1.3 PLC的工作原理與性能指標(biāo)

1.3.1 PLC的基本工作原理

一般來說，當(dāng)PLC開始運行后，其工作過程可以分為輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段。完成上述三個階段即稱為一個掃描周期，如圖1-1所示。

1.輸入采樣階段

PLC將各輸入狀態(tài)存入對應(yīng)的輸入映像寄存器中，此時，輸入映像寄存器被刷新，接著進入程序執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行階段或輸出刷新階段，輸入元件映像寄存器與外界隔絕，無論輸入信號如何變化，其內(nèi)容均保持不變，直到下一個掃描周期的輸入采樣階段才將輸入端的新內(nèi)容重新寫入。

2.程序執(zhí)行階段

PLC根據(jù)最新讀入的輸入信號，按先左后右、先上后下的順序逐行掃描，執(zhí)行一次程序。結(jié)果存入元件映像寄存器中。對于元件映像寄存器，每個元件（除輸入映像寄存器外）的狀態(tài)會隨著程序的執(zhí)行而發(fā)生變化。

3.輸出刷新階段

在所有指令執(zhí)行完畢后，輸出映像寄存器中所有輸出繼電器的狀態(tài)（“1”或“0”）在輸出刷新階段被轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，再通過一定的方式輸出驅(qū)動外部負(fù)載。

1.3.2 PLC的掃描工作方式

PLC的工作原理是建立在計算機工作原理基礎(chǔ)之上，即通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)的。PLC 控制器程序的執(zhí)行是按照程序設(shè)定的順序依次完成相應(yīng)的電器的動作，PLC采用不斷循環(huán)的順序掃描工作方式。每一次掃描所用的時間稱為掃描周期或工作周期。CPU從第一條指令執(zhí)行開始，按順序逐條地執(zhí)行用戶程序直到用戶程序結(jié)束，然后返回第一條指令，開始新的一輪掃描，PLC就是這樣周而復(fù)始地重復(fù)上述循環(huán)掃描。

如圖1-2所示，從第一條程序開始，在無中斷或跳轉(zhuǎn)控制的情況下，按照程序存儲的地址序號遞增的順序逐條執(zhí)行程序，即按順序逐條執(zhí)行程序，直到程序結(jié)束；然后再從頭開始掃描，并周而復(fù)始地重復(fù)進行。

PLC工作時的掃描過程包括5個階段：內(nèi)部處理、通信處理、輸入掃描、程序執(zhí)行、輸出處理。PLC完成一次掃描周期的時間長短與用戶程序的長短和掃描速度有關(guān)。

在內(nèi)部處理階段，CPU檢查內(nèi)部各硬件是否正常，在RUN模式下，還要檢查用戶程序存儲器是否正常，如果發(fā)現(xiàn)異常，則停機并顯示報警信息。

在通信處理階段，CPU自動檢測各通信接口的狀態(tài)，處理通信請求，如與編程器交換信息、與計算機通信等。在PLC中配置了網(wǎng)絡(luò)通信模塊時，PLC還將與網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)交換。

在PLC處于停機狀態(tài)時，只完成內(nèi)部處理和通信服務(wù)工作。當(dāng)PLC處于運行狀態(tài)時，除完成內(nèi)部處理和通信服務(wù)的操作外，還要完成輸入掃描、程序執(zhí)行和輸出處理。

1.3.3 PLC的輸入/輸出原則

根據(jù)PLC的工作原理和工作特點，可以歸納出PLC在處理輸入/輸出時的一般原則如下。

① 輸入映像寄存器的數(shù)據(jù)取決于輸入端子板上各輸入點在上一刷新周期的接通和斷開狀態(tài)。

② 程序執(zhí)行結(jié)果取決于用戶所編程序和輸入/輸出映像寄存器的內(nèi)容及其他各元件映像寄存器的內(nèi)容。

③ 輸出映像寄存器的數(shù)據(jù)取決于輸出指令的執(zhí)行結(jié)果。

④ 輸出鎖存器中的數(shù)據(jù)，由上一次輸出刷新期間輸出映像寄存器中的數(shù)據(jù)決定。

⑤ 輸出端子的接通和斷開狀態(tài)，由輸出鎖存器決定。

1.3.4 PLC的性能指標(biāo)

PLC目前相關(guān)產(chǎn)品種類繁多，廠家競爭激烈。用戶可以根據(jù)控制系統(tǒng)的要求來選擇不同技術(shù)性能指標(biāo)的PLC。PLC的技術(shù)性能指標(biāo)主要包括以下幾個。

1.I/O點數(shù)

PLC 的 I/O 點數(shù)是指外部輸入/輸出端子數(shù)量的總合，又稱主機的開關(guān)量 I/O 點數(shù)。I/O點數(shù)是描述PLC大小的一個重要參數(shù)。

2.存儲容量

PLC的存儲器由系統(tǒng)程序存儲器、用戶程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器三部分組成。PLC存儲容量通常是指用戶程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器容量之和，表示系統(tǒng)提供給用戶的可用資源。存儲容量是選擇PLC的一項重要技術(shù)指標(biāo)。

3.掃描速度

PLC采用循環(huán)掃描方式工作，掃描速度與掃描周期成反比。而影響掃描速度的主要因素除了用戶程序長度外，還取決于PLC產(chǎn)品的性能。PLC的CPU類型、字長等都直接影響PLC的運算精度和運行速度。因此，掃描速度也是選擇PLC的一項重要技術(shù)指標(biāo)。

4.指令系統(tǒng)

指令系統(tǒng)是指PLC所有指令的總和。PLC的編程指令越多，軟件功能就越強，但是掌握應(yīng)用也就越復(fù)雜。用戶應(yīng)根據(jù)實際控制要求來選擇合適的指令功能的PLC，并不是越強大越好，而應(yīng)本著適用的原則來選擇。

5.可擴展性

小型PLC的基本單元（主機）多為開關(guān)量I/O接口。各廠家在PLC基本單元的基礎(chǔ)上大量發(fā)展模擬量處理、高速處理、溫度控制、變頻器、通信等職能擴展模塊。廠家所能提供備選的職能擴展模塊多少及其性能也是衡量PLC產(chǎn)品性能的指標(biāo)之一。

6.通信功能

通信功能包括PLC之間的通信和PLC與計算機或其他設(shè)備之間的通信。通信主要涉及通信模塊、通信接口、通信協(xié)議和通信指令等內(nèi)容。PLC的組網(wǎng)通信能力也已成為衡量PLC產(chǎn)品性能的重要指標(biāo)之一。

7.基本物理性能指標(biāo)

基本物理性能指標(biāo)包括：PLC的外形尺寸、重量、保護等級、適用溫度、相對濕度、大氣壓等性能指標(biāo)參數(shù)。這些參數(shù)也是選擇PLC的重要指標(biāo)，選擇原則還是根據(jù)實際工程需要，本著適用的原則來選取。