1.3　PLC的工作原理

1.3.1　PLC的等效电路

从PLC控制系统与电器控制系统比较可知，PLC的用户程序（软件）代替了继电器控制电路（硬件）。因此，对于使用者来说，可以将PLC等效成是许许多多各种各样的“软继电器”和“软接线”的集合，而用户程序就是用“软接线”将“软继电器”及其“触点”按一定要求连接起来的“控制电路”。

图1-6所示为三相异步电动机单向启动运行的电器控制系统。其中，由输入设备SB1、SB2、FR的触点构成系统的输入部分，由输出设备KM构成系统的输出部分。

如果用PLC来控制这台三相异步电动机，组成一个PLC控制系统，根据上述分析可知，系统主电路不变，只要将输入设备SB1、SB2、FR的触点与PLC的输入端连接，输出设备KM线圈与PLC的输出端连接，就构成PLC控制系统的输入、输出硬件线路，而控制部分的功能则由PLC的用户程序来实现，其等效电路如图1-7所示。

图1-7中，输入设备SB1、SB2、FR与PLC内部的“软继电器”X0、X1、X2的“线圈”对应，由输入设备控制相对应的“软继电器”的状态，即通过这些“软继电器”将外部输入设备状态变成PLC内部的状态，这类“软继电器”称为输入继电器；同理，输出设备KM与PLC内部的“软继电器”Y0对应，由“软继电器”Y0状态控制对应的输出设备KM的状态，即通过这些“软继电器”将PLC内部状态输出，以控制外部输出设备，这类“软继电器”称为输出继电器。

因此，PLC用户程序要实现的是：如何用输入继电器X0、X1、X2来控制输出继电器Y0。当控制要求复杂时，程序中还要采用PLC内部的其他类型的“软继电器”，如辅助继电器、定时器、计数器等，以达到控制要求。

要注意的是，PLC等效电路中的继电器并不是实际的物理继电器，它实质上是存储器单元的状态。单元状态为“1”，相当于继电器接通；单元状态为“0”，则相当于继电器断开。因此称这些继电器为“软继电器”。

1.3.2　PLC的工作方式

最初研制生产的PLC主要用于代替传统的由继电器、接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式是不相同的。

继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）无论在继电器控制电路的哪个位置上都会立即同时动作。

PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点（包括其常开或常闭触点）不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。

为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式——扫描技术。这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置在处理结果上就没有什么区别了。

PLC控制任务的完成建立在硬件支持下，通过执行反映控制要求的用户程序来实现，其工作原理与计算机控制系统基本相同。

PLC采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作。运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束，然后重新返回第一条指令，开始新一轮扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。

1.3.3　PLC的工作过程

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个段称为一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段，如图1-8所示。

（1）输入采样阶段

首先以扫描方式按顺序读入所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据，并将其存入（写入）各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。在程序执行阶段，即使输入状态有变化，输入状态寄存器也不会改变，只能等下一个扫描周期的输入采样阶段被读入。

（2）程序执行阶段

按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，所需的执行条件可从输入状态寄存器和当前输出状态寄存器中读入，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。

在程序执行阶段，除输入映像寄存器外，各个元件映像寄存器的内容是随着程序的执行而不断变化的。

（3）输出刷新阶段

当所有指令执行完毕后，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。

在输出刷新阶段结束后，CPU进入下一个扫描周期，重新执行输入采样，周而复始。