1.3 PLC的工作原理

1.3.1 PLC的等效工作電路

為了便于說明PLC的工作原理，對于開關量順序控制（邏輯運算）的PLC，可以利用如圖1-8所示的等效繼電器控制電路進行描述。

在等效工作電路圖中，PLC可以分為輸入電路、內部控制電路與輸出電路三部分。其中，輸入電路代表實際PLC的輸入接口電路、輸出采樣、輸入緩沖等部分；內部控制電路代表實際PLC的控制程序執行過程；輸出電路代表實際PLC的輸出接口電路、輸出刷新、輸出緩沖等部分。

值得注意的是，圖1-8所示的電路僅是為了說明PLC工作原理而“虛擬”的等效工作電路，實際PLC的內部組成電路、I/O連接方式、I/O接口等硬件均與此不同，如實際PLC中并不存在圖1-8中的I0.0～I0.7等“輸入繼電器”。

（1）輸入電路

輸入電路由外部輸入信號、PLC輸入接線端子、等效輸入繼電器三部分組成。外部輸入信號包括各類按鈕、轉換開關、行程開關、接近開關、光電開關等。外部輸入信號經PLC的輸入接線端與輸入繼電器連接（事實上PLC內部無這些輸入繼電器，它們相當于實際PLC中的“輸入映像”）。每個輸入繼電器與輸入信號一一對應，當外部輸入為“1”時，輸入繼電器“線圈”得電，內部控制電路中對應的輸入觸點“吸合”。

在實際PLC中，由于“輸入映像”可以在程序中進行無限次使用，因此，應認為等效電路中的輸入繼電器觸點也是無限的，它們同樣可以在內部控制電路中無限次使用。此外，由于在用戶程序中，絕大部分PLC都不允許將輸入信號地址作為PLC程序中的“輸出”，因此，假設輸入繼電器也同樣不可以用內部控制電路進行驅動，即等效電路中的輸入繼電器只能受外部輸入信號的控制，在內部控制電路中只能使用它們的“觸點”。

（2）輸出電路

輸出電路由內部輸出觸點、PLC輸出接線端子、輸出執行元件三部分組成。輸出執行元件包括各種電磁閥線圈、接觸器、信號指示燈等。內部輸出觸點經PLC的輸出接線端子與輸出執行元件連接，每個輸出觸點與內部控制電路中的輸出線圈一一對應，當輸出線圈為“1”時，輸出觸點接通（即相當于繼電器控制線路中的“常開”觸點），且每一輸出線圈只能有一個用于驅動外部執行元件的觸點。

在實際PLC中，輸出觸點的輸出形式與連接方式取決于PLC輸出的類型，它們可以是繼電器的觸點，也可以是其他形式的輸出，如晶體管、雙向晶閘管等；觸點連接可以是如圖1-8所示的共用公共端形式，也可以是每一觸點單獨輸出或者8輸出觸點共用一個公共端。同時，由于在PLC程序中“輸出映像”不僅可以作為輸出線圈驅動實際輸出，而且在程序中可以作為“觸點”無限次使用。因此，應假設等效輸出電路中的輸出觸點，對于外部只能連接一個執行元件，但在內部控制電路中卻可無限次使用。

（3）內部控制電路

內部控制電路由PLC用戶控制程序轉化而來，它將PLC程序中的順序控制邏輯轉化成了普通的繼電器控制電路。誠然，在實際PLC工作時，這兩者事實上存在一些不同，但它與說明PLC工作原理無關。

在等效內部控制電路中，PLC的定時器、計數器同樣可以用繼電器控制電路的時間繼電器、計數器進行等效，但其使用比實際時間繼電器、計數器更加靈活，可以對計時、計數的實際值進行即時檢查，且精度更高、范圍更大。

此外，在PLC程序中還大量使用了PLC標志寄存器，在等效電路里，它們除不可以用來驅動外部執行元件外，其余與輸出繼電器完全相同。

1.3.2 PLC的工作原理

（1）建立I/O映像區

在PLC存儲器內開辟了I/O映像區。I/O映像區的大小由PLC的程序決定，對于系統的一個輸入點總有輸入映像區的某一位與之相對應。對于系統的每一個輸出點都有輸出映像區的某一位與之相對應。系統I/O點的編址號與I/O映像區的映像寄存器地址號相對應。PLC工作時，將采集到的輸入信號狀態存放在輸入映像區對應的位上，將運算結果存放到輸出映像區對應的位上。PLC在執行用戶程序時所需“輸入繼電器”、“輸出繼電器”的數據取自I/O映像區，而不直接與外部設備發生關系。

I/O映像區的建立，使PLC在工作時只和內存有關的地址單元所存儲的信息狀態發生關系，而系統輸出也只給內存某一地址單元設定一個狀態，這樣不僅加快了程序執行速度，而且還使控制系統與外界隔開，提高了系統的抗干擾能力，同時控制系統遠離實際控制對象，為硬件標準化生產創造了條件。

（2）循環掃描工作方式

PLC控制任務的完成是在其硬件的支持下，通過執行反映控制要求的用戶程序來實現的，這一點和計算機相同。但計算機與PLC的工作方式有所不同。計算機一般采用等待命令工作方式，如常見的鍵盤掃描或I/O掃描方式，當鍵盤按下或I/O口有信號時，產生中斷，轉入相應子程序。而PLC確定了工作任務，裝入了專用程序成為一種專用機，它采用循環掃描的工作方式，系統工作任務管理及用戶程序的執行都通過循環掃描的方式來完成。

PLC加電后，在系統程序的監控下，一直在周而復始地進行巡回掃描，執行由系統軟件規定好的任務。即對整個程序采用巡回執行的工作方式，就是說用戶程序的執行不是從頭到尾只執行一次，而是執行一次以后，又返回去執行第二次、第三次……直到停機。因此，PLC可以被看成是在系統軟件支持下的一種掃描設備。PLC的工作過程如圖1-9所示。

①內部處理。在該內部處理階段，CPU檢測主機硬件，同時也檢查所有的I/O模塊的狀態。在RUN方式下，還檢測用戶程序存儲器。如果發現異常，則停機并顯示出錯信息。如果診斷正常，則繼續向下掃描。

② 通信處理。在CPU通信處理階段，CPU自動監測并處理各通信接口接收到的任何信息，即檢查是否有編程器、計算機、終端設備、顯示器、打印機等的通信請求，若有則進行相應的處理。在通信處理階段完成數據通信任務。

③ 執行用戶程序。PLC在運行狀態下，每一個掃描周期都要執行用戶程序。執行用戶程序時，是以掃描的方式按順序對語句進行逐條掃描處理的，掃描一條執行一條，并把運算結果存入輸出映像區的對應位中。

④ 輸入、輸出信息處理。PLC在運行狀態下，每一個掃描周期都要進行輸入、輸出信息處理。以掃描的方式把外部輸入信號的狀態存入輸入映像區；將運算處理后的結果存入輸出映像區，直至傳送到外部被控設備。

PLC周而復始地巡回掃描，執行上述過程，直至停機。

（3）用戶程序的掃描過程

PLC的工作過程與CPU的操作方式有關。CPU有兩種操作方式：STOP方式和RUN方式。在掃描周期內，STOP方式和RUN方式的主要差別在于：RUN方式執行用戶程序，而STOP方式不執行用戶程序。PLC對用戶程序進行循環掃描可分為三個階段，即輸入采樣階段、程序執行階段和輸出刷新階段，如圖1-10所示。

① 輸入采樣階段。PLC用掃描方式把所有輸入端的外部輸入信號的通/斷（ON/OFF）狀態一次寫入到輸入映像寄存器（或稱輸入狀態寄存器）中，此時輸入映像寄存器被刷新。這一過程稱為采樣。在本周期內，這個采樣結果的內容不會改變，而且這個采樣結果在CPU執行程序時被使用。在程序執行階段或輸出階段，輸入映像寄存器與外界隔離，即使外部輸入信號的狀態發生了變化，輸入映像寄存器的內容也不會隨之改變。輸入信號變化了的狀態，只是在下一個掃描周期的輸入采樣階段才能被讀入。也就是說，在輸入采樣階段采樣結束之后，無論輸入信號如何變化，輸入映像寄存器的內容保持不變，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狀態（或信息）。

②程序執行階段。PLC按順序對程序進行掃描，即從上到下、從左到右地掃描每條指令，并分別從輸入映像寄存器、內部元件寄存器（內部繼電器、定時器、計數器等）和輸出映像寄存器中獲得所需的數據進行運算、處理，再將程序執行的結果寫入寄存執行結果的輸出映像寄存器中保存。但這個結果在整個程序未執行完畢之前不會送到輸出端口上。這就是說，反映各輸出元件狀態的輸出元件映像寄存器所儲存的內容，會隨著程序執行的進程而變化，當所有程序全部執行完畢后，輸出元件映像寄存器的內容最后就固定下來。

這里要充分注意，當執行控制程序時，如果程序要求某個輸出繼電器動作，此時這個動作要求并沒有直接實時地傳送到該繼電器，而只是將輸出映像寄存器中代表該繼電器的對應位置設置為“1”，等待所有程序段都執行完畢后，才將全部程序執行后產生的輸出結果（輸出映像寄存器的內容）一次送到輸出鎖存器。PLC的這種工作方式同一般單純用硬件組成的控制電路或由控制計算機組成的控制電路是不同的。

③ 輸出刷新階段。當所有的用戶程序執行完后，PLC將元件映像寄存器中的輸出元件（即輸出繼電器）的狀態（此狀態存放在對應的輸出映像寄存器中）轉存到輸出鎖存寄存器中，經過輸出模塊隔離和功率放大，轉換成被控設備所能接收的電壓或電流信號后，再去驅動被控制的用戶設備（即外部負載）。

PLC重復執行上述三個階段，每重復一次的時間即為一個掃描周期，用符號T表示。PLC在一個掃描周期中，輸入掃描和輸出刷新的時間一般為4ms左右，而程序執行時間可因程序的長度不同而不同。PLC的一個掃描周期一般在40～100ms。掃描周期的長短與用戶程序的長短有關。

PLC工作的主要特點是輸入信號集中批處理、執行過程集中批處理和輸出控制集中批處理。PLC的這種“串行”工作方式，可以避免繼電接觸器控制系統中觸點競爭和時序失配的問題，并增強系統抗干擾能力。由于干擾常常是脈沖式的、短時的，只要PLC不是正好工作在輸入刷新階段，就不會受到干擾的影響。因此，瞬間干擾所引起的誤動作將會大大減少，從而增加了系統的抗干擾能力。這是PLC可靠性高的原因之一，但是這種工作方式對于要求快速響應的控制系統引起輸入在時間上的滯后，這也是PLC的缺點之一。