探究PLC程序自主运行的方法和原理 (plc的实验原理)

一、引言

PLC（可编程逻辑控制器）作为一种重要的工业控制装置，广泛应用于机械制造、汽车生产、化工、电力等领域。
PLC程序自主运行是实现工业自动化控制的关键环节。
本文将详细探讨PLC程序自主运行的方法和原理，帮助读者更好地理解PLC实验原理及其在工业自动化控制中的应用。

二、PLC程序自主运行的基本原理

PLC程序自主运行的基本原理主要包括PLC的硬件结构、软件系统和输入输出过程。
PLC由中央处理单元（CPU）、存储器、输入输出接口等组成。
在自主运行过程中，PLC根据预先编程的逻辑对输入信号进行采集、处理，并根据处理结果控制输出设备。

1. 硬件结构：PLC主要由中央处理单元（CPU）、存储器、电源、输入输出接口等部分组成。其中，CPU是PLC的核心，负责执行程序指令；存储器用于存储程序和逻辑控制数据；输入输出接口负责连接外部设备和传感器。
2. 软件系统：PLC的软件系统包括系统程序和用户程序。系统程序由PLC制造商提供，负责控制硬件的运行；用户程序由用户根据实际需求编写，实现特定的控制功能。
3. 输入输出过程：在PLC程序自主运行过程中，输入模块负责采集现场信号，如开关状态、温度、压力等；输出模块根据控制逻辑输出控制信号，如电机启动、阀门开关等。

三、PLC程序自主运行的方法

PLC程序自主运行的方法主要包括编程设计、程序上传、监控与调试等环节。

1. 编程设计：根据实际需求，使用适当的编程语言（如梯形图、功能块图等）编写PLC程序。在编程过程中，需要考虑输入信号的采集、处理逻辑、输出信号的控制以及故障处理等问题。
2. 程序上传：将编写好的程序通过编程电缆或通讯接口上传到PLC中。上传过程中需要注意电缆的选择、通讯协议的设置等问题。
3. 监控与调试：在PLC程序运行过程中，通过监控软件对PLC的输入信号、输出信号、内部状态等进行实时监视和记录。发现问题后，及时进行调试和修改程序。调试过程中，可以使用仿真功能模拟现场环境，以便更好地验证程序的正确性。

四、PLC实验原理及应用实例

以某工厂的电机控制为例，介绍PLC实验原理及应用过程。
假设需要控制一个电机的启停，电机的运行状态通过按钮和传感器进行输入，控制信号通过PLC输出。

1. 实验准备：搭建实验平台，包括电机、按钮、传感器、PLC和负载设备等。
2. 编程设计：根据实际需求编写PLC程序。在本例中，需要考虑按钮的按下和释放、传感器的状态变化等输入信号，以及电机的启停等输出信号。编写程序时，可以使用梯形图或功能块图等编程语言。
3. 程序上传：将编写好的程序通过编程电缆上传到PLC中。
4. 监控与调试：在PLC程序运行过程中，通过监控软件实时监视输入信号、输出信号和内部状态。在本例中，可以通过观察电机的运行状态来验证程序的正确性。如发现问题，及时进行调试和修改程序。

五、结论

本文详细探讨了PLC程序自主运行的方法和原理，包括PLC的硬件结构、软件系统和输入输出过程。
通过实际应用实例，介绍了PLC实验原理在工业自动化控制中的应用。
掌握PLC程序自主运行的方法和原理对于实现工业自动化控制具有重要意义。

PLC的工作原理最初研制生产的 PLC主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式是不相同的：(1)继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。 (2)PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点(包括其常开或常闭触点)不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。 为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在 100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式---扫描技术。 这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。 1、扫描技术当 PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。 完成上述三个阶段称作一个扫描周期。 在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 (1)输入采样阶段在输入采样阶段， PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。 输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。 在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。 因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 (2)用户程序执行阶段在用户程序执行阶段， PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。 在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 (1)输出刷新阶段当扫描用户程序结束后， PLC就进入输出刷新阶段。 在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。 这时，才是PLC的真正输出。 比较下二个程序的异同：程序 1：程序 2：这两段程序执行的结果完全一样，但在 PLC中执行的过程却不一样。 程序1只用一次扫描周期，就可完成对%M4的刷新； 程序2要用四次扫描周期，才能完成对%M4的刷新。 这两个例子说明：同样的若干条梯形图，其排列次序不同，执行的结果也不同。 另外，也可以看到：采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所区别。 当然，如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略，那么二者之间就没有什么区别了。 一般来说， PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，如下图所示，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。 2、PLC的I/O响应时间为了增强 PLC的抗干扰能力，提高其可靠性，PLC的每个开关量输入端都采用光电隔离等技术。 为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制， PLC采用了不同于一般微型计算机的运行方式（扫描技术）。 以上两个主要原因，使得 PLC得I/O响应比一般微型计算机构成的工业控制系统满的多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。 所谓 I/O响应时间指从PLC的某一输入信号变化开始到系统有关输出端信号的改变所需的时间。 其最短的I/O响应时间与最长的I/O响应时间如图所示：最短 I/O响应时间：最长 I/O响应时间：以上是一般的 PLC的工作原理，但在现代出现的比较先进的PLC中，输入映像刷新循环、程序执行循环和输出映像刷新循环已经各自独立的工作，提高了PLC的执行效率。 在实际的工控应用之中，编程人员应当知道以上的工作原理，才能编写出质量好、效率高的工艺程序。