1.2 PLC的特点与工作原理

PLC是综合继电控制的优点及计算机灵活、方便的优点而设计制造和发展起来的，这就使PLC具有许多其他控制器无法比拟的特点。

1.PLC的基本特点

【可靠性高，抗干扰能力强】由PLC的定义可以知道，PLC是专门为工业应用而设计的，因此在设计PLC时，从硬件和软件上都采取了抗干扰的措施，提高了其可靠性。可靠性高的PLC的平均无故障时间一般在5×104h以上，三菱、西门子、ABB、松下等微小型PLC可达10×104h以上，而且均有完善的自诊断功能，判断故障迅速，便于维护。

硬件措施：

屏蔽：对PLC的电源变压器、内部CPU、编程器等主要部件利用导电、导磁良好的材料进行屏蔽，以免受到外界的电磁干扰。

滤波：对PLC的I/O线路采用了多种形式的滤波措施，以消除或抑制高频干扰。

隔离：在PLC内部的微处理器和I/O电路之间采用光隔离措施，有效地隔离了I/O间的电气联系，减少了故障和误动作的发生。

采用模块式结构：这种结构有助于在故障情况下短时修复。因为一旦查出某一模块出现故障，就能迅速更换该模块，使系统尽快恢复正常工作。

软件措施：

故障检测：设计了故障检测软件，定期检测外界环境，如掉电、欠电压、强干扰信号等，以便及时进行处理。

信息保护和恢复：PLC出现偶发性故障时，信息保护和恢复软件可以对PLC内部信息进行保护，使其不被破坏。一旦故障消失，即可恢复原来的信息，使之正常工作。

设置警戒时钟WDT：如果PLC程序每次循环执行时间超过了WDT规定的时间，预示程序进入死循环，会立即报警。

对程序进行检查和检验，一旦程序有错，立即报警，并停止执行。

【通用性强，使用方便】PLC产品已系列化和模块化，PLC制造商为用户提供了品种齐全的I/O模块和配套部件。用户在进行控制系统设计时，无须自己设计和制作硬件装置，只须根据控制要求进行模块的配置，设计满足控制要求的应用程序即可。对于一个控制系统，当控制要求改变时，只须修改程序，就能变更控制功能。

【功能强】PLC应用微电子技术和微计算机，最简单的PLC都具有逻辑、定时、计数等顺序控制功能；基本式的PLC还具备模拟I/O、基本算术运算、通信能力等功能；复杂的PLC除了具有上述功能，还具有扩展计算、多级终端机制、智能I/O、PID调节、过程监控、网络通信、远程I/O、多处理器和高速数据处理能力。

【采用模块化结构，使系统组合灵活方便】PLC的各个部件均采用模块化设计，各模块之间可由机架和电缆连接。系统的功能和规模可根据用户的实际需求自行组合。

【编程语言简单、易学，便于掌握】PLC是由继电控制系统发展而来的一种新型的工业自动化控制装置，其主要用户是广大的电气技术人员。用户利用梯形图（Ladder Diagram，LD）、功能块图（Function Block Diagram，FBD）、指令表（Instruction List，IL）和顺序功能表图（Sequential Function Chart，SFC）编程，不需要太多的计算机编程知识。新的编程工作站配有综合的软件工具包，可在PC上实现编程，采用了与继电控制原理相似的梯形图语言，易学、易懂。

【系统设计周期短】由于系统硬件的设计任务仅是根据对象的控制要求配置适当的模块，无须设计具体的接口电路，这样可以大大缩短整个设计所花费的时间。

【对生产工艺改变适应性强】PLC的核心部件是微处理器，它实质上是一种工业控制计算机，其控制功能是通过软件编程来实现的。当生产工艺发生变化时，不必改变PLC硬件设备，只须改变PLC中的程序即可。这对现代化的小批量、多品种产品的生产尤其适合。

【安装简单、调试方便、维护工作量小】与计算机系统相比，PLC的安装不需要特殊机房和严格的屏蔽。使用时，只要各种部件连接无误，系统便可工作，各个模块上设有运行和故障指示装置，便于查找故障，大多数模块可以带电插拔，模块可更换，使用户可以在最短的时间内查出故障并将其排除，最大限度地压缩故障停机时间，使生产迅速恢复。一些PLC外壳由可在不良工作环境下工作的合金制成，结构简单，上面带有散热槽，在高温下这种外壳不像塑料制品那样容易变形，还可抗无线电频率（RF高频）电磁干扰、防火等。PLC控制系统的安装接线工作量比继电控制系统的少得多，只须将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连即可。PLC软件设计和调试大多可在实验室里进行，用模拟实验开关代替输入信号，其输出状态可以从PLC上的相应发光二极管（LED）观察得知，也可以另接输出模拟实验板。模拟调试好后，再将PLC控制系统安装到现场，进行联机调试，这样既省时间又很方便，提高了调试、维护的工作效率。

2.PLC的基本工作原理

PLC运行程序的方式与微型计算机相比有较大的不同。微型计算机运行程序时，一旦执行到END指令，程序运行结束。而PLC从0000号存储地址所存放的第一条用户程序开始，在无中断或跳转的情况下，按存储地址号递增的方向顺序逐条执行用户程序，直到END指令结束，然后再从头开始执行，并周而复始地重复，直到停机或从运行（RUN）状态切换到停止（STOP）状态。通常把PLC这种执行程序的方式称为扫描工作方式。每扫描完一次程序就构成一个扫描周期。另外，PLC对I/O信号的处理也与微型计算机的不同。微型计算机对I/O信号实时处理，而PLC对I/O信号是集中批处理。

PLC扫描工作方式主要分3个阶段，即输入采样、程序执行、输出刷新，如图1-1所示。

【输入采样阶段】在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映像区中相应的单元内。输入采样结束后，转入程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映像区中相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入的是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，这样才能保证在任何情况下该输入均能被读入。

【程序执行阶段】在程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次扫描用户程序（梯形图）。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映像区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映像区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映像区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图的程序执行结果，会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图的被刷新的逻辑线圈的状态或数据，只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

【输出刷新阶段】扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映像区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时才是PLC的真正输出。

从微观上来看，由于PLC特定的扫描工作方式，程序在执行过程中所用的输入信号是本周期内采样阶段的输入信号。若在程序执行过程中，输入信号发生变化，其输出不能即时响应，只能等到下一个扫描周期开始时才能采样该输入信号。另外，程序执行过程中产生的输出不是立即去驱动负载，而是将处理结果存放在输出映像寄存器中，等到程序全部执行结束时，才能将输出映像寄存器的内容通过锁存器输出到端子上。

因此，PLC最显著的不足之处是I/O有响应滞后现象。但对一般工业设备来说，其输入为一般的开关量，其输入信号的变化周期（秒级以上）大于程序扫描周期（毫秒或微秒级），因此从宏观上来看，输入信号一旦变化，就能立即进入输入映像寄存器。也就是说，PLC的I/O响应滞后现象对一般工业设备来说是完全容许的。但对某些设备，如果需要输出对输入作快速响应，这时可采用快速响应模块、高速计数模块或中断处理等措施来尽量减少滞后时间。

从PLC的工作过程可以总结如下4个结论。

以扫描的方式执行程序，其I/O信号间的逻辑关系存在原理上的滞后。扫描周期越长，滞后就越严重。

扫描周期除了包括输入采样、程序执行、输出刷新3个主要工作阶段所占用的时间，还包括系统管理操作占用的时间。其中，程序执行的时间与程序的长短及指令操作的复杂程度有关，其他基本不变。扫描周期一般为毫秒或微秒级。

第n次扫描执行程序时，所依据的输入数据是该次扫描周期中采样阶段的扫描值X（n）；所依据的输出数据有上一次扫描的输出值Y（n-1），也有本次的输出值Y（n）。送往输出端子的信号，是本次执行全部运算后的最终结果Y（n）。

I/O响应滞后不仅与扫描方式有关，还与程序设计安排有关。