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可编程控制器新谈(四)
  • 作者:陈忠华
  • 点击数:2214     发布时间:2005-08-16 11:25:00
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在PLC的结构中,软件操作系统驻留在PLC的中央存储器内,并且都加以固化。PLC的语言编译系统,一般都比较大,通常是以磁盘文件的形式,放置在编程器内,最后生成的应用程序也放置在中央存储器内.但是需要有后备电池支持,以保证关机时,程序不会丢失。只有在程序经确认没有错误,现场也不需改动的情况下,为了提高运行的安全性才将应用程序进行固化。
关键词:

?  PLC的工作原理

    前面几节把可编程控制器硬件体系中的最基本部件做了介绍。本节用一个最简单的PLC来说明其工作原理。设有一台PLC(型号为LEM),它有6种基本指令,指令见表1。

表1  LEM PLC的6种指令

 

    图1给出了指令格式,每一条指令由13位组成。


图1  LEM PLC的指令格式

    从图1指令格式中可以看出指令的地址场包含9位2进制数,允许寻址29 = 512位。在LEM-PLC中设置128位输入变量Ui和128位输出变量Yj,剩下256位保留作为中间变量Xk。因此LEM的数据存储器(便笺式存储器)具有512位,以8进制表示时,地址为0(O)至777(O)。图2表示了LEM的数据存储器组态。


图2  LEM的数据存储器组态

    LEM的中央处理器包含一个程序计数器(P)或称指令指针(10位寄存器),一个13位指令寄存器(I)和一个逻辑累加器(A),最后还有一个4位后进先出的堆栈LIFO。图3表示执行指令的过程。指令指针执行完当前指令后把指针数加1,指向下一条将执行的指令。现在指令指针中的内容为1000(O)(2进制码为001  000  000  000),在程序存储器(用户存储区)中。地址为1000(O)单元处放置有指令IFU3,中央处理器将这条指令取入指令寄存器(I),这时(I)寄存器的内容为:


图3  LEM PLC执行指令的过程

 

    其地址场的内容为000  000  011转入地址寄存器(S),并取数据存储器第3单元(输入变量U3)的内容送至累加器(A)。这一过程是中央处理器根据指令中的操作码0001,经译码器译码后在时钟的控制下进行的。以上仅仅是执行一条指令的过程。

    下面说明PLC怎样使用LIFO堆栈来完成一个梯形图的梯节或一个布尔代数方程的表达式: 

   

    用梯形图来表示上述逻辑方程的梯节如图4所示:


图4  用梯形图表示的例子 

    将上述逻辑方程或梯节写成LEM  PLC能执行的程序,其程序表见表2。

    表2中的指令助记符在程序存储器中的编码见表3。

    在表4中列出了程序执行过程中,累加器A和堆栈的内容。

    输入变量,中间变量和输出变量在数据储器中的位置如表5所示。

    上面说明了PLC执行一条指令或一个逻辑方程(用梯形图表示时是一个梯节)的过程。但是PLC与普通办公用计算机有一个很大的不同点,就是PLC的程序是自动循环执行的,而普通计算机是按照命令执行程序,程序结束后等待新的命令。后一种工作方式称异步工作方式。因此,对PLC说来循环是一个十分重要的概念。大部分PLC采用这样的循环方式,程序一开始,扫描和采集输入摸板上各输入变量的数据,然后转移到中央存储器的数据区(有时称为便笺式存储器或输入映像区),接着执行用户的应用程序,把逻辑运算的结果送到便笺式存储器的输出映像区,最后将输出映像区的值送到输出摸板去控制具体的物理过程。在处理完输出转移后,要进行通信程序处理,来完成编程命令或监视命令。然后又回到循环的起始点,扫描和采集输入摸板。

表2   LEM PLC内的用户程序表(执行本例子的程序表)

表3  程序表在存储器中的编码

表4  程序执行过程中累加器A和堆栈的内容

表5  程序执行过程中各个变量在存储器中的位置

 

    下面以PHILIPS Proscon逻辑控制器为例,进一步说明循环的概念,该控制器的配置如下:

    16块输入摸板,每块摸板16个输入点,总共256个输入点;
    16块输出摸板,每块摸板16个输出点,总共256个输出点;
    程序存储器4KB。


 图5   PLC循环举例

图6   PLC摸板之间信息交换的过程

    一块输入板或输出板的存取时间为29μs,执行1K字程序指令的时间为1.85ms。这样,整个的循环时间是8.3ms。它是由两个部分组成的:一部分的输入/输出循环时间为32×29=928μs=0.928ms;另一部分的执行程序存储器用户程序的时间,最长为4×1.85=7.4ms。图5为PLC循环举例。图6表示了摸板之间信息交换的过程。 图7表示了循环的控制信号定时图。

    图7上的各种信号说明如下:

    S1:输入/输出信号的有效周期;
    B1:输入/输出地址总线信号;
    S2:来自输入摸板的应答信号;
    B2:转移输入状态到便笺式存储器(输入/输出映像)的总线信号;
    B3:从便笺式存储器中输出状态转移到缓冲存储器的总线信号.缓冲存储器能保证即使在输出板的电源发生故障的情况下,也能保持住应输出的信息;
    S3:来自中央处理单元允许转移到输出摸板的时钟信号;
    S5:逻辑处理信号;
    B4:程序存储器地址总线信号;
    S6:开始执行指令周期的信号;
    B5:指令的总线信号。

    有三种基因素会影响到PLC的循环结构,它们是:
    ?  输入/输出采集战略;
    ?  跳转指令的应用;
    ?  有可能存在数值计算。

    还有一种更复杂的情况,就是多处理器结构的PLC,在循环过程中要分配给智能摸板命令和采集信息,智能摸板是自身带CPU具有特殊功能的摸板,智能摸板的循环和主CPU的循环是并行进行的,但主CPU要向智能摸板发送命令和采集信息。


图7   PLC循环的控制信号定时图

    在循环过程中,遇有跳转指令时(包括无条件和条件跳转),会改变循环的方向,图8 表示了执行程序过程中修整循环的例子。

?  PLC 软件体系 

    PLC系统软件和应用软件
 
    PLC的基本软件包括系统软件和应用软件,如果用一个示意图来表示的话(见图9),PLC的硬件处在一个园的核心部分。在硬件外围有三个环包围着。第一个环是软件的操作系统,用它来管理各种硬件资源(存储器,软盘驱动,键盘。CRT,输入,输出等);第二个环是编程语言的编译系统;第三个环是应用程序。最外围是被控制对象。相对PLC讲来是外部世界。在硬件和外部世界之间的三个环就构成了PLC的基本软件,硬件通过基本软件实现对外部世界的控制。对基本软件可以下这样一个定义:PLC的基本软件是由一组程序组成,这组程序允许对硬件进行管理,并提供使用方便。这组程序也用来生成和开发应用软件,通过应用软件实现对外部世界的控制。

    在PLC的结构中,软件操作系统驻留在PLC的中央存储器内,并且都加以固化。PLC的语言编译系统,一般都比较大,通常是以磁盘文件的形式,放置在编程器内,最后生成的应用程序也放置在中央存储器内.但是需要有后备电池支持,以保证关机时,程序不会丢失。只有在程序经确认没有错误,现场也不需改动的情况下,为了提高运行的安全性才将应用程序进行固化。


(a) 根据程序中的跳转指令,循环的时间是变化的

(b) 子循环的建立
图8  程序执行时循环时间修改的例子

图9  PLC的软件结构

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