3.6　PLC的工作原理

3.6.1　PLC的工作方式和运行框图

众所周知，继电器控制系统是一种“硬件逻辑系统”，如图3-7（a）所示，它的三条支路是并行工作的。当按下按钮SB1时，中间继电器K得电，K的两个触点闭合，接触器KM1、KM2同时得电且并行动作，所以继电器控制系统采用的是并行工作方式。

PLC是一种工业控制计算机，其工作原理建立在计算机工作原理基础之上，即通过执行反映控制要求的用户程序来实现，如图3-7（b）所示。但是CPU是以分时操作方式来处理各项任务的，计算机在每一瞬间只能做一件事，所以程序的执行是按程序顺序依次完成相应各电器的动作，所以它属于串行工作方式。

图3-7　PLC控制系统与继电器控制系统的比较

概括而言，PLC是按集中输入、集中输出，周期性循环扫描的方式工作的。每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。CPU从执行第一条指令开始，按顺序逐条地执行用户程序，直到用户程序结束；然后返回第一条指令，开始新一轮的扫描。PLC就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。

PLC工作的全过程可用图3-8所示的运行框图来表示。整个过程分为以下三个部分。

图3-8　PLC运行框图

第一部分是上电处理。机器上电后，对PLC系统进行一次初始化，包括硬件初始化、I/O模块配置检查、停电保持范围设定及其他初始化处理等。

第二部分是扫描过程。PLC上电处理完成以后进入扫描工作过程。先完成输入处理，其次完成与其他外设的通信处理，再次进行时钟、特殊寄存器更新。当CPU处于STOP方式时，转入执行自诊断检查。当CPU处于RUN方式时，还要完成用户程序的执行和输出处理，再转入执行自诊断检查。

第三部分是出错处理。PLC每扫描一次，执行一次自诊断检查，确定PLC自身的动作是否正常，如CPU、电池电压、程序存储器、I/O和通信等是否异常或出错。若检查出异常，CPU面板上的LED及异常继电器会接通，在特殊寄存器中会存入出错代码；当出现致命错误时，CPU被强制为STOP方式，所有的扫描停止。

PLC运行正常时，扫描周期的长短与CPU的运算速度、I/O点的情况、用户应用程序的长短及编程情况等有关。通常用PLC执行1KB指令所需时间来说明其扫描速度（一般1～10ms/KB）。值得注意的是，对于不同指令，其执行时间是不同的，从零点几微秒到上百微秒不等，故选用不同指令，所用的扫描时间不同。若用于高速系统，要缩短扫描周期，可从软、硬件上同时考虑。

3.6.2　PLC的扫描工作过程

分析上述扫描过程，如果对过程I/O特殊模块和其他通信服务暂不考虑，扫描过程就只剩下“输入采样”、“程序执行”和“输出刷新”三个阶段了。PLC典型的扫描周期如图3-9所示（不考虑立即输入、立即输出情况）。

图3-9　PLC扫描工作过程

（1）输入采样阶段

PLC在输入采样阶段，首先扫描所有输入端子，并将各输入状态存入相对应的输入映像寄存器。此时，输入映像寄存器被刷新。接着，进入程序执行阶段。在此阶段和输入刷新阶段，输入映像寄存器与外界隔离，无论输入信号如何变化，其内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输入端的新内容。所以一般来说，输入信号的宽度要大于一个扫描周期，否则很可能造成信号丢失。

（2）程序执行阶段

根据PLC梯形图程序扫描原则，一般来说，PLC按从左至右、从上到下的顺序执行程序。当指令中涉及输入、输出状态时，PLC就从输入映像寄存器中“读入”对应的输入端子状态，从元件映像寄存器“读入”对应元件（“软继电器”）的当前状态。然后，进行相应的运算，运算结果存入元件映像寄存器。对元件映像寄存器来说，每一个元件（“软继电器”）的状态会随着程序执行过程而变化。

（3）输出刷新阶段

在所有指令执行完毕后，元件映像寄存器中所有输出继电器的状态（接通/断开）在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一定方式输出，最后经过输出端子驱动外部负载。