PLC的工作方式优化版：探秘PLC的工作原理

最初研制生产的PLC主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式是不相同的。

1）继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其动合触点或动断触点）在继电器控制线路相应的各个位置上都会立即同时动作。

2）PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，那么该线圈的所有触点（包括其动合触点或动断触点）不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。

为了消除两者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式——扫描技术。这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置在处理结果上就没有什么区别了。

由于PLC以微处理器为核心，故具有微型计算机的许多特点，但它的工作方式却与微型计算机有很多不同之处。微型计算机一般采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式，若有键按下或有I/O变化，则转入相应的子程序，若无则继续扫描等待；PLC则是采用循环扫描的工作方式。对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号作周期性的程序循环扫描。如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。扫描周期的长短主要取决于以下三个因素：一是CPU执行指令的速度；二是执行每条指令占用的时间；三是程序中指令条数的多少。

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期，在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

1.输入刷新阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式扫描所有输入端子，依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映像区中相应的单元内，此时输入映像存储器被刷新。输入采样结束后，将关闭输入端口，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，输入映像存储器与外界隔离，即使输入状态和数据发生变化，I/O映像区中相应单元的状态和数据也不会改变，而这些变化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。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期才能保证在任何情况下该输入均能被读入。

2.程序执行阶段(www.xing528.com)

在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制电路，然后按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制电路进行逻辑运算。当指令中涉及I/O状态时，PLC就从输入映像存储器“读入”上一阶段采入的对应输入端子状态，从映像存储器“读入”对应器件（“软继电器”）的当前状态。然后，进行相应的运算，根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映像区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映像区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映像区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

3.输出刷新阶段

当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容依次送到输出锁存电路（输出映像存储器），并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行器件工作，这才形成PLC的实际输出。

由此可见，输入刷新、程序执行和输出刷新三个阶段构成PLC的一个工作周期，由此循环往复，因此称为循环扫描工作方式。由于输入刷新阶段是紧接输出刷新阶段后马上进行的，所以亦将这两个阶段统称为I/O刷新阶段。实际上，除了执行程序和I/O刷新外，PLC还要进行各种错误检测（自诊断功能）并与编程工具通信，这些操作统称为“监视服务”，一般在程序执行之后进行。综上所述，PLC的扫描工作过程如图2-30所示。

图2-30 PLC的扫描工作过程

显然扫描周期的长短主要取决于程序的长短，扫描周期越长，响应速度越慢。由于每个扫描周期只进行一次I/O刷新，即每个扫描周期PLC只对I/O状态寄存器更新一次，所以系统存在I/O滞后现象，这在一定程度上降低了系统的响应速度。但是由于其对I/O的变化每个周期只输出刷新一次，并且只对有变化的进行刷新，这对一般的开关量控制系统来说是完全允许的，不但不会造成影响，还会提高抗干扰能力。这是因为输入采样阶段仅在输入刷新阶段进行，PLC在一个工作周期的大部分时间内是与外设隔离的，而工业现场的干扰常常是脉冲、短时间的，其误动作将大大减小。但是在快速响应系统中就会造成响应滞后现象，这个一般PLC都会采取高速模块。

总之，PLC采用扫描的工作方式是区别于其他设备的最大特点之一，在学习和使用PLC时都应加强注意。