可编程控制器的工作状态、工作方式和扫描周期

    PLC的工作状态有停止(STOP)状态和运行(RUN)状态。当通过方式开关选择STOP状态时，只进行内部处理和通信服务等内容，对PLC进行连机或离线编程。而当选择RUN状态或CPU发出信号一旦进入RUN状态，就采用周期循环扫描方式执行用户程序。    PLC的工作方式是采用周期循环扫描，集中输入与集中输出。这种工作方式的显著特点是：可靠性高、抗干扰能力强，但响应滞后、速度慢。也就是说PLC是以降低速度为代价换取高可靠性的。    PLC的工作框图如图1-4所示，框图全面表示了PLC控制系统的工作过程。
    图1-4    可编程控制器的工作框图    PLC通电后，CPU在程序的监督控制下先进行内部处理，包括硬件初始化、I/O模块配置检查、停电保持范围设定及其他初始化处理等工作。在执行用户程序之前还应完成通信服务与自诊检查。在通信服务阶段，PLC应完成与一些带处理器的智能模块及其他外部设备的通信，完成数据的接收和发送任务，响应编程器键入的命令，更新编程器显示内容，更新时钟和特殊寄存器内容等。PLC有很强的自诊断功能，如电源检测、内部硬件是否正常、程序语法是否有错等。一旦有错或异常则CPU能根据错误类型和程度发出信号，甚至进行相应的出错处理，使PLC停止扫描或强制变成STOP状态。    在正常情况下，一个用户程序扫描周期由三个阶段组成，如图1-5所示。以下介绍三个阶段的工作过程。
    图1-5    可编程控制器扫描过程示意图    (1)输入采样阶段    输入采样阶段又称输入采样。在此阶段，扫描所有输入端子并将输入量（开／关、0/1状态）顺序存入输入映象寄存器。此时输入映象寄存器被刷新，然后关闭输入通道，接着转入程序执行阶段。在程序执行和输出处理阶段。无论外部输入信号如何变化，输入映象寄存器内容保持不变，直到下一个扫描周期的采样阶段，才重新写入输入端的新内容。    输入采样的内容包括对远程I/O特殊功能模块和其他外部设备通信服务所得信息（相应数据寄存器和存储器中）的采集。根据不同的控制要求，输入采样有多种方式，上述采样方式运用于小型PLC，其I/O点数较少、用户程序较短。一次集中输入、集中输出方式虽然在一定程度上降低了系统的响应速度，但从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。而大、中型PLC的I/O点数相对较多，用户程序相应较长，为提高系统响应速度而采用定期输入采样、直接输入采样、中断输入采样及智能I/O接口模块等多种采样方式，以求提高运行速度。    (2)程序执行阶段    PLC对用户程序（梯形图）按先左后右、从上至下的步序，逐步执行程序指令。在程序执行过程中根据程序执行需要，从输入映象寄存器、内部元件寄存器（内部继电器、计时器、计数器等）中，将有关元件的状态、数据读出，按程序要求进行逻辑运算和算术运算，并将每步运算结果写入相关元件映象寄存器（有关存储器或数据寄存器）。因此，内部元件寄存器随程序执行在不断刷新。    (3)输出处理阶段    所有程序指令执行完毕，将内部元件寄存器中所有输出继电器状态（构成输出状态表）在输出处理阶段一次转存到输出锁存存储器中，经隔离、驱动功率放大电路送到输出端，并通过PLC外部接线驱动实际负载。    用户程序执行扫描方式既可按上述固定顺序方式，也可以按程序指定的可变顺序进行。这不仅因为有的程序无需每扫描一次就执行一次，更主要的是在一个大、中控制系统中需要处理的I/O点数多、程序结构庞大，通过安排不同的组织模块，采用分时、分批扫描执行方式，可缩短循环扫描周期，从而提高控制实时响应速度。    循环扫描的工作方式是PLC的一大特点，针对工业控制采用这种工作方式使PLC具有一些优于其他各种控制器的特点。例如：可靠性、抗干扰能力明显提高；串行工作方式避免触点（逻辑）竞争和时序失配；简化程序设计；通过扫描时间定时监视可诊断CPU内部故障，避免程序异常运行的不良影响等。    循环扫描工作方式的主要缺点是带来控制响应滞后性。一般工业设备是允许I/O响应滞后的，但对某些需要I/O快速响应的设备则应采取相应措施，尽可能提高响应速度，如硬件设计上采用快速响应模块、高速计数模块等，在软件设计上采用不同中断处理措施，优化设计程序等。影响响应滞后的主要因素有：输入电路、输出电路的响应时间、PLC的运算速度、程序设计结构等。    可编程控制器在RUN工作状态时，执行一次图1-5所示的扫描所需的时间称扫描周期T。它是自诊断、输入采样、用户程序执行和输出刷新等几部分时间的总和，其中用户程序执行时间是影响扫描周期T长短的主要因素，它决定于程序执行速度、程序长短和程序执行情况。必须指出，程序执行情况不同，所需时间相差很大，因此要准确计算扫描周期T是很困难的。