2.2.3 PLC的工作過(guò)程

1.操作系統(tǒng)與用戶(hù)程序

CPU的操作系統(tǒng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)與具體的控制任務(wù)無(wú)關(guān)的PLC的基本功能。操作系統(tǒng)的任務(wù)包括處理暖啟動(dòng)、刷新過(guò)程映像輸入/輸出、調(diào)用用戶(hù)程序、檢測(cè)中斷事件和調(diào)用中斷組織塊、檢測(cè)和處理錯(cuò)誤、管理存儲(chǔ)器，以及處理通信任務(wù)等。

用戶(hù)程序包含處理具體的自動(dòng)化任務(wù)必需的所有功能。用戶(hù)程序由用戶(hù)編寫(xiě)并下載到CPU，用戶(hù)程序的任務(wù)包括：

1）檢查是否滿足暖啟動(dòng)需要的條件，例如限位開(kāi)關(guān)是否在正確的位置。

2）處理過(guò)程數(shù)據(jù)，例如用數(shù)字量輸入信號(hào)來(lái)控制數(shù)字量輸出信號(hào)，讀取和處理模擬量輸入信號(hào)，輸出模擬量值。

3）用OB（組織塊）中的程序?qū)χ袛嗍录龀龇磻?yīng)，例如在診斷錯(cuò)誤中斷組織塊OB82中發(fā)出報(bào)警信號(hào)，和編寫(xiě)處理錯(cuò)誤的程序。

2.CPU的工作模式

CPU有3種工作模式：RUN（運(yùn)行）、STOP（停止）與STARTUP（啟動(dòng)）。CPU面板上的狀態(tài)LED（發(fā)光二極管）用來(lái)指示當(dāng)前的工作模式，可以用編程軟件改變CPU的工作模式。

在STOP模式，CPU僅處理通信請(qǐng)求和進(jìn)行自診斷，不執(zhí)行用戶(hù)程序，不會(huì)自動(dòng)更新過(guò)程映像。上電后CPU進(jìn)入STAPTUP（啟動(dòng)）模式，進(jìn)行上電診斷和系統(tǒng)初始化，檢查到某些錯(cuò)誤時(shí)，將禁止CPU進(jìn)入RUN模式，保持在STOP模式。

在CPU內(nèi)部的存儲(chǔ)器中，設(shè)置了一片區(qū)域來(lái)存放輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的狀態(tài)，它們被稱(chēng)為過(guò)程映像輸入?yún)^(qū)和過(guò)程映像輸出區(qū)。從STOP模式切換到RUN模式時(shí)，CPU進(jìn)入啟動(dòng)模式，執(zhí)行下列操作（見(jiàn)圖2-5中各階段的符號(hào)）：

階段A復(fù)位過(guò)程映像輸入?yún)^(qū)（I存儲(chǔ)區(qū)）。

階段B用上一次RUN模式最后的值或替代值來(lái)初始化輸出。

階段C執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)啟動(dòng)OB，將非保持性M存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)塊初始化為其初始值，并啟用組態(tài)的循環(huán)中斷事件和時(shí)鐘事件。

階段D將外設(shè)輸入狀態(tài)復(fù)制到過(guò)程映像輸入?yún)^(qū)。

階段E（整個(gè)啟動(dòng)階段）將中斷事件保存到隊(duì)列，以便在RUN模式進(jìn)行處理。

階段F將過(guò)程映像輸出區(qū)（Q區(qū)）的值寫(xiě)到外設(shè)輸出。

啟動(dòng)階段結(jié)束后，進(jìn)入RUN模式。為了使PLC的輸出及時(shí)地響應(yīng)各種輸入信號(hào)，CPU反復(fù)地分階段處理各種不同的任務(wù)（見(jiàn)圖2-5中各階段的符號(hào)）：

階段①將過(guò)程映像輸出區(qū)的值寫(xiě)到輸出模塊。

階段②將輸入模塊處的輸入傳送到過(guò)程映像輸入?yún)^(qū)。

階段③執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)程序循環(huán)OB，首先執(zhí)行主程序OB1。

階段④進(jìn)行自診斷。

上述任務(wù)是按順序循環(huán)執(zhí)行的，這種周而復(fù)始的循環(huán)工作方式稱(chēng)為掃描循環(huán)。

在掃描循環(huán)的任意階段（階段⑤）處理中斷和通信，執(zhí)行中斷程序。

3.工作模式的切換

CPU模塊上沒(méi)有切換工作模式的模式選擇開(kāi)關(guān)，只能用STEP 7在線工具中的CPU操作面板（見(jiàn)圖6-26），或工具欄上的按鈕和按鈕，來(lái)切換STOP或RUN工作模式。也可以在用戶(hù)程序中用STP指令使CPU進(jìn)入STOP模式。

4.冷啟動(dòng)與暖啟動(dòng)

下載了用戶(hù)程序的塊和硬件組態(tài)后，下一次切換到RUN模式時(shí)，CPU執(zhí)行冷啟動(dòng)。冷啟動(dòng)時(shí)復(fù)位輸入，初始化輸出；復(fù)位存儲(chǔ)器，即清除工作存儲(chǔ)器、非保持性存儲(chǔ)區(qū)和保持性存儲(chǔ)區(qū)，并將裝載存儲(chǔ)器的內(nèi)容復(fù)制到工作存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器復(fù)位不會(huì)清除診斷緩沖區(qū)，也不會(huì)清除永久保存的IP地址。

冷啟動(dòng)之后，在下一次下載之前的STOP到RUN模式的切換均為暖啟動(dòng)。暖啟動(dòng)時(shí)所有非保持的系統(tǒng)數(shù)據(jù)和用戶(hù)數(shù)據(jù)被初始化，不會(huì)清除保持性存儲(chǔ)區(qū)。

暖啟動(dòng)不對(duì)存儲(chǔ)器復(fù)位，可以用在線與診斷視圖的“CPU操作面板”上的“MRES”按鈕（見(jiàn)圖6-26）來(lái)復(fù)位存儲(chǔ)器。

移除或插入中央模塊將導(dǎo)致CPU進(jìn)入STOP模式。

5.RUN模式CPU的操作

下面是RUN模式各階段任務(wù)的詳細(xì)介紹。

（1）寫(xiě)外設(shè)輸出

在掃描循環(huán)的第一階段，操作系統(tǒng)將過(guò)程映像輸出中的值寫(xiě)到輸出模塊并鎖存起來(lái)。梯形圖中某輸出位的線圈“通電”時(shí)，對(duì)應(yīng)的過(guò)程映像輸出位中的二進(jìn)制數(shù)為1。信號(hào)經(jīng)輸出模塊隔離和功率放大后，繼電器型輸出模塊中對(duì)應(yīng)的硬件繼電器的線圈通電，其常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，使外部負(fù)載通電工作。若梯形圖中某輸出位的線圈“斷電”，對(duì)應(yīng)的過(guò)程映像輸出位中的二進(jìn)制數(shù)為0。將它送到繼電器型輸出模塊，對(duì)應(yīng)的硬件繼電器的線圈斷電，其常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，外部負(fù)載斷電，停止工作。

可以用指令立即改寫(xiě)外設(shè)輸出點(diǎn)的值，同時(shí)將刷新過(guò)程映像輸出。

（2）讀外設(shè)輸入

在掃描循環(huán)的第二階段，讀取輸入模塊的輸入，并傳送到過(guò)程映像輸入?yún)^(qū)。外接的輸入電路閉合時(shí)，對(duì)應(yīng)的過(guò)程映像輸入位中的二進(jìn)制數(shù)為1，梯形圖中對(duì)應(yīng)的輸入點(diǎn)的常開(kāi)觸點(diǎn)接通，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)。外接的輸入電路斷開(kāi)時(shí)，對(duì)應(yīng)的過(guò)程映像輸入位中的二進(jìn)制數(shù)為0，梯形圖中對(duì)應(yīng)的輸入點(diǎn)的常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，常閉觸點(diǎn)接通。

可以用指令立即讀取數(shù)字量或模擬量的外設(shè)輸入點(diǎn)的值，但是不會(huì)刷新過(guò)程映像輸入。

（3）執(zhí)行用戶(hù)程序

PLC的用戶(hù)程序由若干條指令組成，指令在存儲(chǔ)器中按順序排列。讀取輸入后，從第一條指令開(kāi)始，逐條順序執(zhí)行用戶(hù)程序中的指令，包括程序循環(huán)OB調(diào)用FC和FB的指令，直到最后一條指令。

在執(zhí)行指令時(shí)，從過(guò)程映像輸入/輸出或別的位元件的存儲(chǔ)單元讀出其0、1狀態(tài)，并根據(jù)指令的要求執(zhí)行相應(yīng)的邏輯運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果寫(xiě)入相應(yīng)的過(guò)程映像輸出和其他存儲(chǔ)單元，它們的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而變化。

程序執(zhí)行過(guò)程中，各輸出點(diǎn)的值被保存到過(guò)程映像輸出，而不是立即寫(xiě)給輸出模塊。

在程序執(zhí)行階段，即使外部輸入信號(hào)的狀態(tài)發(fā)生了變化，過(guò)程映像輸入的狀態(tài)也不會(huì)隨之而變，輸入信號(hào)變化了的狀態(tài)只能在下一個(gè)掃描周期的讀取輸入階段被讀入。執(zhí)行程序時(shí)，對(duì)輸入/輸出的訪問(wèn)通常是通過(guò)過(guò)程映像，而不是實(shí)際的I/O點(diǎn)，這樣做有以下好處：

1）在整個(gè)程序執(zhí)行階段，各過(guò)程映像輸入點(diǎn)的狀態(tài)是固定不變的，程序執(zhí)行完后再用過(guò)程映像輸出的值更新輸出模塊，使系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定。

2）由于過(guò)程映像保存在CPU的系統(tǒng)存儲(chǔ)器中，訪問(wèn)速度比直接訪問(wèn)信號(hào)模塊快得多。

（4）通信處理與自診斷

在掃描循環(huán)的通信處理和自診斷階段，處理接收到的報(bào)文，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候?qū)?bào)文發(fā)送給通信的請(qǐng)求方。此外還要周期性地檢查固件和I/O模塊的狀態(tài)。

（5）中斷處理

事件驅(qū)動(dòng)的中斷可以在掃描循環(huán)的任意階段發(fā)生。有事件出現(xiàn)時(shí)，CPU中斷掃描循環(huán)，調(diào)用組態(tài)給該事件的OB。OB處理完事件后，CPU在中斷點(diǎn)恢復(fù)用戶(hù)程序的執(zhí)行。中斷功能可以提高PLC對(duì)事件的響應(yīng)速度。