PLC在地铁设备中的工作原理

1.PLC与继电器控制系统的区别

继电器控制系统是一种硬件逻辑系统，如图1-5（a）所示，它的三条支路是并行工作的，当按下按钮SB1，中间继电器KA得电，KA的两个常开触点闭合，接触器KM1、KM2同时得电并产生动作。所以继电器控制系统采用的是并行工作方式。

而PLC是一种工业控制计算机，与普通计算机一样，属于串行工作方式。如图1-5（b）所示。CPU是以分时操作方式来处理各项任务的，计算机在每一瞬间只能做一件事，所以程序的执行是按程序顺序依次完成相应各电器的动作。由于运算速度极高，各电器的动作几乎是同时完成的，但实际输入/输出的响应是有滞后的。当按下SB1，而没有按下SB2时，I0.0、I0.1两个常开触点闭合，PLC内部继电器M0.0工作，并使PLC的继电器Q0.0和Q0.1接通，但是由于PLC是串行工作的，致使M0.0、Q0.0、Q0.1的接通不是同时的。

图1-5　PLC控制系统与继电器控制系统的比较

应当指出，在存储程序控制中的梯形图虽然与接线程序控制中的继电器接线十分相像，但是它们的本质是截然不同的。一个是接线，另一个是PLC的程序。

2.PLC的工作方式

PLC是按集中输入、集中输出、不断地周期循环扫描的方式进行工作的。每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。CPU从第一条指令执行开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新一轮扫描。PLC就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。

执行用户程序时，需要各种现场信息，这些现场信息已接到PLC的输入端，PLC采集现场信息（采集输入信号）有以下两种方式：

（1）集中采样输入方式。一般在扫描周期的开始或结束时采集所有输入信号（输入元件的通/断状态）并存放到输入映像寄存器中。执行用户程序所需要的输入状态均在输入映像寄存器中取用，而不能直接到输入端或输入模块中提取。

（2）立即输入方式。随着程序的执行，需要哪一个信号就直接从输入端或输出端模块取用这个状态信号，如“立即输入指令”就是这样，此时输入映像寄存器的内容不变，到下一次集中采样输入时才变化。

同样，PLC对外部的输出控制也有以下两种方式：

（1）集中输出方式。执行用户程序的所有输出结果，按先后全部存放在输出映像寄存器中，执行完用户程序后所有输出结果一次性向输出端或输出模块输出，使输出部件动作。

（2）立即输出方式。执行用户程序时将该结果向输出端或输出模块输出，如“立即输出指令”就是这样，此时输出映像寄存器的内容也同时更新。

3.PLC的工作过程

PLC工作的全过程可用图1-6所示的运行原理框图来表示。整个过程可分为三部分。

图1-6　PLC运行原理框图

第一部分是上电处理。机器上电后对PLC系统进行一次初始化，包括硬件初始化，I/O模块配置检查，停电保持范围设定及其他初始化处理等。(www.xing528.com)

第二部分是扫描过程。PLC上电处理完成以后进入扫描工作过程。先完成输入处理，其次完成与其他外设的通信处理，再次进行时钟、特殊寄存器更新。当CPU处于STOP方式时，转入执行自诊断检查。当CPU处于RUN方式时，先完成用户程序的执行和输出处理，再转入执行自诊断检查。

第三部分是出错处理。PLC每扫描一次，就会执行一次自诊断检查，确定PLC自身的动作是否正常，如CPU、电池电压、程序存储器、I/O模块和通信等是否异常。如检查出异常时，CPU面板上的LED指示灯及异常继电器会接通，在特殊寄存器中会存入出错代码。当出现致命错误时，CPU被强制为STOP方式，所有的扫描停止。

4.PLC典型的扫描周期

当PLC处于正常运行时，它将不断重复图中的扫描过程，不断循环扫描地工作下去。分析上述扫描过程，如果对远程I/O特殊模块和其他通信服务暂不考虑，扫描过程就只剩下“输入采样”“程序执行”和“输出刷新”三个阶段。下面就对这三个阶段进行分析。图1-7所示为PLC典型的扫描周期（不考虑立即输入、立即输出情况）。

图1-7　PLC扫描工作过程

1）输入采样阶段

PLC以扫描方式按顺序将所有输入信号读入输入映像寄存器中存储。在该工作周期内这个采样结果的内容不会改变，在PLC执行程序时被使用，直到下一个周期的输入采样阶段才更新。

2）程序执行阶段

PLC按顺序从上到下、从左到右逐条扫描每条指令，并分别从输入映像寄存器和元件映像寄存器中获得所需的数据进行运算、处理，再将程序执行的结果写入元件映像寄存器中保存。但这个结果在全部程序未执行完毕之前不会送到输出端口上。

3）输出刷新阶段

在执行完用户所有程序后，PLC将输出映像寄存器中的内容送入寄存输出状态的输出锁存器中，再去驱动用户设备。

PLC运行正常时，扫描周期的长短与CPU的运算速度、I/O点的情况、用户应用程序的长短及编程情况有关。不同型号的PLC，循环扫描周期大致为0.5～100 ms。通常用PLC执行1 KB指令所需时间来说明其扫描速度（一般为1～10 ms）。

5.关于可编程序控制器的时间滞后问题

PLC循环扫描工作方式的特点包括：提高了抗干扰能力，增强了系统可靠性；但同时降低了系统的响应速度，造成了输出与输入的滞后。从PLC的工作原理可以看出，输入信号的变化能否改变其在输入映像区的状态，主要取决于两点：一是输入信号的变化要经过输入模块的转化才能进入PLC内部，也就是说要经过一定的延时才能进到PLC内部，这一延时叫输入延时；二是进入PLC的信号只有在PLC处在输入刷新时才能把输入的状态读到PLC的CPU输入映像区。只有经过上述两个延时，CPU才有可能读入输入信号的状态。

当PLC根据用户程序的运算操作，把运算结果赋予输出端时也需要延时。第一个延时是必须等到输出刷新时，才能将运算结果送入输出映像区的输出信号锁存器中，这是需要延时的。第二个延时是输出锁存器的状态要通过输出模块的转换才能成为输出端的信号，这个转换需要的时间叫输出延时。只有经过上述两个延时，CPU才有可能把输出信号的状态传递到输出端子。

从上述分析可知，PLC对输入和输出信号的响应是有延时的，这就是滞后现象。对一般的工业控制，这种滞后是完全允许的。为了确保PLC在任何情况下都能正常无误地工作，一般情况下，输入信号的脉冲宽度必须大于一个扫描周期。

另外，还应该注意一个问题：输出信号的状态是在输出刷新时才送出的。因此，在一个程序中，若给一个输出端多次赋值，中间状态将改变输出映像区。只有最后一次赋值才能送到输出端。这就是常说的执行指令的后者优先。