详解PLC的工作原理

PLC 采用循环扫描工作方式，当 PLC 投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映像区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映像区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映像区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，完成一个扫描周期。如此循环，直到停止运行，如图 7.15 所示。每个扫描过程顺序分为 3个阶段，每重复一次就是一个扫描周期。

图7.15 循环扫描工作方式

1.输入采样阶段

这一阶段也称输入刷新阶段，即 PLC 以扫描方式按顺序先将所有输入端的信号状态读入输入状态寄存器(输入器映像区)。输入采样结束后，即使输入信号状态发生改变，输入状态寄存器(输入器映像区)中的相应内容也不会发生改变。

2.程序执行阶段

PLC将按梯形图从上至下、从左到右的顺序，对由各种继电器、定时器、计数器等的接点构成的梯形图控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新输出继电器或系统内部继电器的状态。

3.输出刷新阶段

当所有的指令执行完毕时，PLC输出状态寄存器(输出器映像区)中所有状态通过输出电路输出驱动用户输出设备(负载)，也就是PLC的输出刷新阶段。输出刷新后，PLC再次执行输入采样，开始一个新的扫描周期。

图7.16所示为继电器控制：用一个按钮开关SB1(输入信号)控制3个输出量：KM1、KM2、KM3。电路中KM2与KM3具有相同的响应速度(SB1闭合→KM1接通→KM2、KM3同时接通)。

用PLC做成同样的控制梯形图，用一个输入信号I0.0控制3个输出量：Q0.1、Q0.2、Q0.3，如图7.17所示。以3个扫描周期(如图7.18所示)说明控制过程中输出的滞后问题：

图7.16 继电器控制

图7.17 PLC控制梯形图

图7.18 扫描周期分析

第一个周期：输入信号还未进入映像区，I0.0输入映像寄存器中的状态为“OFF”，所有输出Q0.1、Q0.2、Q0.3当然均为“OFF”。

第二个周期：在输入采样阶段，I0.0 输入信号进入映像区，I0.0输入映像寄存器中的状态变为“ON”。由于先扫描到 Q0.2 时，Q0.1尚处在断开状态，所以 Q0.2=“OFF”;而在第二周期中，Q0.1 在输出映像寄存器中的状态在程序执行后变为“ON”，所以，后扫描的Q0.3在其输出映像寄存器中的状态也变为“ON”。这样，第二周期的结果为：输出端子Q0.2=“OFF”，Q0.1=Q0.3=“ON”。

第三个周期：由于Q0.1在其输出映像寄存器中的状态已为“ON”，此时Q0.2才能接通为“ON”。

显然，Q0.2的响应滞后Q0.3一个扫描周期，在输入条件为“ON”时，Q0.2的输出延迟响应。若在梯形图中，将Q0.2和Q0.3互换位置，则执行结果使Q0.3的响应滞后于Q0.2一个扫描周期。

实际上，输入输出滞后现象除了与上述PLC的“集中输入刷新，顺序扫描工作方式”有关，还与输入滤波器的时间常数以及输出继电器机械滞后有关。对于一般工业控制设备，这些滞后现象是完全允许的。但对于有些设备，需要I/O迅速响应的，则应采用快速响应模块、高速计数模块及中断处理，并且编制程序应尽量简捷，选择扫描速度快的PLC机种，从而减少滞后时间。