1.2 PLC硬件基礎

PLC是按繼電接觸線路原理設計的，其等效的內部電器及線路與繼電接觸線路相同。由PLC定義可知，它與一般計算機的結構相似，也有中央處理單元（CPU）、存儲器（MEMORY）、輸入/輸出（INPUT/OUTPUT）接口、電源部件及外部設備接口等。由于PLC是專為在工業環境下應用而設計的，為便于接線、擴充功能及操作與維護，它的結構及組成又與一般計算機有所區別。

1.2.1 PLC的組成

PLC是一種通用的工業控制裝置，其組成與一般的微機系統基本相似。按結構形式的不同，PLC可分為整體式和組合式兩類。

整體式PLC是將中央處理器（CPU）、存儲器、輸入單元、輸出單元、電源、通信接口等組裝成一體，構成主機，如圖1-40 所示。另外還有獨立的I/O擴展單元與主機配合使用。主機中，CPU是PLC的核心，I/O單元是連接CPU與現場設備之間的接口電路，通信接口用于PLC與上位機連接和網絡通信。

組合式PLC將CPU單元、輸入單元、輸出單元、智能I/O單元、通信單元等分別做成相應的電路板或模塊，各模塊插在底板上，模塊之間通過底板上的總線相互聯系；或不用底板，直接通過總線相連，如圖1-41所示。

無論哪種結構類型的PLC，都可根據需要進行配置與組合。整體式結構的PLC通過主機連接I/O擴展單元，也可以配置模擬量I/O點。組合式PLC則在I/O配置上更方便、更靈活。

下面具體介紹PLC的各組成部分。

（1）中央處理單元（CPU）

CPU在PLC中的作用類似于人體的神經中樞，它是PLC的運算、控制中心。一般由控制電路、運算器、寄存器等組成，通過地址總線、數據總線和控制總線與存儲器、I/O接口電路連接。它按照系統程序所賦予的功能，完成以下任務：

① 接收并存儲從編程器輸入的用戶程序和數據；

② 診斷電源、PLC內部電路的工作狀態和編程的語法錯誤；

③ 用掃描的方式接收輸入信號，送入PLC的數據寄存器保存起來；

④ PLC進入運行狀態后，根據存放的先后順序逐條讀取用戶程序，進行解釋和執行，完成用戶程序中規定的各種操作；

⑤ 將用戶程序的執行結果送至輸出端。

（2）存儲器

PLC系統中的存儲器主要用于存放系統程序、用戶程序和工作狀態數據。

① 系統程序存儲器。采用ROM或PROM芯片存儲器，由生產廠家用來存放PLC的操作系統程序、用戶指令解釋程序和編譯程序、系統診斷程序和通信管理程序等。這些程序與PLC的硬件組成和專用部件的特性有關，處理器在出廠時已經根據不同功能的PLC編寫并固化在ROM內，用戶不能訪問和修改這部分程序存儲器的內容。

② 用戶程序存儲器。用于存放用戶經編程器輸入的應用程序。一般采用EPROM或EEPROM存儲器，現在采用Flash ROM，用戶可擦除重新編程；其內容可由用戶根據生產過程和工藝的要求進行修改。它的容量一般就代表PLC的標稱容量。通常，小型機小于8KB，中型機小于50KB，而大型機可在50KB以上。

③ 工作數據存儲器。工作數據是PLC運行過程中經常變化、需要隨機存取的一些數據，這些數據一般不需要長久保留，因此采用隨機存儲RAM。在PLC的工作數據存儲區，開辟有元件映像寄存器和數據表。元件映像寄存器用來存儲PLC的開關量輸入/輸出和定時器、計數器、輔助繼電器等內部繼電器的ON/OFF狀態。數據表用來存放各種數據，它的標準格式是每一個數據占一個字。它用來存儲用戶程序執行時的某些可變參數值，如定時器和計數器的當前值和設定值。它還用來存放A/D轉換得到的數字和數學運算的結果等。

根據需要，部分數據在停電時用后備電池維持其當前值，在停電時可以保持數據的存儲區域稱為數據保持區。

（3）I/O單元

輸入/輸出接口電路用來連接PLC主機與外部設備。為了提高抗干擾能力，一般的輸入/輸出接口均有光電隔離裝置，應用最廣泛的是由發光二極管和光電三極管組成的光電隔離器。

來自現場的指令元件、檢測元件的信號經輸入接口進入PLC。指令元件的信號是指由用戶在控制臺、操作臺或控制鍵盤上發出的控制信號，如啟動、停止、轉換、調整、急停等；檢測元件的信號是指用檢測元件（如各種傳感器、繼電器接點、限位開關、行程開關等）對生產過程中的參數（如壓力、流量、溫度、速度、位置、行程、電流、電壓等）進行檢測時發出的信號。這些信號有的是開關量、有的是模擬量，有的是直流信號，有的是交流信號，要根據輸入信號的類型選擇合適的輸入接口。

由PLC產生的各種輸出控制信號經輸出接口去控制和驅動負載，如指示燈的亮滅，電動機的啟停和正反轉，設備的轉動、平移、升降，閥門的開閉等。與輸入接口一樣，輸出接口的負載有的是數字量，有的是模擬量，要根據負載性質選擇合適的輸出接口。

根據現場執行部件的不同需要，輸出接口的功率放大環節又分為繼電器型、雙向硅型和晶體管型三種型式。繼電器容量大，交直流通用，響應時間為毫秒級；可控硅只能帶交流負載，響應時間為微秒級；晶體管只能帶直流負載，響應速度最快，為納秒級。半導體器件的壽命可以說是永久的，而新型繼電器的壽命也可達1010次。

（4）編程設備

編程設備是可編程序控制器系統中最重要的外圍設備，利用它可以輸入、檢查、修改、調試用戶程序，也可以在線監視PLC的工作情況。

編程器可分為簡易編程器和圖形編程器兩種。圖形編程器可直接輸入梯形圖程序，操作方便，功能強，且可脫機編程，有液晶顯示（GPC）的便攜式和陰極射線（CRT）式兩種，價格一般較高；簡易編程器價格低，但功能較少，一般需將梯形圖變為指令編碼的形式輸入，通常需聯機工作。

目前，很多PLC都可以利用微型計算機作為編程工具，這時應配上相應的編程軟件及接口。由于微機的強大功能，使PLC的編程和調試更為方便。

（5）電源

電源部件用來將外部供電電源轉換成供PLC的CPU、存儲器、I/O接口等電子電路工作所需要的直流電源，使PLC能正常工作。它既可以使外掛的，也可以是內置的。

PLC的電源部件有很好的穩壓措施，因此對外部電源的要求不高。直流24V供電的機型，允許電壓為16～32V；交流供電的機型，允許電壓為85～264V，頻率為47～53Hz。

一般情況下，交流供電的PLC還為用戶提供24V直流電源作為輸入電源或負載電源。

1.2.2 PLC的輸入/輸出單元

輸入/輸出單元分為開關量輸入/輸出單元和特殊功能輸入/輸出單元兩部分。特殊功能包括模擬量控制、溫度控制、精確定位和速度控制等。

1.開關量輸入/輸出單元

該單元用來接收和采集現場設備的輸入信號，包括由按鈕、選擇開關、行程開關、繼電器觸點、接近開關、光電開關、數字撥碼開關等的開關量輸入信號和用來向各執行機構進行輸出的控制信號，包括向接觸器、電磁閥、指示燈和開關等輸出的數字量輸出信號。它們有能直接接受和輸出交流電壓（110V或220V）信號的交流輸入/輸出單元、直流電壓（24V、12V或5V TTL電平）信號的直流輸入/輸出單元。采用光電耦合器或隔離脈沖變壓器將來自現場的輸入信號或驅動現場設備的輸出信號與CPU隔離，以防止外來干擾引起的誤動作或故障。

（1）開關量輸入單元

直流輸入單元外接直流電源，其電路如圖1-42 所示。有的輸入單元內部提供24V直流電源，稱作無源式輸入單元，用戶只需將開關接在輸入端子和公共端子之間即可。

交流輸入單元外接交流電源，其電路如圖1-43所示。

在圖1-42 和圖1-43 所示的輸入電路中，輸入端子有一個公共端子COM，即有一個公共匯集點，因此稱為匯點式輸入方式。除此之外，輸入單元還有分組式和分隔式。分組式輸入單元的輸入端子分為若干組，每組公用一個公共端子和一個電源。分隔式輸入單元的輸入端子互相隔離，互不影響，各自使用獨立的電源。

（2）開關量輸出單元

① 晶體管輸出單元。輸出電路采用三極管作為開關器件，如圖1-44所示。晶體管開關量輸出單元為無觸點輸出，使用壽命長，響應速度快。

② 繼電器輸出單元。其輸出電路采用的開關器件是繼電器，電路如圖1-45 所示。繼電器輸出電路中的負載電源可以根據需要選用直流或交流。繼電器的工作壽命有限，觸點的電氣壽命一般為30～50 萬次，因此在需要輸出點頻繁通斷的場合（如脈沖輸出），應使用晶體管型輸出電路。另外，繼電器線圈從得電到觸點動作，存在延遲時間，這是造成輸出滯后輸入的原因之一。

③ 雙向晶閘管輸出單元。輸出電路采用的開關器件是光控雙向晶閘管，如圖1-46所示。

輸出單元按照使用公共端子的情況分類，也有匯點式、分組式和分隔式三種接線方式。

在一些晶體管I/O單元中，對外接設備的電流方向是有要求的，即有灌電流（匯流）與拉電流（源流）之分。四種不同的輸入/輸出接線方式如圖1-47所示。

2.模擬量輸入/輸出單元

該單元用來接收和采集由電位器、測速發電機和各種變送器等送來的連續變化的模擬量輸入信號和向調節閥、調速裝置輸出模擬量的輸出信號。模擬量輸入模塊將各種滿足IEC標準的直流信號（如4～20mA、1～5V、-10～+10V、0～10V）轉換成8、10、12 或16 位的二進制數字信號，送給CPU進行處理；模擬量輸出模塊將CPU的二進制信號轉換成滿足IEC標準的直流信號，提供給執行機構。

① 模擬量輸入單元。其內部結構框圖如圖1-48所示，從圖中可知，它的每一路輸入端子都有電壓輸入和電流輸入兩種，用戶可以通過開關設定、跳線的不同接法來選擇使用哪種輸入方式。模擬量輸入單元主要完成將模擬量輸入信號通過A/D轉換器轉換為二進制數字量的功能。以12 位二進制數據為例來說明模擬量輸入信號與A/D轉換數據之間的關系，如圖1-49所示。

② 模擬量輸出單元。其內部結構框圖如圖1-50所示，從圖中可知，它的每一路輸出端子都有電壓輸出和電流輸出兩種，用戶可以通過開關設定、跳線的不同接法來選擇使用哪種輸出方式。

如圖1-51 所示，模擬量輸出單元主要通過D/A轉換器完成二進制數字量轉換為模擬量的功能，并最終將模擬量信號輸出到端子上，以12 位二進制數據為例來說明數字量輸入與模擬量輸出之間的轉換關系。

3.溫度模塊

溫度模塊接收來自溫度傳感器的信號，并以數字量表示的值傳給PLC。使用溫度模塊相當于在溫度傳感器后面配置了變送器和A/D轉換器，溫度模塊送給PLC的數據即是現場的實際溫度值，便于監視。溫度模塊與模擬量輸出模塊配合使用，可實現溫度自動控制，其工作原理如下。

（1）熱電阻測溫

熱電阻測溫是利用物質在溫度變化時本身電阻也隨著發生變化的特性來測量溫度的，其主要材料有鉑、銅和鎳。

鉑熱電阻具有良好的穩定性和測量溫度，其溫度范圍為-200～+600℃。由于鉑是貴金屬，價格較高，主要用于高精度的溫度測量和標準測溫裝置。

鎳熱電阻的溫度范圍為-100～+300℃。

銅熱電阻的溫度范圍為-50～+150℃。在一些測量精度要求不很高，測量范圍比較小的情況下，銅熱電阻被廣泛采用。

目前銅熱電阻和鉑熱電阻都已標準化，并且有系列化的各種型號傳感器，適用于各種不同的場合。

由于鉑電阻在零度時R=100Ω，銅電阻在零度時R=50Ω，因此在傳感器與測量儀表之間引線過長會引起測量誤差。在工業測量中，熱電阻與儀表或放大器接線有兩種方式：兩線制及三線制。對兩線制的引線電阻有一定要求，銅電阻不超過R的0.2%，鉑電阻不超過R的0.1%。采用三線制可以消除連接線過長及連接線電阻隨環境溫度變化而引起的誤差，其接線方法如圖1-52所示。

（2）熱電偶測溫

熱電偶測溫的基本工作原理如圖1-53所示，兩種不同的導體A與B組成兩個接點，形成閉合回路。當兩個接點溫度不同時，回路中將產生電勢，該電勢的方向和大小取決于兩導體的材料及兩接點的溫度差，而與兩導體的粗細、長短無關。這種現象稱為物體的熱電效應，兩種導體組成的回路稱為熱電偶，它產生的電勢稱為熱電勢，熱電偶中溫度高的一端叫熱端（測量端），溫度低的一端叫冷端。

熱電偶的測量溫度范圍較寬，一般為-50～+1600℃，最高可達2800℃，并有較好的測量精度。另外，熱電偶已標準化、產品系列化，易于選用。各種熱電偶都有相應的分度號，可以直接和溫度傳感器模塊、溫度控制模塊配套使用，也可以另外配接溫度變送器，將溫度變為4～20mA或1～5V等模擬信號再送入模擬量輸入模塊，從而實現對溫度信號的測控。

在實際測量中，由于熱電偶的材料一般都比較貴，當測量點與儀表之間（熱端與冷端之間）的距離較遠時，為了節省熱電偶的材料（或采用標準化的系列產品），通常在熱電偶冷端接點上采用補償導線，用它引入儀表，如圖1-54所示。

補償導線采用多股廉價金屬制造，不同熱電偶采用不同的補償導線（已標準化）。補償導線必須滿足兩個條件：①在一定溫度范圍內，補償導線的熱電勢必須與所延長的熱電偶產生的電勢相同。②補償導線與熱電偶的兩個接點必須在同一溫度下。

在實際應用中，當冷端的溫度不足0°C時，會產生測量誤差，所以常采用冷端補償的方法進行補償。在PLC的溫度傳感器模塊和溫度控制模塊上直接帶有冷端補償電路，可以直接連線使用。如果使用溫度變送器轉換的話，由于溫度變送器產品也自帶冷端補償電路，所以也可以直接使用。

與熱電阻相比，熱電偶具有結構簡單、測量范圍寬、響應速度快等特點，而且無須測量電路就能直接將溫度的變化轉化成輸出電壓的變化。但熱電偶的穩定性不如熱電阻，當被測溫度較低時輸出的熱電勢較低，此時因自由端溫度變化等因素引起的誤差就顯得很突出。因此熱電偶一般多用在中高溫區測溫。

4.位置模塊

位置模塊主要用于位置控制，模塊內部具有脈沖發生器，可直接向步進電機或伺服電機驅動器輸出脈沖串，控制單坐標，改變位移、速度和位置。其脈沖輸出方式可由用戶設定為獨立地發出正向/反向脈沖序列或無方向脈沖序列和方向信號兩種方式。輸出脈沖數的多少決定了位移的大小，而輸出脈沖的頻率則決定了位移的速度。脈沖數及脈沖頻率由處理器根據PLC的命令對脈沖發生器加以控制。

由于其內部擁有處理器和存儲器，因此位置模塊既可以受PLC的主處理器控制，也可以直接被控制臺的外部輸入信號控制，它的結構框圖如圖1-55所示。

位置模塊中的處理器是專門執行定位程序，控制脈沖發生器發出的脈沖數及頻率的，它一方面通過總線及接口電路與PLC的主CPU頻繁交換信息，另一方面又通過I/O連接器接受外部開關量輸入及輸出脈沖，并根據PLC發出的控制指令和接收到的外部輸入信號，在主CPU的指揮管理下執行具體的定位算法等，這樣就極大地減輕了主CPU的負擔，節省了時間。但位置模塊不能獨立于PLC之外工作，它還是作為PLC的一個智能模塊，占用相應的I/O地址。

5.高速計數模塊

由于PLC是按周期掃描的方式工作的，所以對于高頻變化的輸入信號（周期小于掃描時間），PLC往往來不及響應，這樣將會造成系統工作不正常。高速計數模塊正是為了解決這一困難而制造的智能快速響應模塊，它直接連接旋轉編碼器或增量編碼器等高速脈沖源，用以實現定位、位移測量和轉速測量等。

高速計數模塊內部有1 個寄存器和1 個計數器，都由CPU為其設置初值。在外來信號控制下，寄存器和計數器內的數值進行比較，比較的結果送給CPU作為控制信號；如果相等，該信號用來控制該模塊的輸出。高速計數模塊結構框圖如圖1-56所示。

（1）基本輸入類型

計數器支持3種計數輸入類型。

① 脈沖和方向：計數脈沖從通道A輸入，用戶可以根據通道B的電平或程序來決定計數方向（即決定加計數或減計數）。

② 上升/下降脈沖：在這種方式下，對輸入通道A的脈沖上升沿進行加計數，對輸入通道B的脈沖上升沿進行減計數。

③ 積分：對從通道A和通道B輸入的脈沖進行計數，以兩信號的相位差決定計數器的方向。

（2）基本工作模式

① 線性工作模式：計數范圍為-32768～+32767，當計數值落在某一組設定值范圍內時，該組指定的輸出為ON。如果計數值超出允許范圍，就會提供上溢/下溢指示，如圖1-57所示。

② 環形工作模式：計數范圍為0～+32767 的雙向計數工作方式，當計數值落在某一組設定值范圍內時，該組指定的輸出為ON，如圖1-58所示。與線性工作模式不同的是，當增計數設定值達到最大值時，即回到零，繼續從零開始增計數；而減計數達到零時，即回到最大值，繼續從最大值開始減計數至零。

1.2.3 PLC的工作原理

1.PLC等效工作電路

PLC是一種微機控制系統，其工作原理也與微機相同，但在應用時，可不必用計算機的概念去做深入的了解，只需將它看成由普通繼電器、定時器、計數器、移位器等組成的裝置，從而把PLC等效成輸入、輸出和內部控制電路三部分。圖1-59所示為典型啟停線路的PLC執行過程。

（1）輸入部分

這部分的作用是接受被控設備的信息或操作命令等外部輸入信息。輸入接線端是PLC與外部的開關、按鈕、傳感器等輸入設備連接的端口。每個端子可等效為一個內部繼電器線圈，線圈號即輸入接點號。這個線圈由接收到的輸入端的外部信號來驅動，其驅動電源可由PLC的電源部件提供（如直流24V），也可由獨立的交流電源（如交流110V）供給。每個輸入繼電器可以有無窮多個內部觸點（常開、常閉形式均可），供設計PLC的內部控制電路（即編制PLC控制程序）時使用。

（2）內部控制電路

這部分的作用是運算和處理由輸入部分得到的信息，并判斷應產生哪些輸出。內部控制電路實際上也就是用戶根據控制要求編制的程序。PLC程序一般用梯形圖形式表示。而梯形圖是從繼電器控制的電氣原理圖演變而來的，PLC程序中的常開、常閉觸點、線圈等概念均與繼電器控制電路相同。

在PLC內部還設有定時器、計數器、移位器、保持器、內部輔助繼電器等繼電器控制系統沒有的器件，它們的線圈及常開、常閉觸點只能在PLC內部控制電路中使用，而不能與外部電路相連。

（3）輸出部分

這部分的作用是驅動外部負載。在PLC內部，有若干能與外部設備直接相連的輸出繼電器（有繼電器、雙向硅、晶體管三種形式），它也有無限多由軟件實現的常開、常閉觸點，可在PLC內部控制電路中使用；但對應每一個輸出端只有一個硬件的動合觸點與之相連，用以驅動需要操作的外部負載。外部負載的驅動電源接在輸出公共端（L）上。

總之，在使用PLC時，可以把輸入端等效為一個繼電器線圈，其相應的繼電器接點（常開或常閉）可在內部控制電路中使用，而輸出端可以等效為內部輸出繼電器的一個常開觸點，以驅動外部設備。

2.PLC的工作過程

在計算機程序執行中有一種查詢方式結構，專門查看某一變量條件的滿足情況的，并據此決定下一步的操作。現在要查看的已不是某一變量的條件，而是多個變量的條件，像查詢一個變量的條件那樣等待查詢已不能滿足要求，因此我們采用對整個程序巡回執行的工作方式，也稱循環掃描，就是說用戶程序的執行不是從頭到尾只執行一次，而是執行完一次之后，又返回去執行第二次、第三次、……直至停機。如果程序的每一條指令的執行時間足夠快，整個程序并不長，使得每執行一次程序所占用的時間足夠短，這個時間短到足以保證變量條件不變，即如果在前一次執行程序時對某一變量的狀態沒有捕捉到，保證在第二次執行程序時該條件依然存在。PLC的工作過程如圖1-60所示。

要使程序循環掃描一次的時間短，首先和每條指令的執行時間長短有關，其次和程序中所用指令類型及包含指令的條數的多少有關。前者主要和機器的主頻即時鐘的快慢有關，機器選擇確定之后，它也隨之而定；后者則和被控系統的復雜程度，以及程序編制者的水平有關。

從程序執行的角度希望循環掃描一次用戶程序的時間要短，但是從用戶的角度又希望時間盡量長，這一長與一短必須統一，必須統一在一個循環掃描周期的時間不改變形成變量邏輯關系各因素的狀態。由于這些信息因素多來自繼電器觸頭狀態的變化，所以一般確定循環掃描周期的時間約為100～200ms。為了適應用戶程序長度的要求，還可以從形成用戶程序所用指令的選擇上來節約時間。

3.建立I/O映像區

在PLC系統中，決定被控制變量狀態的邏輯關系組成因素多來自生產系統現場。為了執行控制程序，從現場采集這些信息的方式有兩種：

① 隨著程序的執行需要哪一個信息，就到生產現場去采集該信息，這樣采集到的信息是實時的，采集時間可能略長。同一因素信息，由于采集的時間不同，其狀態可能會有所不同。

② 定時采集。在每一循環掃描周期內定時（一般定在掃描周期的開始或結束）將現場全部有關信息采集到控制器中，存放在系統準備好的一定區域——隨機存儲器的某一地址區，稱為輸入映像區，對應等效工作電路的輸入繼電器線圈。執行用戶程序所需現場信息都在輸入映像區取用，而不直接到外設去取。這種方式因為是集中采集現場信息，雖然從理論上分析每個信息被采集的時間仍有先后差異，但它已很小，因此可以認為采集到的信息是同時的。同樣對被控制對象的控制信息，也不采用形成一個輸出就去改變一個被控對象的控制方法，而是先把它們存放在隨機存儲器的某個特定區域，稱為輸出映像區，對應等效工作電路的輸出繼電器接點。當用戶程序掃描結束后，將所存被控對象的控制信息集中輸出，改變被控對象的狀態。對于那些在一個掃描周期內沒有發生變化的變量狀態，就輸出一個與前一周期同樣的信息，因而也不引起外設工作的變化。上述輸入映像區、輸出映像區集中在一起就是一般所稱的I/O（輸入/輸出）映像區。映像區的大小隨系統輸入、輸出信息多少，即輸入、輸出點數而定。

I/O映像區的建立，使系統工作變成一個采樣控制系統，我們稱之為數字采樣控制系統。雖然不像硬件邏輯系統那樣，隨時反映控制器件工作狀態變化對系統的控制作用，但在采樣時刻則基本符合實際工作狀態，只要采樣周期T足夠小，采樣頻率足夠高，我們就可以認為這樣的采樣系統足夠符合實際系統的工作狀態。

數字采樣系統和一般常見的模擬采樣控制系統是有差異的。模擬采樣系統的采樣對象是一個或幾個模擬量，它們是隨時間而連續變化的；而在采樣系統中對它的處理是在采樣時刻采集它們的實際瞬時值，在采樣周期內將認為它們是不變的，并保持為采樣值。在數字控制系統中，變量都是離散量，在兩種狀態之間變化，所以對系統變量關心的是它們的狀態而不是數值的大小變化。在數字控制系統中輸出變量的狀態幾乎和所有輸入信息的狀態有關，因此我們關心的是所有輸入、輸出變量的狀態，采集量比較大。在模擬量采集系統中因為要對被采集的模擬量進行各種運算包括微分、積分運算，因此對采集周期T不僅要求它足夠短，而且希望它是固定不變的。在數字采樣系統中，由于涉及的運算關系多是邏輯關系，因此只要采樣周期T足夠小即可，而它在一定范圍內的變化和影響都是次要的，因此我們可以利用循環掃描周期作為系統的采樣周期。

數字采樣控制系統中，雖然在采樣周期對變量的處理仍然是順序執行程序，但是，由于輸入信息是從現場瞬時采集來的，輸出信息又是在程序執行后瞬時輸出去控制外設的，因此，可以認為實際上恢復了系統對被控變量控制作用的并行性。

I/O映像區的建立，是PLC工作時只和內存有關地址單元內所存信息狀態發生關系，而系統輸出也是只給內存某一地址單元設定一個狀態，因此，這時的控制系統已經遠離實際控制對象，這一點為系統的標準化生產、大規模生產創造了條件。

4.輸入/輸出操作

PLC的工作方式是循環掃描執行用戶程序。由于建立了輸入/輸出映像區，因此執行程序時系統工作只涉及充當映像區的存儲器區，只是在掃描周期的適當時刻，在操作系統的組織下將輸出映像區的信息全部傾卸給外設，同時也由所有外設讀入信息。這種周期性地與外界交換信息，對一般外設是可以滿足要求的。但是隨著PLC功能的擴展，特別是許多特殊功能單元、智能單元被當作I/O外設以及中斷控制的利用等，對響應的及時性，提出了新的要求。因此正常的周期性的輸入/輸出交換信息就滿足不了要求。例如，某中斷源提出中斷申請被響應后機器就轉向執行中斷子程序，在執行中斷子程序后的輸出信息當然希望盡早送到相關外設，而不希望等到掃描周期的輸入/輸出階段。又比如閉環控制系統，按照香農定理對系統確定了采樣周期，它當然不可能與系統掃描周期一致，因此就希望在采樣周期中系統能進行輸入/輸出的信息交換，以便及時采集到有關參數的數值進而實現控制。諸如此類，系統的周期性掃描與外設希望的及時響應矛盾的解決辦法是設法將有關要輸入/輸出的信息分離出來，即這一部分信息的輸入或輸出與系統CPU的周期掃描脫離，利用專用的硬件單元（如快速響應I/O單元）或通過軟件利用專門指令去執行某一I/O映像區的輸入/輸出（如利用定區I/O服務指令使定區的信息及時輸入或輸出，即取得立即執行）。

5.中斷輸入處理

在可編程序控制器系統中，中斷輸入處理是由一塊專用的特殊模板完成的。有關中斷的概念及處理的思路和一般微機系統基本是一樣的，即當有中斷申請信號輸入后，系統要中斷正在執行的程序而轉向執行相關的中斷子程序；系統若有多個中斷源時，它們之間按重要性有一個先后順序的排隊。系統由程序設定可以中斷屏蔽等。此外，結合PLC工作的特點，中斷的處理也有其特殊之處。

（1）中斷的響應是在系統循環掃描周期的各個階段。在可編程序控制器系統工作過程中，系統不僅對用戶程序實行循環掃描，而且對輸入、輸出、編程器、通信單元及自診斷等，都實行循環掃描。因此對中斷信號的響應也不限于用戶程序的執行階段，而是在循環掃描周期的各個階段。那么，系統CPU是否也和一般微機系統CPU一樣，在執行每一條指令結束時去查詢有無中斷申請呢？在可編程序控制器系統中，不是在每條指令執行結束后查詢，而是在相關的程序塊結束后查詢中斷申請，如有中斷申請，則轉入執行中斷服務程序。如果用戶程序是以塊式結構組成的，則在每塊結束或實行塊調用時處理中斷，見圖1-61。

中斷時間的決定因素有哪些？它應該包括：

① 等待響應時間t1。從外界中斷源發出中斷申請信息，到主CPU正在執行的程序塊結束，CPU開始查詢中斷申請的時間。它與有關程序塊的長短與中斷申請發生的時刻有關，是一個在小范圍內變化的隨機量。

② 中斷信號讀入處理時間t2。從C PU查詢出有中斷申請至查清中斷源并讀入的時間。

③ 系統處理和中斷服務程序的啟動t3。它也是一個隨機變量，與同時申請中斷的中斷源數、中斷排隊及系統處理速度有關。

所以中斷響應時間T=t1+t2+t3。

一般系統的中斷響應時間為1～2ms。

（2）在可編程序控制器系統中，用戶程序是循環掃描反復執行的。中斷程序卻不是每次掃描用戶程序都要執行的，它只在中斷申請被接受后執行一次，也就是說，中斷申請只能使系統迅速去執行一次中斷程序，而與中斷程序中有關信息的狀態及中斷程序執行的結果無關，因此要想多運行幾次中斷子程序，則必須多進行幾次中斷申請。

（3）中斷源先后排隊順序問題。在可編程序控制器系統中，中斷源的信息是通過輸入點而進入系統的，可編程序控制器掃描輸入點是按順序進行的，因此，中斷源的先后順序隨它們占用的輸入點編號的前后就自動排了順序，因此在分配輸入點時考慮一下中斷源的主要性就可以解決中斷源的排隊問題。系統接到中斷申請后，順序掃描中斷源，可能只有一個中斷源申請中斷，也可能同時有2 個或多個中斷源提出中斷申請。系統在掃描中斷源的過程中，就在存儲器的一個特定區建立起“中斷處理表”，按順序存放中斷信息，中斷源被掃描過后，中斷處理表亦建立完畢，系統就按照該表順序先后轉至相應的中斷子程序入口地址。

在可編程序控制器系統中，中斷程序的編制與一般微機系統基本一致。允許中斷、禁止中斷指令的使用，中斷源與中斷服務程序的對應關系等都是一樣的，稍有不同的地方是：

① 在可編程序控制器系統中，多中斷源可以有優先順序（前面已指出可以通過占用輸入點號來排隊），根據處理器類型的不同可分為有嵌套關系和無嵌套關系兩種，即中斷程序執行中，如果系統處于允許中斷的狀態，若有新的中斷發生，可以讀取鎖存器輸出，確定中斷輸入源，有中斷嵌套關系的處理器根據它們的優先順序，若新中斷的優先級高則將現在執行的中斷掛起去執行新的中斷；但無嵌套關系的處理器不論它們的優先順序如何，都是將執行中的中斷處理結束后，再進行新的中斷處理。

② 在中斷子程序結束后，返回主程序的方法有兩種：其一是中斷子程序正常結束，遇到中斷處理結束指令（IEND）；其二是遇到符合條件的中斷處理中斷指令（RETI），上述指令放在中斷程序中的哪部分，只能根據該程序的具體情況而定。

③ 關于中斷服務程序執行結果信息的輸出問題，由于PLC執行的是循環掃描方式，正常的輸入/輸出是在掃描周期的一定階段進行的，因此對中斷子程序有關信息的輸出必須進行特殊處理。

6.PLC的主要性能指標

（1）存儲容量

PLC的存儲器由系統存儲器和用戶存儲器兩部分組成。系統存儲器用來存放不可改變和訪問的系統程序，用戶存儲器用來存放用戶程序及所需要的數據。它包括程序存儲器和數據存儲器。數字輸入/輸出量在數據存儲器中建立的文件分別稱為輸入/輸出映像文件，也叫輸入/輸出映像表。模擬輸入/輸出量通常在數據存儲器中建立塊傳送文件。生產廠家在生產PLC時，已經按照機器型號的不同，設置了不同容量的存儲器，小至1KB到幾KB，大至1～2MB。用戶可根據控制對象的復雜程度不同，預估所需容量，進而選擇機型。在16位PLC中，存儲器容量通常以字（不是字節）為基本單位，而在32位PLC處理器中，存儲容量常以字節計。

（2）控制容量

PLC的控制容量就是I/O容量，也叫I/O能力，通常以離散量（數字量）個數計。不同的PLC的I/O容量的差別很大，一些微型的PLC的I/O能力在20點以下，而大型PLC的I/O能力可達10KB以上。由于I/O容量大小與存儲容量的大小基本一致，生產廠家在生產PLC時，常以I/O容量的大小來設置不同的存儲器容量。I/O模塊、數據存儲器與程序存儲器之間的關系如圖1-62所示。

（3）循環掃描周期

PLC掃描周期也叫處理器掃描時間。通常將輸入掃描與輸出掃描合稱為I/O掃描，因此處理器掃描時間為I/O掃描與程序掃描（邏輯掃描）之和。I/O掃描時間是指處理器把其輸出映像表中的數據寫到輸出模塊和把輸入數據從輸入模塊讀到處理器輸入映像數據表的時間。當處理器完成了系統中所有的I/O刷新后，就開始邏輯掃描。邏輯掃描是執行用戶程序的時間，程序指令對某些條件進行檢查并將該條件與輸入映像表中的位相比較。如果映像表中的位與被檢查的條件相符，則邏輯為真，處理器就刷新輸出映像表中相應的位，這個過程將連續不斷地進行，直至執行到邏輯掃描的結束語句為止。這時開始I/O掃描。

在I/O掃描期間，處理器將完成內務處理和離散數據傳送兩項工作。內務處理時間（一般不大于4.5ms）包括處理器的內部檢查：用輸出映像表數據刷新處理器基本框架上駐留本地I/O輸出模塊；用輸出映像表的數據刷新遠程I/O緩沖區；用處理器基本框架內的I/O輸入狀態刷新輸入映像表；用存放在遠程I/O緩沖區的遠程I/O輸入狀態刷新輸入映像表。在完成內務處理之后，處理器將進行擴展本地I/O框架（如果存在）的掃描：擴展本地I/O的離散數據在處理器數據映像表和擴展本地I/O框架中的I/O之間進行交換；掃描擴展本地I/O框架所需要的時間加上內務處理時間就是總的I/O掃描時間。

遠程I/O系統是一種獨立的與程序掃描不同步的掃描。遠程I/O掃描從遠程I/O緩沖區取輸出數據送給輸出模塊，并將來自輸入模塊的輸入數據放入遠程I/O緩沖區；然后CPU在I/O掃描期間，再與遠程I/O緩沖區進行輸入和輸出映像表數據的交換。

由圖1-63 可見，機器在正常運行狀態下，每一個掃描周期都包含I/O掃描與用戶程序掃描（邏輯掃描），而這兩個過程在機器運行過程中所用的時間往往是可變的。特別對程序中有條件調用和子程序調用等情況，程序中指令數目難于確定，因此通常用執行1000條指令的時間（大約1～10ms/k指令）來衡量PLC的運行速度。

（4）指令功能及軟件支持

最初的PLC只是一些簡單的開關量邏輯控制器件，而且其控制數目有限，因此只有基本的輸入/輸出及程序控制指令，編程設備也很簡陋。但可編程序控制器發展到現在，不僅其I/O能力大大增強，且實現了對模擬量的各種控制，其指令系統也得到了充分的發展，變得相當完善。如S7-300系列可編程序控制器的指令系統包括繼電器指令、定時器和計數器、計算指令（包括三角函數、指數、冪運算等）、數據轉換、診斷、移位寄存器、比較、數據傳送、順序器、立即I/O、程序控制和PID控制，以及順序功能流程圖指令等，是指令功能最強的可編程序控制器之一。

在可編程序控制器不斷發展、指令功能不斷增強的同時，其開發手段也從早期的專用編程設備移到計算機上進行；計算機開發環境也從DOS轉到Win98//XP/NT上，從而變得更加易于使用。除編程軟件外，還有仿真軟件，這使PLC的開發、調試可以在一臺計算機上完成，縮短了應用系統的開發時間。通常在選擇PLC時，不但要考慮PLC本身是否適合應用，同時還要考慮相應的開發環境及軟件是否易用。