1.4 PLC的工作原理

1.4.1 PLC的循环扫描工作过程

各种PLC都采用扫描工作方式，具体工作过程大同小异。下面以欧姆龙公司的小型机CP1为例，介绍PLC的工作过程。如图1-5a所示，PLC上电后，首先进行初始化，然后进入循环工作过程。一次循环过程可归纳为5个工作阶段，如图1-5b所示。一次循环所用的时间称为一个工作周期（或扫描周期），其长短与用户程序的长短以及PLC本身的性能有关，其数量级为ms级，典型值为几十ms。

图1-5 PLC工作流程图

各阶段完成的任务如下：

1）公共处理：进行硬件检查、用户程序内存检查和电池异常检查等。检查正常后，方可进行下面的操作。如果有异常情况，则根据错误的严重程度发出报警或停止PLC运行。

2）程序执行：在程序执行阶段，CPU按先左后右，先上后下的顺序对每条指令进行解释、执行，CPU从输入映像寄存器（每个输入继电器对应一个输入映像寄存器，其通/断状态对应1/0）和元件映像寄存器（即与各种内部继电器、输出继电器对应的寄存器）中读出各继电器的状态，根据用户程序给出的逻辑关系进行逻辑运算，运算结果再写入元件映像寄存器中。

3）扫描周期计算处理：若设定扫描周期为固定值（可由用户在PLC设置中设定），则进入等待循环，直到该固定值到，再往下进行。若设定扫描周期为不定的（即决定于用户程序的长短等，为不定值），不等待，接着进行扫描周期的计算。

4）I/O刷新：在此阶段，进行I/O刷新。输入刷新时，CPU从输入电路中读出各输入点状态，并将此状态写入输入映像寄存器中；输出刷新时，将输出继电器的元件映像寄存器的状态（1/0）传送到输出锁存电路，再经输出电路隔离和功率放大，驱动外部负载。

5）外围设备服务：包括USB端口通信、串行端口通信、存储盒访问，以及通信单元的链接服务等。

根据上述PLC的工作过程，可以得出从输入端子到输出端子的信号传递过程如图1-6所示。若输入端子外接开关状态有变化，则此变化反映到输入电路的输出端；在I/O刷新阶段，CPU从输入电路的输出端读出各路状态，并将其写入输入映像寄存器；在程序执行阶段，CPU从输入映像寄存器和元件映像寄存器中读出各继电器的状态，并根据此状态执行用户程序，执行结果再写入元件映像寄存器中；在紧接着的下一个I/O刷新阶段，将输出映像寄存器的状态写入输出锁存电路，再经输出电路传递到输出端子，从而控制外接器件动作。

图1-6 从输入到输出的信号传递过程

PLC的循环扫描工作方式也为PLC提供了一条死循环自诊断功能。PLC内部设置了一个监视定时器WDT，其定时时间可由用户设置为大于用户程序的扫描周期，PLC在每个扫描周期的公共处理阶段将监视定时器复位。在正常情况下，监视定时器不会动作，如果由于CPU内部故障使程序执行进入死循环，那么扫描周期将超过监视定时器的定时时间，这时监视定时器动作，运行停止，以示用户。

在循环扫描过程中，有时需要立即对某个信息进行处理，以加快响应速度，为此，PLC中引入中断功能，设有内置输入中断、定时中断、高速计数器中断、外部中断等，PLC在循环扫描的各个阶段都可以响应中断信号。

1.4.2 PLC的I/O滞后现象

PLC有很多优越特性，但也有不足之处，其中之一就是PLC的I/O有响应滞后现象。产生I/O滞后现象的原因主要有3个方面：

1）输入滤波器有时间常数。输入电路中的滤波器对输入信号有延迟作用，时间常数越大，延迟作用越大。

2）输出继电器有机械滞后。从输出继电器的线圈通电到其触点闭合有一段时间，这是输出电路的硬件参数，如CP1输出继电器的滞后时间为15ms。

3）PLC循环操作时，进行公共处理、I/O刷新和执行用户程序等产生扫描周期。

在图1-7a给出的梯形图中，从输入触点闭合到输出触点闭合有一段延迟时间，称为I/O响应时间。图1-7b为最小I/O响应时间，在I/O刷新阶段，输入信号已经在输入电路的输出端反映出来，CPU将其写入输入映像寄存器，经过程序执行后，结果在随后扫描周期的I/O刷新阶段被输出，在这种情况下，I/O响应时间最小，为输入ON时间、一个扫描周期和输出ON时间之和。图1-7c为最大I/O响应时间，在I/O刷新阶段刚结束，输入信号恰好在输入电路的输出端反映出来，由于错过了I/O刷新阶段，CPU不能读取，而要等到第一个扫描周期的I/O刷新阶段，才能被CPU写入输入映像寄存器，经过程序执行后，结果在第二个扫描周期的I/O刷新阶段被输出，在这种情况下，I/O响应时间最大，为输入ON时间、两个扫描周期和输出ON时间之和。

以CP1为例，I/O响应时间计算如下：

输入ON延时： 8ms（默认设置）

公共处理+I/O刷新时间： 2ms

程序执行时间： 14ms

输出ON延时： 15ms

最小I/O响应时间=8+（2+14）+15ms=39ms

最大I/O响应时间=8+（2+14）×2+15ms=55ms

由于PLC是在循环扫描的I/O刷新阶段才对I/O更新的，PLC这种集中输入、集中输出的刷新方式是造成输出滞后输入的原因之一。对一般工业控制设备来说，这些滞后现象是完全允许的。但某些场合下，需要输出对输入做出快速响应，PLC提供以下措施：

1）执行I/O刷新指令。CP1设置了I/O刷新指令IORF（97），在程序中执行该指令，可随时对指定的CPU单元内置的或扩展单元的I/O通道进行刷新，以缩短输出滞后输入的时间，提高I/O响应速度。

2）执行立即刷新指令。常用的输入指令是LD/LD NOT、AND-AND NOT和OR/OR NOT，常用的输出指令是OUT/OUT NOT，CP1为这些指令设置了立即刷新功能，执行时立即对指令所访问的CPU单元内置的I/O通道（字）进行刷新，刷新是以通道（字）为单位操作的，即刷新指定位时，对含该位的通道内的其他位也同时进行刷新。立即刷新指令如图1-8所示，包含！LD和！OUT，图中第一行执行时，先对PLC内置输入通道2所有的16位立即读入，然后进行逻辑运算；第二行执行时，在已更新的输入通道2的数据基础上，进行逻辑运算，将结果立即输出，这时内置输出通道100所有的16位一起被更新。

图1-7 I/O响应时间

图1-8 立即刷新指令