深度理解PLC的工作原理

工控的小伙伴应该都知道PLC是以循环扫描的方式进行工作的。但是如果要细问几个问题，估计并不是所有的人都能答上来。比如：循环扫描都有哪些步骤？循环扫描的过程中，数字量和模拟量都要进入缓存区吗？PLC的程序结构是怎样的呢？今天这篇文章，我们就来深入讨论下PLC的工作原理并回答这几个问题。

在讨论PLC的工作原理之前，我们先来看看PLC的程序结构。

PLC的CPU中有两类程序：一类是操作系统，它由PLC的厂家设计并在出厂前固化到CPU中；另一类是用户程序，它是由编程人员根据实际需要设计的、完成特定功能的程序；

操作系统预留一些接口（Interface）给用户程序。通过这些接口，操作系统可以控制用户程序的执行。一般有两种接口：主程序接口和中断程序接口。

主程序接口是正常情况下用户程序运行的起点。PLC的这种设计思想与计算机编程是一样的。我们知道，在C语言的编程中，程序的运行起始于Main函数。在Main函数中，按照从上到下的顺序依次执行代码。Main函数是操作系统执行用户程序的接口。

在西门子S7-300/400系列PLC中，程序的运行起始于组织块OB1。OB1就相当于C语言的Main函数；在S7-200 smart中，更是直接把OB1称为Main块。

如果程序比较复杂，还可以把一些常用的功能设计成模块，以便重复利用。这些小的模块称为子程序。

子程序存在于主程序中，操作系统通过调用主程序，就能让子程序也得到运行。在S7-300/400中，子程序包括FB和FC。

除了主程序接口，PLC还提供中断程序的接口。比如S7-300/400系列PLC的组织块OB35（循环中断）、OB40（硬件中断）、OB82（诊断中断）、OB122（IO访问故障中断）等等。中断程序接口中的程序，称为“中断处理程序”，中断处理程序由用户自己编写。

PLC在运行的过程中如果检测到中断请求，操作系统会暂停当前用户程序的执行，转而去寻找中断程序的接口，以执行相应的中断处理程序。以S7-300/400为例：当PLC检测到外围IO访问出现故障时，会调用OB122来进行处理。如果此时程序中没有添加OB122，CPU将会停机；如果添加了OB122但是没有写任何代码（没有中断处理程序），CPU将会继续运行，但是SF灯会亮起，以提示系统存在故障。

中断的执行是有优先级的，优先级高的中断会被优先响应；中断也可以嵌套，这也意味着高优先级的中断会打断低优先级的中断；

从上面描述的主程序接口及中断程序接口，我们可以看出：操作系统是PLC的大管家，是它控制着用户程序的执行及中断的响应。

其实，PLC的操作系统在执行用户程序之前，还要做一些其它工作，如下图：

PLC在冷启动或热启动后，会执行启动扫描。在这个步骤中，可以对一些变量进行初始化。启动扫描仅在每次启动后执行一次，在S7-300/400系列PLC中，OB100（暖启动）、OB101（热启动）和OB102（冷启动）是用于启动扫描的组织块。

启动扫描完成后，PLC进入循环扫描的阶段。首先进行内部检查，然后将外部的数字量输入读到CPU的输入缓存区（input image）。这里要注意，仅读取数字量输入信号，不包括模拟量输入信号。当数字量输入信号的状态读取到输入缓存区后，便开始执行用户程序。

在用户程序执行的过程中，如果需要数字量输入信号，CPU将会从输入缓存区中读取，而不是到外部设备去获取信号。但是，如果需要模拟量输入信号，将会直接到外部模拟量传感器进行读取。

将数字量输入信号读取到输入缓存区中有以下几个好处：

在当前的扫描周期中，信号的值被固定。外部的信号抖动不会干扰程序的执行结果；

输入缓存区读取的速度比直接读取外部信号值要快的多，有利于程序的快速执行；

外部的数字量输入信号只能以“位（bit）”的方式进行访问，但是当信号读取到输入缓存区后，可以“位（bit）”、“字节（byte）”、“字（word）”和“双字（double word）”等方式进行访问，程序的编写更加灵活；

对于数字量输出信号，用户程序执行的结果被存放在输出缓存区（output image）中。当用户程序执行完成后，操作系统将存放在输出缓存区的运算结果，刷新到数字量的输出模块中。

对于模拟量的输出，不存放到输出缓存区，而是会在程序执行的过程中直接将结果输出到外围设备中。