深度理解PLC的工作原理(How PLC works)

工控的小夥伴應該都知道PLC是以循環掃描的方式進行工作的。但是如果要細問幾個問題，估計並不是所有的人都能答上來。比如：循環掃描都有哪些步驟？循環掃描的過程中，數字量和模擬量都要進入緩存區嗎？PLC的程序結構是怎樣的呢？今天這篇文章，我們就來深入討論下PLC的工作原理並回答這幾個問題。

在討論PLC的工作原理之前，我們先來看看PLC的程序結構。

PLC的CPU中有兩類程序：一類是操作系統，它由PLC的廠家設計並在出廠前固化到CPU中；另一類是用戶程序，它是由編程人員根據實際需要設計的、完成特定功能的程序；

操作系統預留一些介面（Interface）給用戶程序。通過這些介面，操作系統可以控制用戶程序的執行。一般有兩種介面：主程序介面和中斷程序介面。

主程序介面是正常情況下用戶程序運行的起點。PLC的這種設計思想與計算機編程是一樣的。我們知道，在C語言的編程中，程序的運行起始於Main函數。在Main函數中，按照從上到下的順序依次執行代碼。Main函數是操作系統執行用戶程序的介面。

在西門子S7-300/400系列PLC中，程序的運行起始於組織塊OB1。OB1就相當於C語言的Main函數；在S7-200 smart中，更是直接把OB1稱為Main塊。

如果程序比較複雜，還可以把一些常用的功能設計成模塊，以便重複利用。這些小的模塊稱為子程序。

子程序存在於主程序中，操作系統通過調用主程序，就能讓子程序也得到運行。在S7-300/400中，子程序包括FB和FC。

除了主程序介面，PLC還提供中斷程序的介面。比如S7-300/400系列PLC的組織塊OB35（循環中斷）、OB40（硬體中斷）、OB82（診斷中斷）、OB122（IO訪問故障中斷）等等。中斷程序介面中的程序，稱為「中斷處理程序」，中斷處理程序由用戶自己編寫。

PLC在運行的過程中如果檢測到中斷請求，操作系統會暫停當前用戶程序的執行，轉而去尋找中斷程序的介面，以執行相應的中斷處理程序。以S7-300/400為例：當PLC檢測到外圍IO訪問出現故障時，會調用OB122來進行處理。如果此時程序中沒有添加OB122，CPU將會停機；如果添加了OB122但是沒有寫任何代碼（沒有中斷處理程序），CPU將會繼續運行，但是SF燈會亮起，以提示系統存在故障。

中斷的執行是有優先順序的，優先順序高的中斷會被優先響應；中斷也可以嵌套，這也意味著高優先順序的中斷會打斷低優先順序的中斷；

從上面描述的主程序介面及中斷程序介面，我們可以看出：操作系統是PLC的大管家，是它控制著用戶程序的執行及中斷的響應。

其實，PLC的操作系統在執行用戶程序之前，還要做一些其它工作，如下圖：

PLC在冷啟動或熱啟動後，會執行啟動掃描。在這個步驟中，可以對一些變數進行初始化。啟動掃描僅在每次啟動後執行一次，在S7-300/400系列PLC中，OB100（暖啟動）、OB101（熱啟動）和OB102（冷啟動）是用於啟動掃描的組織塊。

啟動掃描完成後，PLC進入循環掃描的階段。首先進行內部檢查，然後將外部的數字量輸入讀到CPU的輸入緩存區（input image）。這裡要注意，僅讀取數字量輸入信號，不包括模擬量輸入信號。當數字量輸入信號的狀態讀取到輸入緩存區後，便開始執行用戶程序。

在用戶程序執行的過程中，如果需要數字量輸入信號，CPU將會從輸入緩存區中讀取，而不是到外部設備去獲取信號。但是，如果需要模擬量輸入信號，將會直接到外部模擬量感測器進行讀取。

將數字量輸入信號讀取到輸入緩存區中有以下幾個好處：

1. 在當前的掃描周期中，信號的值被固定。外部的信號抖動不會干擾程序的執行結果；
2. 輸入緩存區讀取的速度比直接讀取外部信號值要快的多，有利於程序的快速執行；
3. 外部的數字量輸入信號只能以「位（bit）」的方式進行訪問，但是當信號讀取到輸入緩存區後，可以「位（bit）」、「位元組（byte）」、「字（word）」和「雙字（double word）」等方式進行訪問，程序的編寫更加靈活；

對於數字量輸出信號，用戶程序執行的結果被存放在輸出緩存區（output image）中。當用戶程序執行完成後，操作系統將存放在輸出緩存區的運算結果，刷新到數字量的輸出模塊中。

對於模擬量的輸出，不存放到輸出緩存區，而是會在程序執行的過程中直接將結果輸出到外圍設備中。

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