1.1.4 可编程序控制器的工作原理

1. 循环扫描工作方式

PLC既有继电器的工作特点，又具有微机的工作特点，而且还具有自己的特点，与继电器和微机不尽相同。

当PLC工作时，是通过执行反映控制要求的用户程序来完成控制任务的，需要执行多步操作，但PLC不能同时执行多步操作，它只能按分时操作(即串行工作)方式，每一次只执行一个操作，按顺序逐个执行。由于PLC的运算处理速度很快，因此从宏观上来看，PLC外部出现的结果似乎是同时(即并行)完成的。这种串行工作过程称为PLC的扫描工作方式。

用扫描工作方式执行用户程序时，扫描从第一条用户程序开始，在没有中断或跳转指令时，按程序存储顺序的先后，逐条执行用户程序，直到程序结束。然后又返回到第一条指令再次执行用户程序，这样不断地重复执行程序。

PLC的扫描工作方式与继电器控制的工作原理不同。继电器控制装置采用硬件逻辑的并行工作方式，如果某个继电器得电或失电，则其所有的动合触点和动断触点不论处在控制电路的哪个位置，都会立即动作；而PLC采用扫描工作方式(即串行工作方式)，如果某个软继电器得电或失电，则其所有的动合触点和动断触点不会立即动作，必须扫描到该触点时才会动作。但由于PLC的扫描速度快，因此PLC与继电器控制装置在I/O的处理结果上并没有差别。

2. PLC的扫描工作过程

除执行用户程序外，PLC在每次扫描工作过程中还要完成内部处理与自诊断，以及与外设进行通信服务工作。整个扫描工作过程包括内部处理与自诊断、与外设进行通信处理、输入采样、用户程序执行、输出刷新，如图1-1-4所示。

在内部处理与自诊断阶段，进行PLC自检，检查内部硬件是否正常，对监视定时器(WDT)复位以及完成其他一些内部处理工作。在与外设进行通信服务工作阶段，PLC与其他智能装置实现通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等。

当PLC处于停止(STOP)状态时，只执行前两个阶段，即只进行内部处理与自诊断，与外设进行通信处理；当PLC处于运行(RUN)状态时，除完成内部处理与自诊断、与外设进行通信服务工作外，还要完成输入采样、程序执行、输出刷新工作。

3. PLC执行程序的过程及特点

(1)PLC执行程序的过程(见图1-1-5)。

PLC对用户程序进行循环扫描可分3个阶段进行。

① 输入采样阶段。读入输入信号，对按钮、开关触点、传感器等输入端的输入状态进行采样，并存入输入映像寄存器中。此时输入映像寄存器被刷新。接着进入用户程序执行阶断，在用户程序执行阶段或其他阶段，即使输入状态发生变化，输入映像寄存器的内容也不会改变，输入状态的变化只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被采样到。

② 程序执行阶段。PLC按程序顺序进行扫描执行。若程序用梯形图表示，则总是按先上后下、先左后右的顺序，从用户程序的第0步开始，逐条扫描梯形图程序。当遇到程序跳转指令或中断指令时，则根据跳转或中断条件是否满足来决定是否跳转或中断。当指令中涉及输入、输出状态时，PLC从输入映像寄存器和输出映像寄存器中读入信号的状态，根据用户程序进行运算，运算的结果再存入输出映像寄存器中。在程序执行阶段，只有输入端在输出映像寄存器存放的输入采样值不会发生变化，而其他触点和输出继电器触点的状态和数据都有可能随着程序的执行而发生变化。对输出映像寄存器来说，其内容会随着程序执行的过程而变化。值得注意的是，由于PLC串行工作的特点，在程序执行过程中，上面逻辑行中线圈状态的改变，会对其下面逻辑行中对应的触点状态起作用，而排在下面逻辑行中线圈状态的改变，只有等到下一个扫描周期才会对其上面逻辑行中对应的触点状态起作用。当所有指令都扫描处理完后，即转入输出刷新阶段。

③ 输出刷新阶段。当所有程序执行完毕后，进入输出刷新阶段。PLC将输出映像寄存器中与输出有关的状态(输出继电器的状态)转存到输出锁存器中，刷新其内容，改变输出端子的状态，然后再通过输出驱动电路驱动被控外部设备(负载)。这才是PLC的实际输出，是一种集中输出方式。输出设备的状态要保持一个扫描周期。

输出给现场的受控元件包括电磁阀、电动机等执行机构和信号装置等。

(2)PLC执行程序的过程的特点。

① PLC在一个扫描周期内，对输入状态的采样只在输入采样阶段进行。当进入到程序执行阶段后输入端将被封锁，直到下一个扫描周期的输入采样阶段才对输入状态进行重新采样。该过程称为集中采样，即在一个扫描周期内，集中一段时间对输入状态进行采样。

② 在用户程序中，如果对输出结果多次赋值，只有最后一次有效。在一个扫描周期内，只在输出刷新阶段才将输出状态从输出映像寄存器中输出，对输出接口刷新。在其他阶段输出状态一直保存在输出映像寄存器中，称为集中输出。

③ 输出锁存器中的数据取决于上一个扫描周期输出刷新阶段存入的内容，而在输入采样和程序执行阶段，其内容不会发生变化。

④ 直接与外部负载连接的输出端子的状态取决于输出锁存器中的数据。

⑤ 从PLC输入端的输入信号发生变化到其输出端对该输入变化做出反应，需要一定的时间，这种现象称为I/O响应滞后。对一般工业控制而言，这种滞后是完全允许的。