王治學(xué)

摘要：由于PLC工作原理是集中輸入，集中輸出的，導(dǎo)致同一個(gè)程序的不同書寫順序就可能會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行結(jié)果的改變，甚至?xí)l(fā)安全問題，這就需要引起程序設(shè)計(jì)者的高度重視。以S7-200 PLC的梯形圖為例，用實(shí)際工作中的任務(wù)為載體，探索和研究基于PLC的程序掃描順序，把微觀世界的概念轉(zhuǎn)變到宏觀世界中來，提高了從業(yè)者的認(rèn)識(shí)，從而保證工業(yè)控制的正常安全進(jìn)行。

Abstract： Because the working principle of PLC is centralized input and output， the different writing order of the same program may change the result of operation， and even cause security problems， which requires the attention of programmers. Taking the ladder diagram of S7-200 PLC as an example， this paper explores and studies the sequence of program scanning based on PLC with practical tasks as the carrier， transforms the concept of micro-world into macro-world， improves the awareness of practitioners， and ensures the normal and safe operation of industrial control.

關(guān)鍵詞：掃描順序;PLC;工業(yè)控制

Key words： scanning sequence;PLC;industrial control

中圖分類號(hào)：U412.6 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）07-0160-03

0 ?引言

PLC（可編程控制器）是工業(yè)控制設(shè)備中不可或缺的核心，通過執(zhí)行用戶下載的程序起到對硬件設(shè)備的控制作用。PLC在發(fā)出控制信號(hào)之前首先對程序進(jìn)行讀取和計(jì)算，它是按照一定的順序來掃描和執(zhí)行用戶程序的，同一個(gè)程序的不同書寫順序就可能會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行結(jié)果的改變，即使這些程序是并行的。輕者會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行不通暢，嚴(yán)重的可能會(huì)引發(fā)安全問題。由于PLC的計(jì)算速度比常人快得多，我們可以認(rèn)為其對程序的掃描是“微觀”世界的概念，但是作為“宏觀”世界的程序設(shè)計(jì)者必須對其詳盡的了解，以防止出現(xiàn)不必要的麻煩。以西門子S7-200 PLC的梯形圖程序?yàn)槔M(jìn)行分析與研究。

1 ?PLC程序掃描順序分析

1.1 PLC工作原理分析

PLC對于梯形圖的掃描是一個(gè)循環(huán)的過程，不是掃描一遍就停止了。它是按照從上到下，從左到右為序掃描梯形圖的，并且是集中輸入，集中輸出的。它不會(huì)掃描完一條網(wǎng)絡(luò)就執(zhí)行這條網(wǎng)絡(luò)的功能，而是把所有的網(wǎng)絡(luò)都掃描讀取完再同時(shí)執(zhí)行功能。

我們把PLC從頭到尾掃描一遍程序所用的時(shí)長叫做一個(gè)掃描周期。每個(gè)掃描周期可以分為：輸入采樣階段、用戶程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段。掃描周期開始時(shí)PLC首先是輸入采用階段，讀取輸入端子狀態(tài)并存入輸入映像寄存器中。在進(jìn)入用戶執(zhí)行階段時(shí)，即使外部輸入改變，也不會(huì)影響到輸入映像寄存器的數(shù)據(jù)，直到下一掃描周期的輸入采樣階段。整個(gè)掃描周期程序的執(zhí)行過程如圖1所示。

在用戶程序執(zhí)行階段，所有輸入端子的狀態(tài)存入輸入映像寄存器中，與元件映像寄存器的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，把計(jì)算結(jié)果再存入元件映像寄存器覆蓋之前的數(shù)據(jù);在輸出刷新階段，元件映像寄存器中所有輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，當(dāng)輸出鎖存器輸出時(shí)就可以驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載了。

輸出映像寄存器即元件映像寄存器中Q寄存器的狀態(tài)，運(yùn)行結(jié)果寫入元件映像寄存器中，而需要向外輸出的信號(hào)則存入輸出映像寄存器。這個(gè)結(jié)果在全部程序未執(zhí)行完畢之前不會(huì)送到輸出端口上。

1.2 掃描順序影響的分析

舉例說明如圖2所示，從表面上看其功能為：當(dāng)輸入I0.0觸點(diǎn)閉合時(shí)，輸出負(fù)載Q0.0和Q0.1會(huì)被激勵(lì);當(dāng)輸入I0.0觸點(diǎn)斷開時(shí)，輸出負(fù)載Q0.0和Q0.1會(huì)恢復(fù)到原來的狀態(tài)。由于程序掃描和執(zhí)行順序的存在，這兩個(gè)輸出并不是肉眼看到的同時(shí)亮，同時(shí)滅的。而是當(dāng)I0.0閉合時(shí)，Q0.0比Q0.1晚點(diǎn)亮一個(gè)掃描周期;當(dāng)I0.0斷開時(shí)，Q0.0比Q0.1早滅一個(gè)掃描周期。但是，這兩個(gè)輸出被激勵(lì)的時(shí)間是和觸點(diǎn)I0.0閉合的時(shí)間一樣長的。

分析原因：當(dāng)I0.0閉合時(shí)，PLC需要從上而下掃描梯形圖，也就是先掃描網(wǎng)絡(luò)1，此時(shí)由于PLC沒有得到M0.0線圈得電的消息，所以它會(huì)認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)1中M0.0的常開觸點(diǎn)不能閉合，也就會(huì)導(dǎo)致線圈Q0.0沒有得電;當(dāng)進(jìn)行到網(wǎng)絡(luò)2時(shí)發(fā)現(xiàn)I0.0已閉合，能流可以流到M0.0的線圈，因此M0.0線圈得電，M0.0線圈對應(yīng)的觸點(diǎn)就會(huì)動(dòng)作;網(wǎng)絡(luò)3的常開觸點(diǎn)就會(huì)閉合，導(dǎo)致能流流過Q0.1線圈，Q0.1得電。此時(shí)PLC輸出時(shí)只有Q0.1亮，而Q0.0不亮，但是它會(huì)在一個(gè)掃描周期之后亮起來，因?yàn)镻LC已經(jīng)知道了線圈M0.0得電的消息。當(dāng)I0.0觸點(diǎn)恢復(fù)到常開狀態(tài)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)3中的常開觸點(diǎn)比網(wǎng)絡(luò)1中的先斷開一個(gè)掃描周期，導(dǎo)致Q0.1比Q0.0先滅一個(gè)掃描周期。因?yàn)閽呙璧骄W(wǎng)絡(luò)1的觸點(diǎn)時(shí)，PLC還不知道I0.0斷開的消息，所以這個(gè)周期內(nèi)Q0.0不會(huì)滅。經(jīng)過讀取網(wǎng)絡(luò)2中I0.0的狀態(tài)得出M0.0線圈失電，其處于網(wǎng)絡(luò)3的對應(yīng)觸點(diǎn)恢復(fù)原來狀態(tài)，Q0.1因?yàn)闆]有能流經(jīng)過而滅掉。所以輸出的狀態(tài)是Q0.0亮，而Q0.1滅。特別注意的是：先亮的先滅，后亮的后滅，總體時(shí)間是一樣的，不會(huì)因?yàn)橄群蟮捻樞蚨煌?/p>

2 ?掃描順序研究價(jià)值分析

掃描順序的存在不但會(huì)出現(xiàn)如圖2所示的程序那樣產(chǎn)生先后順序，而且可能會(huì)影響輸出負(fù)載的正常驅(qū)動(dòng)，從而影響實(shí)際的工作。以PLC控制三相異步電動(dòng)機(jī)的星角降壓啟?？刂茷槔齺矸治觯斎胼敵雠渲萌绫?所示。設(shè)計(jì)要求為：點(diǎn)動(dòng)啟動(dòng)按鈕后，電機(jī)接觸器和星形接觸器得電吸合，電動(dòng)機(jī)以星形連接方式運(yùn)轉(zhuǎn)，3秒后星形接觸器失電斷開，角形接觸器得電吸合，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入角形連接方式運(yùn)行，整個(gè)運(yùn)行過程帶自鎖保護(hù)。點(diǎn)動(dòng)停止按鈕后電動(dòng)機(jī)停止工作，參考程序如圖3所示。

如果不考慮掃描周期的影響，點(diǎn)動(dòng)啟動(dòng)按鈕I0.4，電機(jī)接觸器Q0.0和星形接觸器Q0.1得電，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)3中的定時(shí)器開始計(jì)時(shí);3秒后網(wǎng)絡(luò)2的T37常閉觸點(diǎn)斷開導(dǎo)致星形接觸器Q0.1失電，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)4中T37的常開閉合導(dǎo)致角形接觸器Q0.2得電，電動(dòng)機(jī)順利地從星形運(yùn)轉(zhuǎn)變?yōu)榻切芜\(yùn)轉(zhuǎn)，完成設(shè)計(jì)要求。

但是，正是由于PLC特有的掃描順序，按照這個(gè)程序的設(shè)計(jì)方法，電動(dòng)機(jī)是不可能完成正常的星角降壓轉(zhuǎn)換的。電動(dòng)機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)到星形運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)這一步是沒有問題的，問題就出現(xiàn)在定時(shí)器計(jì)的當(dāng)前值計(jì)到30的那一個(gè)掃描周期。當(dāng)定時(shí)器計(jì)到時(shí)，對應(yīng)的觸點(diǎn)都要?jiǎng)幼鳎琍LC先掃描到的是其在網(wǎng)絡(luò)2中的常閉觸點(diǎn)，由于還沒有掃描到T37的指令盒，所以只能認(rèn)為常閉觸點(diǎn)還不具備斷開條件，即Q0.1依舊是得電狀態(tài)，這就使網(wǎng)絡(luò)4中Q0.1的常閉觸點(diǎn)一直處于打開狀態(tài)，與Q0.2形成互鎖，這個(gè)觸點(diǎn)不恢復(fù)狀態(tài)Q0.2是永遠(yuǎn)也不能得電的;當(dāng)PLC掃描到網(wǎng)絡(luò)3中定時(shí)器的常閉時(shí)，同網(wǎng)絡(luò)2一樣沒有變化，也就不會(huì)導(dǎo)致指令盒斷電;一直掃描到最右端發(fā)現(xiàn)定時(shí)器的當(dāng)前值等于設(shè)定值了，其所有對應(yīng)的觸點(diǎn)都要變化;與前兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)不同的是，網(wǎng)絡(luò)4中的T37常開要閉合，因?yàn)镼0.1的觸點(diǎn)處于打開狀態(tài)，能流不可以流到最后的線圈，所以Q0.2的線圈不得電。這個(gè)掃描周期輸出的結(jié)果是：Q0.0和Q0.1得電，Q0.2不得電。

當(dāng)下一個(gè)掃描周期到來時(shí)，網(wǎng)絡(luò)2中T37常閉斷開，Q0.1失電，其網(wǎng)絡(luò)4中對應(yīng)觸點(diǎn)恢復(fù)閉合狀態(tài);網(wǎng)絡(luò)3中的T37觸點(diǎn)也一樣會(huì)斷開，導(dǎo)致能流不能達(dá)到T37指令盒的使能端，使能端子斷開失電后會(huì)使所有的觸點(diǎn)狀態(tài)復(fù)原。之后的T37觸點(diǎn)都要恢復(fù)到原來的狀態(tài);網(wǎng)絡(luò)4中在上一個(gè)掃描周期剛剛閉合的T37觸點(diǎn)又恢復(fù)原來狀態(tài)了，網(wǎng)絡(luò)4沒有能流，Q0.2也就沒有得電。這個(gè)掃描周期輸出的結(jié)果是：Q0.0得電，Q0.1和Q0.2不得電。再下一個(gè)掃描周期到來時(shí)，由于T37的指令盒使能端斷開，所有對應(yīng)觸點(diǎn)恢復(fù)原來狀態(tài)，導(dǎo)致只有Q0.0輸出有電，其余輸出都沒電，此程序不能完成星角降壓的啟動(dòng)。

究其原因，凡是位置處在指令盒（或線圈）前面的觸點(diǎn)都比其會(huì)晚一個(gè)掃描周期動(dòng)作，而處在后面的觸點(diǎn)會(huì)在同一周期動(dòng)作，這就是不能同步的原因。要么都在前面，要么都在后面才能同時(shí)動(dòng)作，避免問題的出現(xiàn)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，把網(wǎng)絡(luò)3和網(wǎng)絡(luò)4交換位置之后的程序可以正確實(shí)現(xiàn)功能，因?yàn)樗械挠|點(diǎn)都在定時(shí)器指令盒的前面了，Q0.2線圈所在網(wǎng)絡(luò)中的T37觸點(diǎn)閉合和Q0.1觸點(diǎn)回復(fù)原狀是在一個(gè)掃描周期中進(jìn)行的，這就是Q0.2線圈得電的條件。

為了保證運(yùn)行的安全，星角降壓是必須要互鎖星形和角形兩個(gè)接觸器的。編程的初學(xué)者會(huì)可能會(huì)犯一個(gè)錯(cuò)誤，就是在圖3程序的基礎(chǔ)上去掉Q0.1的常閉觸點(diǎn)。這樣雖可以實(shí)現(xiàn)星角的切換，但是會(huì)使星角這兩個(gè)接觸器同時(shí)得電，肉眼不能看到同時(shí)得電的現(xiàn)象不代表在微小的時(shí)間段內(nèi)不發(fā)生該現(xiàn)象。如圖4所示，可加入新的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行驗(yàn)證。把星和角的常開觸點(diǎn)串聯(lián)，后面連接一個(gè)輸出Q0.3，并把它置位，運(yùn)行程序時(shí)就會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)輸出亮起來了，證明星角接觸器同時(shí)得電了，要避免此類危險(xiǎn)事情的發(fā)生。

3 ?結(jié)論

通過對電動(dòng)機(jī)星角降壓啟停控制這個(gè)實(shí)際問題進(jìn)行程序的編寫與研究，進(jìn)一步明確了PLC的工作原理和程序的掃描順序。掌握好PLC的程序掃描順序是一個(gè)從事工控編程者通往上層境界的必經(jīng)之路，否則會(huì)導(dǎo)致程序在運(yùn)行的過程中出現(xiàn)難以預(yù)料的結(jié)果，甚至出現(xiàn)安全問題。對PLC程序掃描順序的研究具有推廣價(jià)值。

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