PLC的工作原理及其应用解析

PLC 的工作原理与计算机的工作原理基本上是一致的，可以简单地表述为在系统程序的管理下，通过运行应用程序完成用户任务。PLC 是在确定了工作任务，装入了专用程序后成为一种专用机，系统工作任务管理及应用程序执行是以循环扫描方式完成的。当PLC 正常运行时，它将不断重新扫描过程。

1.操作系统与用户程序

CPU 的操作系统用来组织与具体的控制任务无关的所有的CPU 功能。操作系统的任务包括处理暖启动，刷新输入/输出过程映像，调用用户程序，检测中断事件和调用中断组织块，检测和处理错误，管理存储器以及处理通信任务等。

用户程序包含处理具体的自动化任务所必需的所有功能。用户程序由用户编写并下载到CPU，用户程序的任务包括:

(1)检查是否满足暖启动需要的条件，例如限位开关是否在正确的位置，安全继电器是否处于正常的工作状态。

(2)处理过程数据，例如用读取的数字量输入信号来控制数字量输出信号，读取和处理模拟量输入信号，输出模拟量值。

(3)用OB (组织块)中的程序对中断事件做出反应，例如在诊断错误中断OB82 中发出报警信号，以及编写处理错误的程序。

2.CPU 的工作模式

S7－1200 CPU 有以下三种工作模式:STOP (停止)模式、STARTUP (启动)模式和RUN (运行)模式。CPU 的状态LED 指示当前工作模式。

在STOP 模式下，CPU 处理所有通信请求(如果有的话)并执行自诊断，但不执行用户程序，过程映像也不会自动更新。只有在CPU 处于STOP 模式时，才能下载项目。

在STARTUP 模式下，执行一次启动组织块 (如果存在的话)。上电后CPU 进入STAPTUP 模式，进行上电诊断和系统初始化，检查到某些错误时，将禁止CPU 进入RUN 模式，保持在STOP 模式。在RUN 模式的启动阶段，不处理任何中断事件。

在RUN 模式下，重复执行扫描周期，即重复执行程序循环组织块OB1。中断事件可能会在程序循环阶段的任何点发生并进行处理。处于RUN 模式下时，无法下载任何项目。

CPU 支持通过暖启动进入RUN 模式。在暖启动时，所有非保持性系统及用户数据都将被复位为来自装载存储器的初始值，保留保持性用户数据。

在CPU 内部的存储器中，设置了一片区域来存放输入信号和输出信号的状态，它们被称为过程映像输入区和过程映像输出区。CPU 的操作模式从STOP 切换到RUN 时，进入启动模式，CPU 执行下列操作，如图1－7所示。

阶段A 复位过程映像输入区(I 存储区)。

阶段B 用上一次RUN 模式最后的值或替代值来初始化输出。

阶段C 执行一个或多个启动OB，将非保持性M 存储器和数据块初始化为其初始值，并启用组态的循环中断时间和时钟事件。如果启动OB 不止一个，首先执行OB 100，然后按递增的编号执行其他启动OB。

阶段D 将外设输入状态复制到过程映像输入区。

阶段E (整个启动阶段)将中断事件保存到队列，以便在RUN 模式进行处理。

阶段F 将过程映像输出区(Q 区)的值写到外设输出。

启动阶段结束后，进入RUN 模式。

为了使PLC 的输出及时地响应各种输入信号，CPU 反复地分阶段处理各种不同的任务(图1－7):

图1-7　启动与运行过程示意图

阶段①将过程映像输出区的值写到输出模块。

阶段②将输入模块处的输入传送到过程映像输入区。

阶段③执行一个或多个程序循环OB，首先执行主程序OB1。

阶段④处理通信请求和进行自诊断。

上述任务是按顺序执行的。这种为完成PLC 所承担的工作，系统周而复始地依一定顺序完成一系列的具体工作，这种循环工作方式称为扫描循环。执行一次扫描工作所需的时间称为扫描周期。在扫描循环的任意阶段(阶段⑤)出现中断事件时，执行中断程序。

CPU 没有用于切换运行模式的物理开关。运行模式(STOP 或RUN)可使用编程软件的操作员面板上的按钮来切换。另外，该操作员面板还提供了用于执行全面存储器复位的按钮MRES，并具有可显示CPU 状态的LED 指示灯。除编程软件切换运行模式外，还可以在用户程序中用STP 指令使CPU 进入STOP 模式。

3.CPU 的启动方式(www.xing528.com)

CPU 有冷启动和暖启动两种方式。下载了用户程序的块和硬件组态后，下一次切换到RUN 模式时，CPU 执行冷启动。冷启动时复位输入，初始化输出；复位存储器，即清除工作存储器、非保持性存储区和保持性存储区，并将装载存储器的内容复制到工作寄存器。存储器复位不会清除诊断缓冲区，也不会清除永久保存的IP 地址。

冷启动之后，在下一次下载之前的STOP 到RUN 模式的切换均为暖启动。暖启动时所有非保持的系统数据和用户数据被初始化，不会清除保持性存储区。

暖启动不对存储器复位，可以用在线与诊断视图的“CPU 操作面板”上的“MRES”按钮来复位存储器。S7－1200 CPU 之间通过开放式用户通信进行的数据交换只能在RUN 模式进行。移除或插入中央模块将导致CPU 进入STOP 模式。

4.RUN 模式CPU 的操作

下面是RUN 模式各阶段任务的详细介绍。

1)写外设输出

在扫描循环的第一阶段，操作系统将过程映像输出中的值写到输出模块并锁存起来。梯形图中某输出位的线圈“通电”时，对应的过程映像输出位中的二进制数为1。信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。若梯形图中某输出位的线圈“断电”，对应的过程映像输出位中的二进制数为0。将它送到继电器型输出模块，对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点断开，外部负载断电，停止工作。

可以用指令立即改写外设输出点的值，同时将刷新过程映像输出。

2)读外设输入

在扫描循环的第二阶段，读取输入模块的输入，并传送到过程映像输入区。外接的输入电路闭合时，对应的过程映像输入位中的二进制数为1，梯形图中对应的输入点的常开触点接通，常闭触点断开。外接的输入电路断开时，对应的过程映像输入位中的二进制数为0，梯形图中对应的输入点的常开触点断开，常闭触点接通。

可以用指令立即读取数字量或模拟量的外设输入点的值，但是不会刷新过程映像输入。

3)执行用户程序

PLC 的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按顺序排列。从第一条指令开始，逐条顺序执行用户程序中的指令，包括程序循环OB 调用FC 和FB 的指令，直到最后一条指令。

在执行指令时，从过程映像输入/输出或别的位元件的存储单元读出其0、1 状态，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算的结果写入到相应的过程映像输出和其他存储单元，它们的内容随着程序的执行而变化。

程序执行过程中，各输出点的值被保存到过程映像输出，而不是立即写给输出模块。在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，过程映像输入的状态也不会随之改变，输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的读取输入阶段被读入。执行程序时，对输入/输出的访问通常是通过过程映像，而不是实际的I/O 点，这样做有以下好处:

(1)在整个程序执行阶段，各过程映像输入点的状态是固定不变的，程序执行完后再用过程映像输出的值更新输出模块，使系统的运行稳定。

(2)由于过程映像保存在CPU 的系统存储器中，访问速度比直接访问信号模块快得多。

4)通信处理与自诊断

在扫描循环的通信处理和自诊断阶段，处理接收到的报文，在适当的时候将报文发送给通信的请求方。此外还要周期性地检查固件、用户程序和I/O 模块的状态。

5)中断处理

事件驱动的中断可以在扫描循环的任意阶段发生。有事件出现时，CPU 中断扫描循环，调用组态给该事件的OB。OB 处理完事件后，CPU 在中断点恢复用户程序的执行。中断功能可以提高PLC 对事件的响应速度。

5.CPU 的状态指示灯

CPU 模块提供状态指示灯，位于CPU 前面的LED 状态指示灯的颜色指示出CPU 的当前工作状态。

(1)RUN/STOP 指示灯:黄色灯指示STOP 模式，绿色灯指示RUN 模式，闪烁灯指示STARTUP 模式。

(2)ERROR 指示灯:红色闪烁时，表明出现CPU 内部错误、存储卡错误或组态错误；红色灯常亮时，表明硬件出现故障。

(3)MAINT (维护)指示灯:在插入或取出存储卡或版本错误时，黄色灯将闪烁；如果有I/O 点被强制或安装电池板后电量过低，黄色灯将会常亮。

CPU 状态指示灯详细说明见表1－6。

表1-6　CPU 状态指示灯详细说明

续表