当用户程序被完全扫描一遍后，所有的输出映像都被依次刷新，系统将进入下一个阶段，即输出刷新阶段。

.输出刷新阶段

在这个阶段，系统程序将输出映像寄存器中的内容传送到输出锁存器中，经过输出接口或输出端子输出，驱动外部负载。输出锁存器一直将状态保持到下一个循环周期，而输出映像寄存器的状态在程序执行阶段是动态的。4.总结

根据上述过程的描述，可对PLC工作过程的特点总结如下：

1）PLC采用集中采样、集中输出的工作方式，这种方式减少了外界干扰的影响。

2）PLC的工作过程是循环扫描的过程，循环扫描时间的长短取决于指令执行速度、用户程序的长度等因素。

3）输出对输入的响应有滞后现象。PLC采用集中采样、集中输出的工作方式，当采样阶段结束后，输入状态的变化将要等到下一个采样周期才能被接收，因此这个滞后时间的长短又主要取决于循环周期的长短。此外，影响滞后时间的因素还有输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间等。

4）输出映像寄存器的内容取决于用户程序扫描执行的结果。

5）输出锁存器的内容，由上一次输出刷新期间输出映像寄存器中的数据决定。

6）PLC当前实际的输出状态，由输出锁存器的内容决定。

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需要补充说明的是，当系统规模较大、I/O点数众多、用户程序比较长时，单纯采用上面的循环扫描工作方式会使系统的响应速度明显降低，甚至会丢失、错漏高频输入信号，因此大多数大中型PLC在尽量提高程序指令执行速度的同时，也采取了一些其他措施来加快系统响应速度。例如采用定周期输入采样、输出刷新，直接输入采样、直接输出刷新，中断输入、输出，或者开发智能I/O模块，模块本身带有CPU，可以与主机的CPU并行工作，分担一部分任务，从而加快整个系统的执行速度。第四节 PLC的硬件基础

I/O单元是组成PLC系统的重要环节，本节以介绍I/O单元的硬件电路为主，在此基础上简单介绍PLC系统的硬件配置。应当说明的是，不同PLC在硬件的具体实现方案上总是有区别的，本节的任务是讨论一般性的原理，而非某一具体型号的结构特征，本书后续章节将针对不同型号的PLC，分别介绍其特点。一、PLC的I/O模块

PLC的输入/输出部分，可以分为数字量I/O（DI/DO）和模拟量I/O（AI/AO）两大类。1.数字量I/O（DI/DO）

PLC一般总是将输入、输出分成若干组，每组共用一个输入、输出端口，下面分别介绍数字量输入、输出电路的具体形式。

（1）数字量输入单元

数字量输入电路有多种形式，能分别适用于直流和交流的数字输入量。而在直流数字量的输入电路中，根据具体的电路形式又有源型和漏型之别

在图1-4中，若干个输入点组成一组，共用一个公共端COM。每一个点都构成一个回路，图中只画出了一路。回路的电流流向是从输入端口流入PLC，从公共端流出。图中的电阻R2和电容C构成RC滤波电路，光耦合器将现场信号与PLC内部电路隔离，并且将现场信号的电平（图中为DC24V）转换为PLC内部电路可以接受的电平。发光二极管（LED）用来指示当前数字量输入信号的高、低电平状态。

目前，有很多PLC采用双向光耦合器，并且使用两个反向并联的发光二极管，这样一来，DC24V电源的极性可以任意接，电流的流向也可以是任意的。

交流数字量输入电路也有多种形式，有些采用桥式整流电路将交流信号转换成直流，然后经过光耦合器隔离输入内部电路；而有些PLC则直接使用双向光耦合器和双向发光二极管，从而省去了桥式整流电路。

PLC的数字量输出有三种形式：继电器模式、晶体管模式、晶闸管模式，分别用于驱动不同形式的负载。图1-6给出了继电器输出模式的原理图，图中的KA为输出继电器，继电器输出模式可以带交流、直流两种负载。2.模拟量I/O（AI/AO）

PLC的模拟量I/O接口用于处理连续变化的电压或电流信号，在过程控制领域以及数据采集及监控系统中用途极广。

（1）模拟量输入单元

传感器将被控对象中连续变化的物理量（例如温度、压力、流量、速度等）转换成对应的连续电量（电压或电流）并送给PLC，PLC的模拟量输入单元将其转换成数字量后，CPU可对其进行运算处理。因此，模拟量输入单元的核心部件是A-D转换器，对于多路输入的模块，需要多路开关配合使用。

模拟量输入信号可以是电压或电流，在选型时要考虑输入信号的范围以及系统要求的A-D转换精度。常见的输入范围有DC±10V、0～10V、±20mA、4～20mA等，转换精度有8位、10位、11位、12位、16位等，PLC生产厂家的相关技术手册都会提供这些参数。此外，选型时还需要考虑接线形式是否与传感器匹配。

（2）模拟量输出单元

模拟量输出的过程与输入正相反，它将PLC运算处理过的二进制数字转换成相应的电量（例如4～20mA、0～10V等），输出至现场的执行机构，它的核心部件是D-A转换器。图1-8为模拟量输出单元的原理框图。

模拟量输出单元的主要技术指标同样包括输出信号形式（电压或电流）、输出信号范围（例如4～20mA、0～10V等），以及接线形式等，在选型时要充分考虑到这些因素与工业现场执行元件相互结合的问题。

图1-8 模拟量输出单元原理框图二、PLC的配置

PLC的品种繁多，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方法等各有特点，适用场合也各有侧重。站在硬件选型的角度，首先需要考虑的是设备容量与性能是否与任务相适应；其次要看PLC运行速度是否能够满足实时控制的要求。

所谓设备容量，主要是指系统I/O点数的多少以及扩充的能力。对于纯开关量控制的应用系统，如果对控制速度的要求不高，比如单台机械的自动控制，可选用小型一体化PLC，例如三菱公司的FX2N系列PLC。

对于以开关量控制为主，带有部分模拟量控制的应用系统，如工业中常遇到的温度、压力、流量、液位等，应配备模拟量I/O（AI/AO），并且选择运算功能较强的小型PLC，例如西门子公司的S7-200系列PLC。

对于比较复杂，控制功能要求较高的系统，比如需要PID调节、位置控制、高速计数、通信联网等功能时，应当选用中、大型PLC，这一类PLC多为模块式结构，除了基本的模块外，还提供专用的特殊功能模块。当系统的各个部分分布在不同的地域时，可以利用远程I/O组成分布式控制系统。适合这一类型的产品有西门子公司的S7-300/400系列PLC等。

PLC的输出控制相对于输入的变化总是有滞后的，大可至2～3个循环周期，这对于一般的工业控制是允许的。但有些系统的实时性要求较高，不允许有较大的滞后时间，在这种要求比较高的场合，必须格外重视PLC的指令执行速度指标，选择高性能、模块式结构的PLC较为理想。例如西门子公司的S7-300/400 PLC，浮点运算指令的执行时间可以达到微秒级，另一个好处是可以配备专用的智能模块，这些模块都自带CPU独立完成操作，可大大提高控制系统的实时性。

一体化机型的PLC将电源部件集成在主机内，只需从电网引入外界电源即可，扩展单元的用电可通过扩展电缆馈送。模块式PLC通常需要专用的电源模块，在选择电源模块时要考虑功率的问题，可以通过查阅模块技术手册得到各个模块的功耗，其总和再加上裕量就是选择电源模块的依据。注意，有些情况下需要PLC电源通过I/O单元驱动传感器和负载，这一部分功耗也必须考虑在内。第五节 PLC的软件基础

PLC是一种通用的、商业化的工业控制计算机，与个人计算机相仿，用户程序必须在系统程序的管理下才能运行。本节首先介绍PLC系统监控程序的运行情况，然后再介绍用户指令系统的相关内容。一、系统监控程序

系统监控程序的运行从设备上电开始，经过初始化程序后进入循环执行阶段。在循环执行阶段要完成的操作有四大类：以故障诊断、通信处理为主的公共操作；联系工业现场的数据输入、输出操作；执行用户程序的操作；服务于外部设备的操作。图1-9是系统监控程序执行过程框图，图中的输入刷新、用户程序执行、输出刷新三部分内容在第三节专门讲过，这里只介绍其他几部分。1.初始化程序

作用是清零各个标志寄存器，清零输入、输出映像寄存器，清零所有计数器，复位定时器等，即为PLC开始正常工作“清理现场”。2.CPU自诊断

自诊断主要包括检查电源电压是否正常，I/O单元的连接是否正常，用户程序是否存在语法错误，对监控定时器定期复位等。监控定时器又常被称为“看门狗”（Watch Dog Timer，WDT），其定时时间略长于整个程序的循环周期，系统程序总在某一固定阶段对它重新装入定时初值，所以只要系统工作正常，监控定时器就永远不会申请定时到中断。否则，如果监控定时器申请定时时间到中断，就一定意味着系统的某处出现了问题，系统会响应其中断，并在中断处理程序中对故障信息做相应处理。3.通信信息处理

这个阶段PLC要完成与网络及总线上其他设备的通信任务，包括与PLC、计算机、智能I/O模块、数字处理器（Data Processing Unit，DPU）等设备之间的信息交换

PLC在这个阶段与外部设备交换信息，包括编程器、图形监视器（监控设备）、打印机等。PLC允许在线编程，能够与人机界面实时交换信息，所以要在每个循环周期内执行此项操作。二、用户应用程序

用户程序是由用户编写的，能够完成系统控制任务的指令序列。不同厂家的PLC会提供不同的指令集，但基本的编程元件和编程形式有许多共同之处。1.PLC的编程元件

PLC的编程元件也称为逻辑部件，是PLC指令系统中的基本要素，PLC指令系统通常都提供以下逻辑部件：

（1）继电器

输入、输出映像寄存器里的每一位，在指令系统中都对应一个固定的编号，在图形编程语言（例如梯形图语言）中形象地用继电器线圈来表示，因此也常称之为输入继电器、输出继电器。同时为了满足对复杂逻辑关系的编程要求，还提供大量的中间辅助继电器，它们也对应存储器中的某一固定区域。这些继电器都是所谓的“软元件”，它们的状态用一个二进制位就可以表示，1对应“ON”状态，0对应“OFF”状态。

（2）定时器

类似于继电器逻辑电路中的时间继电器，有延时接通、延时断开、脉冲定时等多种形式，可以组成复杂的时间顺序逻辑。定时器指令一般由线圈、定时时间设定值和当前计时值组成，PLC专门在存储器中开辟出一个区域，用以保存各个定时器线圈当前的状态（“ON”或“OFF”）以及时间的设定值和当前值。定时器的常开、常闭触点可以在用户程序中无限次使用。

（3）计数器

用软件实现的计数器指令，用于实现脉冲计数功能，有递减计数、递增计数等形式，不同的PLC在计数器数量、计数长度等方面都有所区别。计数器指令一般包含计数器线圈、计数值设定、计数器复位、计数信号输入、当前计数值等。计数器的常开、常闭触点可以在用户程序中无限次使用。

（4）触发器

该指令用于对状态位的置1和清零，状态位即为触发器线圈，它的“ON”状态一旦触发可以自保持，直至复位条件满足才变为“OFF”状态。触发器的常开、常闭触点可以无限次使用。

（5）其他元器件及指令

除上述四种逻辑元件之外，PLC指令系统一般还提供移位寄存器、数据寄存器、边沿检测、比较、运算、ASCII码处理以及数制转换等多种指令。2.PLC的编程语言

常用的编程语言有梯形图语言、语句表语言、功能块图等。