1.4 PLC的工作原理

1.4.1 PLC的循環掃描工作過程

各種PLC都采用掃描工作方式，具體工作過程大同小異。下面以歐姆龍公司的小型機CP1為例，介紹PLC的工作過程。如圖1-5a所示，PLC上電后，首先進行初始化，然后進入循環工作過程。一次循環過程可歸納為5個工作階段，如圖1-5b所示。一次循環所用的時間稱為一個工作周期（或掃描周期），其長短與用戶程序的長短以及PLC本身的性能有關，其數量級為ms級，典型值為幾十ms。

圖1-5 PLC工作流程圖

各階段完成的任務如下：

1）公共處理：進行硬件檢查、用戶程序內存檢查和電池異常檢查等。檢查正常后，方可進行下面的操作。如果有異常情況，則根據錯誤的嚴重程度發出報警或停止PLC運行。

2）程序執行：在程序執行階段，CPU按先左后右，先上后下的順序對每條指令進行解釋、執行，CPU從輸入映像寄存器（每個輸入繼電器對應一個輸入映像寄存器，其通/斷狀態對應1/0）和元件映像寄存器（即與各種內部繼電器、輸出繼電器對應的寄存器）中讀出各繼電器的狀態，根據用戶程序給出的邏輯關系進行邏輯運算，運算結果再寫入元件映像寄存器中。

3）掃描周期計算處理：若設定掃描周期為固定值（可由用戶在PLC設置中設定），則進入等待循環，直到該固定值到，再往下進行。若設定掃描周期為不定的（即決定于用戶程序的長短等，為不定值），不等待，接著進行掃描周期的計算。

4）I/O刷新：在此階段，進行I/O刷新。輸入刷新時，CPU從輸入電路中讀出各輸入點狀態，并將此狀態寫入輸入映像寄存器中；輸出刷新時，將輸出繼電器的元件映像寄存器的狀態（1/0）傳送到輸出鎖存電路，再經輸出電路隔離和功率放大，驅動外部負載。

5）外圍設備服務：包括USB端口通信、串行端口通信、存儲盒訪問，以及通信單元的鏈接服務等。

根據上述PLC的工作過程，可以得出從輸入端子到輸出端子的信號傳遞過程如圖1-6所示。若輸入端子外接開關狀態有變化，則此變化反映到輸入電路的輸出端；在I/O刷新階段，CPU從輸入電路的輸出端讀出各路狀態，并將其寫入輸入映像寄存器；在程序執行階段，CPU從輸入映像寄存器和元件映像寄存器中讀出各繼電器的狀態，并根據此狀態執行用戶程序，執行結果再寫入元件映像寄存器中；在緊接著的下一個I/O刷新階段，將輸出映像寄存器的狀態寫入輸出鎖存電路，再經輸出電路傳遞到輸出端子，從而控制外接器件動作。

圖1-6 從輸入到輸出的信號傳遞過程

PLC的循環掃描工作方式也為PLC提供了一條死循環自診斷功能。PLC內部設置了一個監視定時器WDT，其定時時間可由用戶設置為大于用戶程序的掃描周期，PLC在每個掃描周期的公共處理階段將監視定時器復位。在正常情況下，監視定時器不會動作，如果由于CPU內部故障使程序執行進入死循環，那么掃描周期將超過監視定時器的定時時間，這時監視定時器動作，運行停止，以示用戶。

在循環掃描過程中，有時需要立即對某個信息進行處理，以加快響應速度，為此，PLC中引入中斷功能，設有內置輸入中斷、定時中斷、高速計數器中斷、外部中斷等，PLC在循環掃描的各個階段都可以響應中斷信號。

1.4.2 PLC的I/O滯后現象

PLC有很多優越特性，但也有不足之處，其中之一就是PLC的I/O有響應滯后現象。產生I/O滯后現象的原因主要有3個方面：

1）輸入濾波器有時間常數。輸入電路中的濾波器對輸入信號有延遲作用，時間常數越大，延遲作用越大。

2）輸出繼電器有機械滯后。從輸出繼電器的線圈通電到其觸點閉合有一段時間，這是輸出電路的硬件參數，如CP1輸出繼電器的滯后時間為15ms。

3）PLC循環操作時，進行公共處理、I/O刷新和執行用戶程序等產生掃描周期。

在圖1-7a給出的梯形圖中，從輸入觸點閉合到輸出觸點閉合有一段延遲時間，稱為I/O響應時間。圖1-7b為最小I/O響應時間，在I/O刷新階段，輸入信號已經在輸入電路的輸出端反映出來，CPU將其寫入輸入映像寄存器，經過程序執行后，結果在隨后掃描周期的I/O刷新階段被輸出，在這種情況下，I/O響應時間最小，為輸入ON時間、一個掃描周期和輸出ON時間之和。圖1-7c為最大I/O響應時間，在I/O刷新階段剛結束，輸入信號恰好在輸入電路的輸出端反映出來，由于錯過了I/O刷新階段，CPU不能讀取，而要等到第一個掃描周期的I/O刷新階段，才能被CPU寫入輸入映像寄存器，經過程序執行后，結果在第二個掃描周期的I/O刷新階段被輸出，在這種情況下，I/O響應時間最大，為輸入ON時間、兩個掃描周期和輸出ON時間之和。

以CP1為例，I/O響應時間計算如下：

輸入ON延時： 8ms（默認設置）

公共處理+I/O刷新時間： 2ms

程序執行時間： 14ms

輸出ON延時： 15ms

最小I/O響應時間=8+（2+14）+15ms=39ms

最大I/O響應時間=8+（2+14）×2+15ms=55ms

由于PLC是在循環掃描的I/O刷新階段才對I/O更新的，PLC這種集中輸入、集中輸出的刷新方式是造成輸出滯后輸入的原因之一。對一般工業控制設備來說，這些滯后現象是完全允許的。但某些場合下，需要輸出對輸入做出快速響應，PLC提供以下措施：

1）執行I/O刷新指令。CP1設置了I/O刷新指令IORF（97），在程序中執行該指令，可隨時對指定的CPU單元內置的或擴展單元的I/O通道進行刷新，以縮短輸出滯后輸入的時間，提高I/O響應速度。

2）執行立即刷新指令。常用的輸入指令是LD/LD NOT、AND-AND NOT和OR/OR NOT，常用的輸出指令是OUT/OUT NOT，CP1為這些指令設置了立即刷新功能，執行時立即對指令所訪問的CPU單元內置的I/O通道（字）進行刷新，刷新是以通道（字）為單位操作的，即刷新指定位時，對含該位的通道內的其他位也同時進行刷新。立即刷新指令如圖1-8所示，包含！LD和！OUT，圖中第一行執行時，先對PLC內置輸入通道2所有的16位立即讀入，然后進行邏輯運算；第二行執行時，在已更新的輸入通道2的數據基礎上，進行邏輯運算，將結果立即輸出，這時內置輸出通道100所有的16位一起被更新。

圖1-7 I/O響應時間

圖1-8 立即刷新指令