3.6　PLC的工作原理

3.6.1　PLC的工作方式和運行框圖

眾所周知，繼電器控制系統是一種“硬件邏輯系統”，如圖3-7（a）所示，它的三條支路是并行工作的。當按下按鈕SB1時，中間繼電器K得電，K的兩個觸點閉合，接觸器KM1、KM2同時得電且并行動作，所以繼電器控制系統采用的是并行工作方式。

PLC是一種工業控制計算機，其工作原理建立在計算機工作原理基礎之上，即通過執行反映控制要求的用戶程序來實現，如圖3-7（b）所示。但是CPU是以分時操作方式來處理各項任務的，計算機在每一瞬間只能做一件事，所以程序的執行是按程序順序依次完成相應各電器的動作，所以它屬于串行工作方式。

概括而言，PLC是按集中輸入、集中輸出，周期性循環掃描的方式工作的。每一次掃描所用的時間稱為掃描周期或工作周期。CPU從執行第一條指令開始，按順序逐條地執行用戶程序，直到用戶程序結束；然后返回第一條指令，開始新一輪的掃描。PLC就是這樣周而復始地重復上述循環掃描的。

PLC工作的全過程可用圖3-8所示的運行框圖來表示。整個過程分為以下三個部分。

第一部分是上電處理。機器上電后，對PLC系統進行一次初始化，包括硬件初始化、I/O模塊配置檢查、停電保持范圍設定及其他初始化處理等。

第二部分是掃描過程。PLC上電處理完成以后進入掃描工作過程。先完成輸入處理，其次完成與其他外設的通信處理，再次進行時鐘、特殊寄存器更新。當CPU處于STOP方式時，轉入執行自診斷檢查。當CPU處于RUN方式時，還要完成用戶程序的執行和輸出處理，再轉入執行自診斷檢查。

第三部分是出錯處理。PLC每掃描一次，執行一次自診斷檢查，確定PLC自身的動作是否正常，如CPU、電池電壓、程序存儲器、I/O和通信等是否異?；虺鲥e。若檢查出異常，CPU面板上的LED及異常繼電器會接通，在特殊寄存器中會存入出錯代碼；當出現致命錯誤時，CPU被強制為STOP方式，所有的掃描停止。

PLC運行正常時，掃描周期的長短與CPU的運算速度、I/O點的情況、用戶應用程序的長短及編程情況等有關。通常用PLC執行1KB指令所需時間來說明其掃描速度（一般1～10ms/KB）。值得注意的是，對于不同指令，其執行時間是不同的，從零點幾微秒到上百微秒不等，故選用不同指令，所用的掃描時間不同。若用于高速系統，要縮短掃描周期，可從軟、硬件上同時考慮。

3.6.2　PLC的掃描工作過程

分析上述掃描過程，如果對過程I/O特殊模塊和其他通信服務暫不考慮，掃描過程就只剩下“輸入采樣”、“程序執行”和“輸出刷新”三個階段了。PLC典型的掃描周期如圖3-9所示（不考慮立即輸入、立即輸出情況）。

（1）輸入采樣階段

PLC在輸入采樣階段，首先掃描所有輸入端子，并將各輸入狀態存入相對應的輸入映像寄存器。此時，輸入映像寄存器被刷新。接著，進入程序執行階段。在此階段和輸入刷新階段，輸入映像寄存器與外界隔離，無論輸入信號如何變化，其內容保持不變，直到下一個掃描周期的輸入采樣階段，才重新寫入輸入端的新內容。所以一般來說，輸入信號的寬度要大于一個掃描周期，否則很可能造成信號丟失。

（2）程序執行階段

根據PLC梯形圖程序掃描原則，一般來說，PLC按從左至右、從上到下的順序執行程序。當指令中涉及輸入、輸出狀態時，PLC就從輸入映像寄存器中“讀入”對應的輸入端子狀態，從元件映像寄存器“讀入”對應元件（“軟繼電器”）的當前狀態。然后，進行相應的運算，運算結果存入元件映像寄存器。對元件映像寄存器來說，每一個元件（“軟繼電器”）的狀態會隨著程序執行過程而變化。

（3）輸出刷新階段

在所有指令執行完畢后，元件映像寄存器中所有輸出繼電器的狀態（接通/斷開）在輸出刷新階段轉存到輸出鎖存器中，通過一定方式輸出，最后經過輸出端子驅動外部負載。