2.3 PLC的工作原理

1.扫描技术

PLC是一种工业控制计算机，用户程序通过编程器输入并存放在PLC的用户存储器中。当PLC运行时，用户程序中有众多的操作需要去执行，但CPU是不能同时执行多个操作的，它只能按分时操作原理工作，即每一时刻只执行一个操作。由于CPU的运算处理速度很高，使得外部出现的结构从宏观上看好像是同时完成的。这种按分时原则，顺序执行程序的各种操作的过程称为CPU对程序的扫描。执行一次扫描的时间称为扫描周期。每扫描完一次程序就构成一个扫描周期，然后再返回第一条指令开始新的一轮扫描，PLC就是这样周而复始地重复上述的扫描周期。

PLC与继电器控制的重要区别之一就是工作方式不同，继电器控制是按“并行”方式工作的，或者说是同时执行的，只要形成电流通路，可能同时有好几个电器动作。而PLC是按顺序扫描的方式工作，也就是说PLC是以“串行”方式工作的。它是循环地、连续地顺序逐条执行程序，任一时刻它只能执行一条指令。PLC的这种串行工作方式可避免继电器控制的触点竞争和时序失配的问题。

值得说明的是：PLC的扫描除可按固定的顺序进行外，还可按用户程序规定的可变顺序进行。这不仅仅是因为有的程序不需要每扫描一次，执行一次，也因为在一个大型控制系统中，需要处理的I/O点数较多。通过不同的组织模块的安排，采用分时分批扫描的方法，可缩短扫描周期和提高控制的实时响应性。

2.PLC的工作过程

PLC是在系统软件的控制和指挥下，采用循环顺序扫描的方式工作的，其工作过程就是程序的执行过程，它分为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段，如图2-18所示。

图2-18 PLC的扫描工作过程

（1）输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描工作的方式读取所有输入状态和数据状态，并写入到输入映像寄存器中，此时，输入映像寄存器被刷新。接着进入程序执行阶段，在程序执行阶段或输出阶段，输入映像寄存器与外界隔离，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器的内容也不会随之改变。输入信号变化了的状态，只能在下一个扫描周期的输入采样阶段才被读入。换句话说，在输入采样阶段采样结束之后，无论输入信号如何变化，输入映像寄存器的内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入新的内容。

（2）程序执行阶段

在程序执行阶段，PLC逐条解释和执行程序。若是梯形图程序，则按先上后下、先左后右的顺序进行扫描（执行）。若遇到跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。在顺序执行程序时，所需要的输入状态由输入映像寄存器读出，所需要的其他软元件的状态从元件映像寄存器中读出，而将执行结果写入到元件映像寄存器中。对于每个软元件（输入继电器X除外）来说，元件映像寄存器中所存的内容会随着程序执行的进程而变化。

（3）输出刷新阶段

当所有的用户程序执行完后，集中将元件映像寄存器中的输出元件（即输出继电器）的状态（此状态存放在对应的输出映像寄存器中）转存到输出锁存寄存器中，经过输出模块隔离和功率放大，转换成被控设备所能接收的电压或电流信号后，再去驱动被控制的用户输出设备（即外部负载）。

PLC重复地执行上述三个阶段。每重复一次的时间即一个扫描周期。扫描周期的长短与用户程序的长短有关。

对于小型PLC，I/O点数较少，用户程序较短，采用集中采样、集中输出的工作方式，虽然在一定程度上降低了系统的响应速度，但从根本上提高了系统的抗干扰能力，系统的可靠性增强。而中、大型PLC由于I/O点数多、控制功能强，编制的用户程序相应较长。为提高系统响应速度，可以采用定周期输入采样、输出刷新，直接采样、直接输出刷新，中断I/O和智能化I/O接口等方式。

3.PLC对I/O的处理原则

根据上面分析的程序执行过程，可归纳出PLC在I/O处理方面必须遵守的规则如下：

1）输入映像寄存器的数据，取决于输入端子板在上一个刷新时间的状态。

2）程序如何执行，取决于用户所编的程序和输入映像寄存器、元件映像寄存器中存放的所需软元件的状态。

3）输出映像寄存器（包含在元件映像寄存器中）的状态，由输出指令的执行结果决定。

4）输出锁存器中的数据，由上一个刷新时间输出映像寄存器的状态决定。

5）输出端子上的输出状态，由输出锁存器中的状态决定。

4.PLC的I/O响应滞后现象

PLC的输出对输入的响应有一个时间滞后，其原因一般有以下两方面：

（1）软件方面

由于PLC是按输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段循环扫描工作的，执行程序需要一定时间，当程序执行完后，输出才有响应。

（2）硬件方面

除由于PLC的扫描工作方式引起的I/O滞后外，还有输入滤波器电路引起的滞后。此外，由于输出电路的开关元器件的导通需要一定时间（尤其是继电器输出方式，需要的时间较长），因此还存在输出继电器外部触点（硬触点）的机械运动等引起的响应滞后。

PLC总的响应滞后时间一般不超过几十毫秒。对于一般的系统是完全允许的。当要求输出对输入作快速响应时，可选用扫描速度快的PLC或采用其他措施。