PLC的基本工作原理

    要熟练地应用PLC，首先要理解PLC的工作原理，只有理解了PLC的工作原理，才能理解和分析PLC程序的执行过程。    一、PLC的扫描工作方式    PLC有运行(RUN)和停止(STOP)两种基本的工作模式。当处于停止工作模式时，PLC只进行内部处理和通信服务等内容；当处于运行工作模式时，PLC要进行从内部处理、通信服务、输入处理、程序处理、输出处理，然后按上述过程循环扫描工作。在运行模式下，PLC通过反复执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是不断地重复执行，直至PLC断电或切换至STOP工作模式。    除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，PLC还要完成内部处理、通信服务等工作。当PLC运行时，一次循环可分为以下5个阶段：内部处理、通信服务、输入处理、程序处理和输出处理，如图1-1所示。PLC的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。当然，由于PLC执行指令的速度极快，所以从输入与输出关系来看，处理过程似乎是同时完成的，但严格地说，是有时间差异的。
    图1-1    PLC工作流程图    1．内部处理阶段    在内部处理阶段，PLC检查CPU内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些其他内部工作。    2．通信服务阶段    在通信服务阶段，PLC与其他的设备通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。当PLC处于停止模式时，只执行内部处理和通信服务两个阶段的操作；当PLC处于运行模式时，还要完成另外3个阶段的操作。    3．输入处理阶段    输入处理又叫输入采样。在PLC的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器。PLC的其他元件如M等也有对应的映像存储区，统称为元件映像寄存器。外部输入电路接通时，对应的输入映像寄存器为ON状态，则梯形图中对应的输入继电器的触点动作，即动合触点接通，动断触点断开。外部输入电路断开时，对应的输入映像寄存器为OFF状态，则梯形图中对应的输入继电器的触点保持原状态，即动合触点断开，动断触点闭合。    在输入处理阶段，PLC顺序读入所有输入端子的通断状态，并将读入的信息存入到输入映像寄存器中。此时，输入映像寄存器被刷新。接着进入程序处理阶段，在程序处理时，输入映像寄存器与外界隔离，此时即使有输入信号发生变化，其映像寄存的内容也不会发生改变，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入。    4．程序处理阶段    根据PLC梯形图程序扫描原则，按先左后右、先上后下的顺序，逐行逐句扫描，执行程序。但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。当用户程序涉及输入／输出状态时，PLC从输入映像寄存器中读取上一阶段输入处理时对应输入继电器的状态，从输出映像寄存器中读取对应输出继电器的状态，根据用户程序进行逻辑运算，运算结果存人有关元件寄存器中。因此，输出映像寄存器中所寄存的内容，会随着程序执行过程而变化。   5．输出处理阶段    在输出处理阶段，CPU将输出映像寄存器的ON/OFF状态传送到输出锁存器。梯形图中某一输出继电器的线圈接通时，对应的输出映像寄存器为ON状态。信号经输出单元隔离和功率放大后，继电器型输出单元中对应的硬件继电器的线圈通电，其动合触点闭合，使外部负载通电工作。若梯形图中输出继电器的线圈断开，对应的输出映像寄存器为OFF状态，在输出处理阶段之后，继电器输出单元中对应的硬件继电器的线圈断电，其动合触点断开，外部负载断开。
    图1-2    PLC扫描工作过程    PLC的输入处理、程序执行和输出处理的工作方式如图1-2所示。在图中X0、X1、X2为PLC接收外部信号的输入继电器，M0为辅助继电器，Y0、Y1、Y2等为PLC用来控制外部负载的输出继电器。在输入处理阶段，PLC把X0、X1、X2等外部输入端子的状态存入输入映像寄存器中保存。然后进入程序处理阶段，在该阶段，PLC会执行程序，需用到X0的状态时，会从输入映像寄存器中调用输入处理阶段保存的X0的状态，来进行逻辑运算，从而得到Y0等元件线圈是否接通，然后再把Y0等状态存入输出映像寄存器中。之后进入输出处理阶段，在此阶段，PLC将Y0、Y1等各输出继电器在输出映像寄存器中的ON或OFF状态对外进行输出。    由于PLC是以扫描方式工作的，在程序执行阶段即使输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器的内容也不会改变，只有等到一个周期的输入处理阶段才能改变。暂存在输出映像寄存器中的输出信号要等到一个循环周期结束，CPU集中将这些输出信号全部输送给输出锁存器。由此可见，全部输出状态的刷新，需要一个扫描周期。    二、扫描周期    PLC在RUN工作模式时，执行一次扫描操作所需的时间称为扫描周期，其典型值为1～100ms。扫描周期与用户程序的长短和CPU执行指令的速度有关。    三、输入／输出滞后时间    输入／输出滞后时间又称为系统响应时间，是指PLC的外部输入信号发生变化的时刻到它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔。它由输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间这三部分组成。