7.2 PLC的结构、工作原理与特点

7.2.3 PLC的工作原理

　　PLC虽具有计算机的许多特点，但它的工作方式却与计算机有很大不同。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，有键按下或I/O动作，则转入相应的子程序。无键按下，则继续扫描。PLC则采用循环扫描的工作方式。

　　PLC运行时，用户程序中有众多的操作需要去执行，但CPU不能同时去执行多个操作，只能按分时操作原理每一时刻执行一个操作。由于CPU的运算速度很高，使得外部出现的结果从宏观来看似乎是同时完成的。这种分时操作的过程称为CPU对程序的扫描。

　　扫描从存储地址所存放的第一条用户程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按存储地址号递增的方向顺序逐条扫描用户程序，也就是按顺序逐条执行用户程序、直到程序结束。每扫描完一次程序就构成一个扫描周期，然后再从头开始扫描，并周而复始地重复。

　　如图7.7所示，PLC的工作过程分为：输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。

　　1. 输入采样阶段

　　当PLC开始周期工作时，控制器首先以扫描方式顺序读入所有的输入端的信号状态（1或0），并逐一存入输入状态寄存器。输入状态寄存器的位数与输入端子的数目相对应，因而输入状态寄存器又可称为输入映象寄存器。值得指出的是，PLC对输入元件的要求特别简单。例如某一按钮具有一动合—动断触头，对于PLC只须接入一动合（或一动断）触头。控制器根据该触头的状态即可判断按钮是否动作，而这一触头的状态可在程序中重复使用。这就可大大减少输入信号线的根数，同时也可简化元件的结构，对于提高可靠性、降低成本很有好处。

　　输入采样结束后转入程序执行阶段。在程序执行期间，即使输入状态变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，这些变化只能在下一工作用期的输入采样阶段才被读入。

　　2. 程序执行阶段

　　PLC的用户程序决定了输入信号与输出信号之间的具体关系。组成程序的每条指令都有顺序号，在PLC中称为步序号。指令按步序号依次存入存储单元。程序执行期间，在无跳转指令时，地址计数器顺序寻址，依次指向每个存储单元，控制器顺序执行这些指令。执行指令时先读入输入状态寄存器的状态，若程序中规定要读入某输出状态，也在此时从输出状态寄存器的某对应位读入，然后进行逻辑运算，运算结果存入输出状态寄存器。这就是说输出状态寄存器的内容，会伴随程序的执行而变化（由输出指令的执行结果所决定）。输出状态寄存器的位数与输出元件数目相对应，所以它又称为元件映象寄存器。

　　3. 输出刷新阶段

　　在所有的指令执行完毕后，输出状态寄存器中的状态（即输出继电器的状态）在输出刷新阶段转存到输出锁存器锁存，驱动输出线圈，形成PLC的实际输出。

　　在一个周期执行完后，地址计数器恢复到初始值，重复执行由以上三个阶段构成的工作周期。

　　虽然可以把PLC看成一个用微处理机实现的许多电子式继电器、定时器和计数器的组合体；不过需要注意的是PLC与继电器开关电路在动作顺序上的差别。对于继电器开关电路，全部继电器的动作可以看成是并行执行的，或者说是同时执行的，而PLC的电器动作是按程序或者说是串行，按周期重复执行的。这使得PLC的输出对于输入存在滞后，因此在进行PLC程序设计时，应充分注意它的周期工作方式。

　　总结PLC的工作原理，可得出如下PLC的输入、输出处理规则：

　(1) 输入状态寄存器的内容，由上一个输入采样期间输入端子的状态决定。

　(2) 输出状态寄存器的状态，由程序执行期间输出指令（OUT）的执行结果所决定，它是随程序执行而改变的。

　(3) 输出锁存电路的状态，由程序执行期间输出状态寄存器的最后状态来确定。

　(4) 输出端子板上各输出端的状态，由输出锁存电路来确定。

　(5) 程序如何执行。取决于输入输出状态寄存器的状态。