1.3.2 可編程序控制器的工作方式

PLC與繼電接觸器控制的重要區別之一就是工作方式不同。繼電接觸器控制是按“并行”方式工作的，即以同時執行的方式工作的，只要形成電流通路，就可能有幾個電氣元件同時動作。而PLC采用串行循環掃描的工作方式，所謂掃描，就是CPU從第一條指令開始執行程序，直到最后一條指令（結束指令）。掃描過程大致分為以下三個階段。

（1）輸入采樣（刷新）階段

在第n個掃描周期，首先進行的是讀入現場信號，即輸入采樣階段，PLC依次讀入所有輸入狀態和數據，并將它們存入輸入映象寄存器區（存儲器輸入暫存區）中相應的單元內。輸入采樣階段結束后，如果輸入狀態和數據發生變化，PLC也暫不響應，輸入映象寄存器區中相應單元的狀態和數據保持不變，要等到第n+1個掃描周期才能讀入。

（2）用戶程序執行階段

各PLC生產廠家針對繼電器控制電路（電氣控制原理圖）的特點，開發了簡單易學的梯形圖，這種編程語言具有形象和直觀的特點。在用戶程序執行階段，CPU將指令逐條調出并執行，其過程是從梯形圖的第1個梯級開始自上而下依次掃描用戶程序，在每一個梯級內，又總是按先左后右、先上后下的順序掃描用戶程序。梯形圖指令是與梯形圖上的條件相適應的指令。每個指令需要一行助記符代碼，程序以助記符形式存儲在存儲器中。在執行指令時，從輸入映象寄存器或輸出映象寄存器中讀取狀態和數據，并依照指令進行邏輯運算和算術運算，運算的結果存入輸出映象寄存器區中相應的單元。在這一階段，除了輸入映象寄存器的內容保持不變外，其他映象寄存器的內容會隨著程序的執行而變化，排在上面的梯形圖指令的執行結果會對排在下面的、凡是用到的狀態或數據的梯形圖指令起作用。

（3）輸出刷新階段

輸出刷新階段也稱寫輸出階段，CPU將輸出映象寄存器的狀態和數據傳送到輸出鎖存器，再經輸出電路的隔離和功率放大，轉換成適合于被控制裝置接收的電壓或電流或脈沖信號，驅動接觸器、電磁鐵、電磁閥及各種執行器，此時才是PLC真正的輸出。

PLC的一個掃描過程除了完成上述三個階段的任務外，還要完成內部診斷、通信、公共處理，以及I/O服務等輔助任務。普通繼電器的動作時間大于100 ms，一般PLC的一個掃描周期必須小于100 ms。例如，歐姆龍CJ1系列PLC執行30 000步程序的掃描周期僅為1.2 ms。

對于繼電器控制電路，根據工藝要求，操作人員可以隨時進行操作，因此，PLC只掃描一個周期是無法滿足要求的，必須周而復始地進行掃描，這就是循環掃描。在掃描時間小于繼電器動作時間的情況下，繼電器硬邏輯電路的并行工作方式和PLC的串行工作方式的處理結果是相同的。但是，PLC的這種“串行”工作方式可以有效地避免繼電接觸器控制系統中易出現的觸點競爭和時序失配的問題。

現以歐姆龍小型機CP1H PLC為例，介紹其工作過程，如圖1-7所示。

系統上電以后，CPU首先進行初始化工作，即檢查系統中的I/O單元是否連接正確，然后檢查系統硬件與程序存儲器單元是否正常，如果正常則自檢通過，可執行后續功能。若自檢中有一項不通過，則發出報警信號。

CP1H PLC有兩種報警情況：一種情況是CPU只發出報警信號，但不中止運行，CPU面板上的ALARM指示燈閃爍；另一種情況是導致CPU中止運行的嚴重錯誤，此時CPU面板上的ERROR指示燈常亮，直至用戶排除故障為止。

CPU完成自檢以后執行用戶程序，從梯形圖左母線開始由上至下、由左向右逐個掃描每個梯級的每個元素，進行運算，此時CPU只與映象區進行數據交換，讀取輸入數據，送出輸出信號。當CPU執行到END指令時，表示程序段結束，則此次掃描用戶程序結束。

CPU計算掃描一次用戶程序的時間是否超過預置的最小掃描周期，如果超限系統將報警。接著CPU執行I/O操作，這時才與外部I/O設備交換數據，從輸入單元的端子上讀取輸入信號狀態并刷新映象區的輸入部分，把映象區中輸出寄存器的輸出信號輸出到輸出單元的端子上，控制外部設備。

最后，CPU還要執行外圍設備服務，包括RS-232C串行端口數據交換，進行上位鏈接服務，讀取外設命令并執行，以及通信單元的鏈接服務等工作。