PLC循环扫描原理

    PLC是在系统程序的管理下，依据用户程序的安排，结合输入信号的变化，确定输出口的状态，以推动输出口上所连接的现场设备工作。当然，这不是PLC工作的全部内容，全部内容还要更复杂一些。

    图2-11是PLC运行示意图。从图中可知，PLC的工作过程除了与应用程序相关的处理外还有许多内部管理工作，如通信服务、故障自诊断等，这些也是必不可少的。此外，PLC有两种运行方式，即STOP方式和RUN方式。只有在RUN方式中，PLC才执行用户程序，并输出运算结果。STOP及RUN方式的选择可以通过机器外部的开关或通过程序加以控制。

    图2-11    扫描过程

   PLC工作原理中相对继电器电路最重要的区别是串行工作方式，这里有两层含义：一是图2-11中所含各项工作内容是分时完成的；二是PLC对输入/输出信号的响应不是定时的。为了说明的方便，这里选择PLC工作过程中与控制任务最直接相关的三个阶段即输入采样、程序执行、输出刷新进行重点说明。图2-12所示为这三个阶段的工作过程示意图。

    图2-12    PLC扫描的工作过程

   (1)输入采样阶段。PLC将各输入状态存入内存中各对应的输入映像寄存器中。此时，输入映像寄存器被刷新。接着进入程序执行阶段，在程序执行阶段和输出刷新阶段，输入映像寄存器与外界隔离，无论输入信号如何变化，其内容都保持不变。

   (2)程序执行阶段。PLC根据最新读入的输入信号状态，执行一次应用程序。结果存入元件映像寄存器中。对元件映像寄存器来说，各个元件的状态会随着程序执行过程而变化。该阶段通过映像寄存器对输入/输出进行存取，而不是实际的I/O点，这样有利于系统的稳定运行，提高编程质量，提高程序的执行速度。

   (3)通信处理。在通信请求处理阶段，CPU处理从通信接口和智能模块接收到的信息，例如读取智能模块的信息并存放在缓冲区中，在适当的时候传送给通信请求方。

   (4) CPU自诊断测试。自诊断测试包括定期检查CPU模块的操作和控制模块的状态是否正常，将监控定时器复位，以及完成其他内部工作。

   (5)输出刷新阶段。在所有指令执行完毕后，一次性地将程序执行结果送到输出端子，驱动外部负载。当CPU的工作模式从RUN变为STOP时，数字量输出被置为系统块中的输出表定义的状态，或保持当时的状态。默认的设置是将数字量输出清零。

   (6)中断程序的处理。如果在程序中使用了中断，则中断事件发生时，CPU将停止正常的扫描工作模式，立即执行中断程序。中断功能可以提高PLC对某些事件的响应速度。

   (7)立即I/O处理。在程序执行过程中使用立即I/O指令可以直接存取I/O点。用立即I/O指令读输入点的值时，相应的输入过程映像寄存器的值未被更新。用立即I/O指令改写输出点的值时，相应的输出过程映像寄存器的值被更新。

    可以简单地将以上几个工作阶段完成一遍的过程叫做一个扫描周期，其典型值为1～100 ms。PLC的工作就是周而复始地执行扫描周期。但是如果综合一下以上几个工作阶段的工作内容后不难发现，在本扫描周期的程序执行阶段发生的输入状态变化是不会影响本周期的输出的。无论是输入采样，还是程序执行或输出刷新，每—个动作都需要分时工作，更深入的内容是在程序执行阶段中，指令的执行是分时的。对于梯形图程序，分时执行可理解为从左至右、从上而下执行梯形图程序的各个支路。对于指令表程序，可以理解为依指令的顺序逐条执行指令表程序。指令执行所需的时间与用户程序的长短、指令的种类和CPU执行指令的速度有很大关系。用户程序较长时，指令执行时间在扫描周期中将占相当大的比例。

    分时是计算机工作的特点，正像人在某个瞬间只能处理一件事情一样，计算机在某个瞬间只能做一个具体的动作，这就叫串行工作方式。而继电接触器控制系统是并行工作方式。在图2-13(a)中，3条继电器支路是并行工作的，当按下按钮SB1时，中间继电器K得电，K的两个触点闭合，接触器KM1、KM2同时得电工作。这就是“并行”的含义。而PLC的情况则不同，如图2-13(b)所示，图中方框表示PLC，方框中的梯形图代表PLC中装有的控制程序，经和图2-13(a)中继电器的电路相比较，可知它们的逻辑关系是一样的。PLC输入接口上接有按钮SB1、SB2和电源，输出接口上接有接触器KM1、KM2，当SB2没有被按下而SB1被按下时，PLC的继电器I0.0、I0.1接通，PLC内部继电器M10.0工作并使PLC的继电器Q0.0及Q0.1工作。但是，M10.0和Q0.0、Q0.1的接通工作不是同时的。以I0.1接通为计时起点，M10.0接通要晚3条指令的执行时间，Q0.1接通要晚7条指令的执行时间。

    图2-13    继电器与PLC控制方式的比较

   (a)继电器控制系统简图；(b)用PLC实现控制功能的接线示意图

    那么，这种动作的滞后会不会影响控制对象的工作呢？答案是一般不会。由于PLC的工作速度高，整个扫描周期一般只有几十至几百毫秒，这对于一般的逻辑控制是完全可以满足的。对于时间要求非常严格的场合，立即输入与立即输出的响应就只有靠中断来完成了。

    概括而言，PLC的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式。CPU从第一条指令开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。PLC就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。

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