1.2 PLC的工作原理

1.2.1 逻辑运算

在数字电路中，研究的是输入与输出之间的逻辑关系，所以在数字量控制系统中，变量仅有两种工作状态，即“1”和“0”两种相反的状态，这两种状态在PLC中可表示为高电平和低电平、继电器线圈通电和断电、触点的接通和断开。在波形图中，用高电平表示1状态，用低电平表示0状态。基本逻辑运算中，“与”、“或”、“非”的I/O关系见表1-1。

表1-1 逻辑运算关系

在PLC系统的逻辑变量分析中，可以采用继电器控制电路或梯形图实现“与”、“或”、“非”逻辑运算，如图1-4所示。例如用多个触点的串、并联电路实现复杂的逻辑运算，如图1-5所示。

图1-4 基本逻辑运算

a）与 b）或 c）非

图1-5 异步电动机控制电路

1.2.2 PLC的循环处理过程

PLC的工作方式是采用不断循环的顺序扫描工作方式，扫描工作过程除了执行用户程序外，在每次扫描工作过程中，还要完成内部处理、通信服务工作。即当PLC上电后，首先进行初始化处理，包括清除I/O口及内部辅助继电器、复位所有定时器、检查I/O单元的连接等。开始运行之后，执行用户程序。

如图1-6所示，PLC的整个扫描工作过程包括内部处理、通信服务、输入采样、程序执行、输出刷新五个阶段。整个过程扫描执行一遍所需的时间称为扫描周期。扫描周期与CPU运行速度、PLC硬件配置及用户程序长短有关，典型值为1～100ms。

在内部处理阶段，进行PLC自检，PLC每扫描一次，执行一次自诊断检查，检查内部硬件是否正常，对看门狗定时器（WDT）复位以及完成其他一些内部处理工作。如CPU、电池电压、程序存储器、I/O和通信等是否异常或出错，如检查出异常，CPU面板上的LED及异常继电器会接通，在特殊寄存器中会存入出错代码。当出现致命错误时，CPU被强制为停止（STOP）方式，所有的扫描便停止。

在通信服务阶段，PLC自诊断处理完成以后进入通信服务过程。首先检查有无通信任务，如有则调用相应进程，完成与其他设备的通信处理，并对通信数据作相应处理；然后进行时钟、特殊寄存器更新处理，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等工作。

当PLC处于运行（RUN）状态时，除完成内部处理和通信服务工作外，还要完成输入采样、程序执行、输出刷新工作；当PLC处于STOP状态时，只完成内部处理和通信服务工作。

PLC的扫描工作方式简单直观，便于程序的设计，并为可靠运行提供了保障。当PLC扫描到的指令被执行后，其结果马上就被后面将要扫描到的指令所利用，而且还可通过CPU内部设置的WDT来监视每次扫描是否超过规定时间，避免由于CPU内部故障使程序执行进入死循环。

当PLC处于RUN状态下正常运行时，它将不断重复扫描过程。分析上述扫描过程，如果对远程I/O、特殊模块和其他通信服务暂不考虑，这样扫描过程就只剩下“输入采样”、“程序执行”和“输出刷新”三个阶段。由于这三个阶段是PLC工作过程的重要过程。下面就对这三个阶段进行详细的分析。

1.输入采样阶段

PLC在输入采样阶段，首先对所有输入端点进行扫描，并将各输入状态存入相对应的输入映像寄存器中。然后，进入程序执行阶段和输出刷新阶段，在程序执行阶段，无论输入情况如何变化，输入映像寄存器中的内容将保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，输入映像寄存器才重新被写入输入端的新内容。所以一般来说，输入信号的宽度要大于一个扫描周期，否则很可能造成信号的丢失。

图1-6 PLC基本工作模式

由此可见，输入映像寄存器的数据完全取决于输入端子上各输入点在上一次输出刷新阶段的接通和断开状态。

2.程序执行阶段

根据PLC梯形图程序扫描原则，一般来说，PLC按从左到右、从上到下的步骤顺序执行程序。并根据采样到输入映像寄存器中的结果进行逻辑运算，并将运算结果再存入有关的元件映像寄存器中。元件映像寄存器的状态会随着程序执行过程而变化。

3.输出刷新阶段

程序执行完毕后，将输出映像寄存器中所有继电器的状态（接通/断开）转存到输出锁存器中，再通过输出端子和外部电源驱动外部负载。

由此可见，输出映像寄存器的数据取决于输出指令的执行结果，输出锁存器中的数据由上一次输出刷新阶段输出映像寄存器中的数据决定，而输出端子的接通和断开状态完全由输出锁存器决定。