PLC基礎篇之PLC的誕生及工作原理

今天這篇文章，我們聊點關於PLC的基礎性的東西。基礎性的東西，其實也是很重要的東西。對於那些剛入門的或者想入門的朋友，這篇文章能讓你對PLC有個概括性的了解；對於那些已經入門的朋友，這篇文章能幫你重溫PLC的工作原理，結合你已經有的經驗，溫故知新。

我們之前的文章經常提到「PLC」這個詞，那麼「PLC」代表什麼意思呢？PLC是英文"Programmable Logic Controller"的縮寫,中文名稱「 可編程邏輯控制器」。在PLC還沒有問世的年代，工業自動化的控制要使用大量的中間繼電器，時間繼電器，計數器等元器件。數量龐大元器件的使用導致電控櫃很臃腫，接線繁瑣、複雜、易出錯。

1968年1月1日，一個叫迪克.莫利的人，在新年的第一天，起草了一個備忘錄，導致了後來PLC的發明。這個備忘錄是這樣寫的：「這個東東（當時還沒有起名）應有如下特性：沒有過程中斷；直接映像進入存儲器；沒有軟體處理重複的事務；運行速度慢（莫利隨後認識到該特性是一個錯誤）；堅固地設計以便能真正地工作；有自己的編程語言（幾個月之後出現了梯形圖邏輯）」。

迪克.莫利拿這個備忘錄給貝德福德的團隊看，包括麥克.格林伯格，喬納斯.蘭道和湯姆. 布瓦塞萬。他們一起繼續設計這個裝置，並給它起了個代號：084。「084」的目標是模塊化、堅固可靠、可連續工作的裝置。迪克.莫利團隊完成了設計並建造了084，它是今天「可編程邏輯控制器」的前身，下圖是世界上第一台PLC及它的設計團隊的合影：

PLC的問世改變了工業自動化的面貌，它以軟體編程的方式代替了繼電器控制系統中的大量的元器件，設計人員只需要考慮系統的輸入和輸出，中間的邏輯運算由軟體來實現，這使得控制櫃的設計、安裝、接線簡單了很多，推動了工業自動化的進步。

當今的PLC的功能已經不僅僅限於邏輯運算，還包括模擬量採集、運動控制、通信及自我診斷等功能；PLC具有很高的可靠性，能夠在惡劣的現場環境下正常工作，從而減少了停機時間，降低了維修人員的工作量，提高了生產效率；

PLC的種種優點，使其成為現代工業控制不可或缺的角色，世界各國的工業自動化廠商紛紛推出自己的PLC產品，以期能在這個領域佔有自己的一席之地。

目前世界上主要的PLC廠商包括：德國的西門子公司（Siemens）；美國的羅克韋爾公司（RockWell）；法國的施耐德公司（Schneider）；日本的三菱公司（Mitsubishi）和歐姆龍公司（Omron）等；我們國家也有生產PLC的廠商，但影響力都不大，諸君多努力吧。

各大公司的PLC在工作原理上 都基本相同的，這裡我們以西門子SIMATIC PLC產品的工作原理為例，講解PLC的工作過程（工作原理）：

PLC的CPU內部包括兩類程序：操作系統和用戶程序。操作系統由PLC廠家編寫並固化在CPU晶元的內部，用戶不可以修改，但可以通過固件升級的方式進行更新。操作系統管理PLC的存儲資源、調用用戶程序、刷新輸入/輸出存儲區、檢測中斷及調用中斷處理函數、檢測錯誤及進行處理、對PLC進行熱啟動等等；用戶程序完成項目的實際需求，由編程人員編寫並下載到CPU中執行；用戶程序的各種功能的實現都需要操作系統的支持。

CPU有兩種工作模式：運行（RUN）模式和停止（STOP）模式。

處於停止（STOP）模式的CPU不執行用戶程序，不刷新輸入/輸出過程映像區，但會處理通信請求、執行診斷功能，可以下載程序。基於安全的考慮，對於輸出模塊的輸出值，有兩種選擇：保持上一次的值（Keep last value）或者使用替代值（Substitute a value），兩種方案可以通過硬體組態修改，如下圖：

一般情況下，我們希望CPU停機後，輸出模塊的值為0。這時，你可以在「CPU停機響應（Reaction to CPU STOP）」中選擇「使用替代值（Substitute a value）」，同時不要勾選「使用替代值1（Apply substiute value 1）」；如果你確實需要當CPU停機時，激活某個輸出通道，則勾選「使用替代值1（Apply substiute value 1）"，如下圖：

處於運行（RUN）模式的CPU以循環掃描的方式進行工作，依次分為如下幾個步驟：

1）將輸出過程映像區的值寫入到外設的物理地址中；

2）將外設的輸入值讀取到輸入過程映像區中；

3）調用主程序組織塊（OB1）；

4）處理通信請求、進行自我診斷；

5）任何時候如果發生中斷事件，則進行中斷處理；

PLC每執行一循環掃描所用的時間稱為掃描周期，每一個掃描周期內，外設的值（輸入/輸出）只更新一次，從而保證了PLC在執行程序時，不受外界信號變化的影響。

小結：這篇文章我們介紹了PLC的誕生和PLC的內部程序（操作系統和用戶程序），講解了兩種工作模式（運行和停止）以及在這兩種模式下PLC是怎樣工作的。

關於CPU的擴展閱讀可以看看這篇文章：S7-1200硬體篇之重新認識CPU