S7-300 PLC基本工作原理

    可编程控制器是一种专用的工业控制计算机，因此，其工作原理建立在计算机控制系统工作原理的基础上。但为了可靠地应用在工业环境下，便于现场电气技术人员的使用和维护，它有着大量的接口器件、特定的监控软件、专用的编程器件。所以，不但其外观不像计算机，它的操作使用方法、编程语言及工作过程与计算机控制系统也是有区别的。    1．可编程控制器的工作过程    S7-300 PLC的工作过程有两个显著特点：一个是周期性顺序扫描，一个是集中批处理。    周期性顺序扫描是可编程控制器特有的工作方式，PLC在运行过程中，总是处在不断循环的顺序扫描过程中。    当PLC启动后，先进行初始化操作，包括对工作内存的初始化、复位所有的定时器、将输入／输出继电器清零，检查I/O单元连接是否完好，如有异常则发出报警信号。初始化之后，PLC就进入周期性扫描过程。扫描过程分为4个扫描阶段。    (1)公共处理扫描阶段    公共处理包括PLC自检、执行来自外设的命令、对警戒时钟(又称监视定时器或看门狗定时器( Watch Dog Timer，WDT))清零等。    PLC自检就是CPU检测PLC各器件的状态，如出现异常再进行诊断，并给出故障信号，或自行进行相应处理。    (2)输入采样扫描阶段    这是第1个集中批处理过程，在这个阶段中PLC按顺序逐个采集所有输入端子上的信号，不论输入端子上是否接线，CPU顺序读取全部输入端，将所有采集到的一批输入信号写到输入映像寄存器中。在当前的扫描周期内，用户程序依据的输入信号的状态(ON或OFF)，均从输入映像寄存器中去读取，而不管此时外部输入信号的状态是否变化。即使此时外部输入信号的状态发生了变化，也只能在下一个扫描周期的输入采样扫描阶段去读取，对于这种采样输入信号的批处理，虽然严格上说每个信号被采集的时间有先有后，但由于PLC的扫描周期很短，这个差异对于一般工程应用可忽略，所以可认为这些采集到的输入信号是同时的。    (3)执行用户程序扫描阶段    这是第2个集中批处理过程。在执行用户程序阶段，CPU对用户程序按顺序进行扫描。如果程序用梯形图表示，则是按先上后下，从左至右的顺序进行扫描。每次扫到一条指令，所需要的输入信号的状态均从输入映像寄存器中去读取，而不是直接使用现场的立即输入信号。对其他信息，则是从PLC的元件映像寄存器中读取。在执行用户程序中，每一次运算的中间结果都立即写入元件映像寄存器中，这样该元素的状态马上就可以被后面将要扫描到的指令所利用。对输出继电器的扫描结果，也不是马上去驱动外部负载，而是将其结果写入元件映像寄存器中的输出映像寄存器中，在输出刷新阶段集中进行批处理，所以执行用户程序阶段也是集中批处理过程。    在这个阶段，除了输入映像寄存器外，各个元件映像寄存器的内容是随着程序的执行而不断地变化。    (4)输出刷新扫描阶段    这是第3个集中批处理过程。当CPU对全部用户程序扫描结束后，将元件映像寄存器中各输出继电器的状态同时送到输出锁存器中，再由输出锁存器经输出端子去驱动各输出继电器所带的负载。    在输出刷新阶段结束后，CPU进入下一个扫描周期。    下面通过电机起停自锁控制来进一步说明PLC的工作过程，如图2-11所示。
    图2-11    PLC的工作过程    假设现在按下起动按钮，在输入采样阶段，采集到的输入点状态存到输入映像寄存器中，I0.0为“1”，I0.1为“0”，输入采样扫描阶段结束；然后开始执行用户程序，程序中用到的输入点状态，都到输入映像寄存器中读取，遵循“开点取原状态，闭点取反”的原则。程序中开点I0.0为“1”，开点Q4.0的状态要到输出映像寄存器中读取，在初始化阶段该点被清零，因此Q4.0为“0”，经或运算后，结果为“1”；I0.1状态为“0”，是闭点，取反后为“1”，与前面“或”运算结果进行“与”运算后，最终结果为“1”，即Q4.0线圈得电，状态“1”送到输出映像寄存器，至此，程序执行扫描阶段结束；最后，在输出刷新阶段，将输出映像寄存器内容送到输出点，接通接触器线圈，使电机起动。停止过程请读者自行分析。    2. PLC系统的等效电路    如图2-12所示为PLC系统的等效电路。    PLC控制系统的等效工作电路可分为3部分，即输入部分、内部控制电路和输出部分。输入部分就是采集输入信号，输出部分就是系统的执行控件。这两部分与继电器控制电路相同。内部控制电路是通过编程方法实现的控制逻辑，用软件编程代替继电器电路的功能。    (1)输入部分    输入部分由外部输入电路、PLC输入接线端子和输入继电器组成。外部输入信号经PLC输入接线端子去驱动输入继电器的线圈。每个输入端子与其相同编号的输入继电器有着唯一确定的对应关系。当外部的输入元件处于接通状态时，对应的输入继电器线圈“得电”，输入继电器是PLC内部的“软继电器”，实际是相应的存储器的某一位，它可以提供任意多个动合触点或动断触点供PLC内部控制电路编程使用。    为使输入继电器的线圈“得电”，即让外部输入元件的接通状态写入与其对应的基本存储单元中去，输入回路要有电源，输入回路所使用的电源可以用PLC内部提供的24V直流电源，也可由PLC外部的独立的交流或直流电源提供。
    图2-12    PLC系统的等效电路    需要强调的是，输入继电器的线圈只能是由来自现场的输入元件（如控制按钮、行程开关的触点、晶体管的基极一发射极电压、各种检测及保护器件的触点或动作信号等）的驱动，而不能用编程的方式去控制。因此，在梯形图程序中只能使用输入继电器的触点，不能使用输入继电器的线圈。    (2)内部控制电路    所谓内部控制电路是由用户程序形成的用“软继电器”来代替“硬继电器”的控制逻辑。它的作用是按照用户程序规定的逻辑关系，对输入信号和输出信号的状态进行检测、判断、运算和处理，然后得到相应的输出。    一般用户程序是用梯形图语言编制的，它看起来很像继电器控制线路图。在继电器控制线路中，继电器的触点可瞬时动作，也可延时动作，而PLC梯形图中的触点是瞬时动作的。如果需要延时，可由PLC提供的定时器来完成。延时时间可根据需要在编程时设定，其定时精度及范围远远高于时间继电器。在PLC中还提供了计数器、辅助继电器（相当于继电器控制电路中的中间继电器，实际是一种存储单元）及某些特殊功能的继电器。PLC的这些器件所提供的逻辑控制功能，可在编程时根据需要使用，且只能在PLC的内部控制电路中使用。    (3)输出部分    以继电器输出型PLC为例。    输出部分是由在PLC内部且与内部控制电路隔离的输出继电器的外部动合触点、输出接线端子和外部驱动电路组成，用来驱动外部负载。    PLC的内部控制电路中有许多输出继电器，每个输出继电器除了有为内部控制电路提供编程用的任意多个动合、动断触点外，还为外部输出电路提供了一个实际的动合触点与输出接线端子连接。    驱动外部负载电路的电源必须由外部电源提供，电源种类及规格可根据负载要求去配备，只要在PLC允许的电压范围内工作即可。    3．PLC对输入／输出的处理规则    通过对PLC的用户程序执行过程的分析，可总结出PLC对输入／输出的处理规则：    1)输入映像寄存器中的数据，是在输入采样阶段扫描到的输入信号的状态，集中写进去的，在本次扫描周期中，它不随外部输入信号的变化而变化。    2)输出映像寄存器的状态，是由用户程序中输出指令的执行结果来决定。    3)输出锁存器中的数据是在输出刷新阶段，从输出映像寄存器中集中写进去的。    4)输出端子的输出状态，是由输出锁存器中的数据确定的。    5)执行用户程序时所需的输入、输出状态，是从输入映像寄存器和输出映像寄存器中读出的。