1.3　PLC的工作原理

1.3.1　PLC的等效電路

從PLC控制系統(tǒng)與電器控制系統(tǒng)比較可知，PLC的用戶程序（軟件）代替了繼電器控制電路（硬件）。因此，對于使用者來說，可以將PLC等效成是許許多多各種各樣的“軟繼電器”和“軟接線”的集合，而用戶程序就是用“軟接線”將“軟繼電器”及其“觸點”按一定要求連接起來的“控制電路”。

圖1-6所示為三相異步電動機單向啟動運行的電器控制系統(tǒng)。其中，由輸入設(shè)備SB1、SB2、FR的觸點構(gòu)成系統(tǒng)的輸入部分，由輸出設(shè)備KM構(gòu)成系統(tǒng)的輸出部分。

如果用PLC來控制這臺三相異步電動機，組成一個PLC控制系統(tǒng)，根據(jù)上述分析可知，系統(tǒng)主電路不變，只要將輸入設(shè)備SB1、SB2、FR的觸點與PLC的輸入端連接，輸出設(shè)備KM線圈與PLC的輸出端連接，就構(gòu)成PLC控制系統(tǒng)的輸入、輸出硬件線路，而控制部分的功能則由PLC的用戶程序來實現(xiàn)，其等效電路如圖1-7所示。

圖1-7中，輸入設(shè)備SB1、SB2、FR與PLC內(nèi)部的“軟繼電器”X0、X1、X2的“線圈”對應(yīng)，由輸入設(shè)備控制相對應(yīng)的“軟繼電器”的狀態(tài)，即通過這些“軟繼電器”將外部輸入設(shè)備狀態(tài)變成PLC內(nèi)部的狀態(tài)，這類“軟繼電器”稱為輸入繼電器；同理，輸出設(shè)備KM與PLC內(nèi)部的“軟繼電器”Y0對應(yīng)，由“軟繼電器”Y0狀態(tài)控制對應(yīng)的輸出設(shè)備KM的狀態(tài)，即通過這些“軟繼電器”將PLC內(nèi)部狀態(tài)輸出，以控制外部輸出設(shè)備，這類“軟繼電器”稱為輸出繼電器。

因此，PLC用戶程序要實現(xiàn)的是：如何用輸入繼電器X0、X1、X2來控制輸出繼電器Y0。當(dāng)控制要求復(fù)雜時，程序中還要采用PLC內(nèi)部的其他類型的“軟繼電器”，如輔助繼電器、定時器、計數(shù)器等，以達到控制要求。

要注意的是，PLC等效電路中的繼電器并不是實際的物理繼電器，它實質(zhì)上是存儲器單元的狀態(tài)。單元狀態(tài)為“1”，相當(dāng)于繼電器接通；單元狀態(tài)為“0”，則相當(dāng)于繼電器斷開。因此稱這些繼電器為“軟繼電器”。

1.3.2　PLC的工作方式

最初研制生產(chǎn)的PLC主要用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的由繼電器、接觸器構(gòu)成的控制裝置，但這兩者的運行方式是不相同的。

繼電器控制裝置采用硬邏輯并行運行的方式，即如果這個繼電器的線圈通電或斷電，該繼電器所有的觸點（包括其常開或常閉觸點）無論在繼電器控制電路的哪個位置上都會立即同時動作。

PLC的CPU則采用順序邏輯掃描用戶程序的運行方式，即如果一個輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開，該線圈的所有觸點（包括其常開或常閉觸點）不會立即動作，必須等掃描到該觸點時才會動作。

為了消除二者之間由于運行方式不同而造成的差異，考慮到繼電器控制裝置各類觸點的動作時間一般在100ms以上，而PLC掃描用戶程序的時間一般均小于100ms，因此，PLC采用了一種不同于一般微型計算機的運行方式——掃描技術(shù)。這樣在對于I/O響應(yīng)要求不高的場合，PLC與繼電器控制裝置在處理結(jié)果上就沒有什么區(qū)別了。

PLC控制任務(wù)的完成建立在硬件支持下，通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)，其工作原理與計算機控制系統(tǒng)基本相同。

PLC采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進行工作。運行時，CPU根據(jù)用戶按控制要求編制好并存于用戶存儲器中的程序，按指令步序號（或地址號）作周期性循環(huán)掃描，如無跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至程序結(jié)束，然后重新返回第一條指令，開始新一輪掃描。在每次掃描過程中，還要完成對輸入信號的采樣和對輸出狀態(tài)的刷新等工作。

1.3.3　PLC的工作過程

當(dāng)PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個段稱為一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段，如圖1-8所示。

（1）輸入采樣階段

首先以掃描方式按順序讀入所有暫存在輸入鎖存器中的輸入端子的通斷狀態(tài)或輸入數(shù)據(jù)，并將其存入（寫入）各對應(yīng)的輸入狀態(tài)寄存器中，即刷新輸入。隨即關(guān)閉輸入端口，進入程序執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行階段，即使輸入狀態(tài)有變化，輸入狀態(tài)寄存器也不會改變，只能等下一個掃描周期的輸入采樣階段被讀入。

（2）程序執(zhí)行階段

按用戶程序指令存放的先后順序掃描執(zhí)行每條指令，所需的執(zhí)行條件可從輸入狀態(tài)寄存器和當(dāng)前輸出狀態(tài)寄存器中讀入，經(jīng)相應(yīng)的運算和處理后，其結(jié)果再寫入輸出狀態(tài)寄存器中，輸出狀態(tài)寄存器中所有的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而改變。

在程序執(zhí)行階段，除輸入映像寄存器外，各個元件映像寄存器的內(nèi)容是隨著程序的執(zhí)行而不斷變化的。

（3）輸出刷新階段

當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢后，輸出狀態(tài)寄存器的通斷狀態(tài)在輸出刷新階段送至輸出鎖存器中，并通過一定的方式（繼電器、晶體管或晶閘管）輸出，驅(qū)動相應(yīng)輸出設(shè)備工作。

在輸出刷新階段結(jié)束后，CPU進入下一個掃描周期，重新執(zhí)行輸入采樣，周而復(fù)始。