元件的狀態(tài)數(shù)據(jù)“0”或“1”讀出，并根據(jù)梯形圖規(guī)定的邏輯關(guān)系執(zhí)行相應(yīng)的運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果寫入對應(yīng)的元件映像寄存器中保存。而需向外輸出的信號則存入輸出映像寄存器，并由輸出鎖存器保存。

3）輸出處理階段

CPU將輸出映像寄存器的狀態(tài)經(jīng)輸出鎖存器和PLC的輸出接口傳送到外部去驅(qū)動(dòng)接觸器和指示燈等負(fù)載。這時(shí)輸出鎖存器保存的內(nèi)容要等到下一個(gè)掃描周期的輸出階段才會被再次刷新。這種輸出工作方式稱為集中輸出方式。

4）PLC掃描過程示例

梯形圖將以指令語句表的形式存儲在PLC的用戶程序存儲器中。指令語句表是PLC的另一種編程語言，由一系列操作指令組成的表描述PLC的控制流程，不同的PLC指令語句表使用的助記符并不相同。采用SIEMENS

S7-300系列PLC指令語句表編寫的電動(dòng)機(jī)全壓起動(dòng)梯形圖的功能程序如下：

A（

O

I0.0

//取I0.0，存入運(yùn)算堆棧；

O

Q0.0

//Q0.0和堆棧內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行或運(yùn)算，結(jié)果存入堆棧；

）

AN

I0.1

//I0.1取非后和堆棧內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行與運(yùn)算，結(jié)果存入堆棧；

AN

I0.2

//I0.2取非后和堆棧內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行與運(yùn)算，結(jié)果存入堆棧；

=

Q0.0

//將堆棧內(nèi)數(shù)據(jù)送到輸出映像寄存器Q0.0；

A

Q0.0

//取出Q0.0數(shù)據(jù)存入堆棧；

=

Q0.1

//將堆棧內(nèi)數(shù)據(jù)送到輸出映像寄存器Q0.1；

MEND

//主程序結(jié)束。指令語句表是由若干條語句組成的程序，語句是程序的最小獨(dú)立單元。每個(gè)操作功能由一條或幾條語句執(zhí)行。PLC語句由操作碼和操作數(shù)兩部分組成。操作碼用助記符表示（如A表示“取”、O表示“或”等），用于說明要執(zhí)行的功能，即告之CPU應(yīng)執(zhí)行何種操作。操作碼主要的功能有邏輯運(yùn)算中的與、或、非，算術(shù)運(yùn)算中的加、減、乘、除，時(shí)間或條件控制中的計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、移位等功能。

操作數(shù)一般由標(biāo)識符和參數(shù)組成。標(biāo)識符表示操作數(shù)的類別，例如輸入繼電器、輸出繼電器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)寄存器等；而參數(shù)表示操作數(shù)的地址或一個(gè)預(yù)先設(shè)定值。

以電動(dòng)機(jī)全壓起動(dòng)PLC控制系統(tǒng)為例，在輸入采樣階段，CPU將SB1、SB2和FR的觸頭狀態(tài)讀入相應(yīng)的輸入映像寄存器，外部觸頭閉合時(shí)存入寄存器的是二進(jìn)制數(shù)“1”，反之存入“0”。輸入采樣結(jié)束進(jìn)入程序執(zhí)行階段，見圖4-11。

執(zhí)行第1、2條指令時(shí)，從I0.0對應(yīng)的輸入映像寄存器中取出信息“1”或“0”，并存入稱為“堆?！钡牟僮髌髦?。

執(zhí)行第3條指令時(shí)，取出Q0.0對應(yīng)的輸出映像寄存器中的信息“1”或“0”，并與堆棧中的內(nèi)容相“或”，結(jié)果再存入堆棧中（電路的并聯(lián)對應(yīng)“或”運(yùn)算）。執(zhí)行第4條、第5條指令時(shí)，先取出I0.1的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行非運(yùn)算，再和堆棧中的數(shù)據(jù)相“與”后存入堆棧，然后取出I0.2的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行取非運(yùn)算，再和堆棧中的數(shù)據(jù)相“與”后再次存入堆棧（電路中的串聯(lián)對應(yīng)“與”運(yùn)算）。

執(zhí)行第6條時(shí)，將堆棧中的二進(jìn)制數(shù)據(jù)送入Q0.0對應(yīng)的輸出映像寄存器中。

執(zhí)行第7條指令時(shí)，取出Q0.0輸出映像寄存器中的二進(jìn)制數(shù)據(jù)存入堆棧。

執(zhí)行第8條指令時(shí)，取出堆棧中的二進(jìn)制數(shù)據(jù)送入Q2.0對應(yīng)的映像寄存器中。

執(zhí)行第9條指令，結(jié)束用戶程序的一次循環(huán)掃描過程，開始下一次掃描過程。

在輸出處理階段，CPU將各輸出映像寄存器中的二進(jìn)制數(shù)傳送給輸出鎖存器。如果Q0.0、Q0.1對應(yīng)的輸出映像寄存器存放的二進(jìn)制數(shù)為“1”，則外接的KM線圈、指示燈HL1通電，反之，將斷電.4）PLC掃描過程示例輸入處理二、PLC工作原理4.用戶程