2.5　PLC的工作原理与逻辑运算

S7-1200 PLC操作系统与逻辑运算，CPU的工作模式及工作模式的切换，冷启动与暖启动的作用，RUN模式CPU的操作等，这些是了解PLC的工作原理与逻辑运算时必须掌握的知识重点。

2.5.1　PLC的工作原理

下面从5个方面讲述PLC的工作原理。

1. 操作系统与用户程序

CPU的操作系统用来实现与具体的控制任务无关的PLC的基本功能。操作系统的任务包括处理暖启动，刷新过程映像输入／输出，调用用户程序，检测中断事件和调用中断组织块，检测和处理错误，管理存储器，以及处理通信任务等。

用户程序包含处理具体的自动化任务必需的所有功能。用户程序由用户编写并下载到PLC，用户程序的任务包括：

• □　检查是否满足暖启动需要的条件，如限位开关是否在正确位置。
• □　处理过程数据，如用数字量信号来控制数字量输出信号，读取和处理模拟量输入信号，输出模拟量控制信号。
• □　用组织块（OB）中的程序对中断事件作出反应，如在诊断错误中断组织块OB82中发出报警信号，以及编写处理错误的程序。

2. CPU的工作模式

CPU有以下3种工作模式：STOP模式、STARTUP模式和RUN模式。CPU前面的状态LED指示当前工作模式。

• □　在STOP模式下，CPU不执行程序。可以下载项目。
• □　在STARTUP模式下，执行一次启动OB（如果存在）。在启动模式下，CPU不会处理中断事件。
• □　在RUN模式，程序循环OB重复执行。可能发生中断事件，并在RUN模式中的任意点执行相应的中断事件OB。可在RUN模式下下载项目的某些部分。

CPU支持通过暖启动进入RUN模式。暖启动不包括储存器复位。执行暖启动时，CPU会初始化所有的非保持性系统和用户数据，并保留所有保持性用户数据值。存储器复位将清除所有工作存储器、保持性及非保持性存储区、将装载存储器复制到工作存储器并将输出设置为组态的“对CPU STOP的响应”（Reaction to CPU STOP）。存储器复位不会清除诊断缓冲区，也不会清除永久保存的IP地址值。

可组态CPU中“上电后启动”（Startup after POWER ON）设置如图2-9所示。该组态项出现在CPU“设备组态”（Device Configuration）的“启动”（Startup）下。通电后，CPU将执行一系列上电诊断检查和系统初始化操作。在系统初始化过程中，CPU将删除所有非保持性位（M）存储器，并将所有非保持性DB的内容复位为装载存储器的初始值。CPU将保留保持性位（M）存储器和保持性DB的内容，然后进入相应的工作模式。检测到的某些错误会阻止CPU进入RUN模式。CPU支持以下组态选项。

• □　不重新启动（保持为STOP模式）。
• □　暖启动- RUN模式。
• □　暖启动-断电前的模式。

注意：可修复故障可使CPU进入STOP模式。CPU因可修复故障或临时故障可能会进入STOP模式，前者如可替换信号模块故障，后者如电力线干扰或不稳定上电事件。这种情况可导致财产损失。如果已将CPU组态为“暖启动-断电前的模式”（Warm restart - mode prior to POWER OFF），CPU则进入在掉电或发生故障前的工作模式。如果在发生掉电或故障时，CPU处于STOP模式，则CPU将在上电时进入STOP模式并保持STOP模式，直至收到进入RUN模式的命令。如果在发生掉电或故障时，CPU处于RUN模式，则在未检测到可禁止CPU进入RUN模式的条件下，CPU将在下次上电时进入RUN模式。

要使CPU在下一次循环上电时返回到RUN模式，可将欲独立于STEP 7连接而运行的CPU组态设置为“暖启动- RUN”（Warm restart - RUN）。

• □　在STOP模式下，CPU处理所有通信请求（如果适用）并执行自诊断。CPU不执行用户程序，过程映像也不会自动更新。
• □　在STARTUP和RUN模式下，CPU执行如图2-10所示的任务。

1）STARTUP模式

CPU执行如图2-10左图所示的任务。

• □　阶段A：清除I（映像）存储区。
• □　阶段B：根据组态情况将Q输出（映像）存储区初始化为零、上一值或替换值，并将PB（PROFIBUS）、PN（PROFINET）和AS-i（Actuator Sensor Interface）输出设为零。
• □　阶段C：将非保持性M存储器和数据块初始化为其初始值，并启用组态的循环中断事件和时钟事件。执行启动OB。
• □　阶段D：将物理输入的状态复制到I存储器。
• □　阶段E：将所有中断事件存储到要在进入RUN模式后处理的队列中。
• □　阶段F：启用Q，存储器到物理输出的写入操作。

2）RUN模式

CPU执行如图2-10右图所示的任务。

• □　阶段①：将Q存储器写入物理输出。
• □　阶段②：将物理输入的状态复制到I存储器。
• □　阶段③：执行程序循环OB。
• □　阶段④：执行自检诊断。
• □　阶段⑤：在扫描周期的任何阶段处理中断和通信。

3. 工作模式的切换

可以使用编程软件在线工具中的STOP或RUN命令更改当前工作模式。也可在程序中包含STP指令，以使CPU切换到STOP模式。这样就可以根据程序逻辑停止程序的执行。

4. 冷启动与暖启动

下载了用户程序的块和硬件组态后，再一次切换到RUN模式时，CPU执行冷启动。冷启动时，复位输入，初始化输出；复位存储器，即清除工作存储器、非保持性存储区和保持性存储区，并将装载存储器的内容复制到工作存储器。存储器复位不会清除诊断缓冲区，也不会清除永久保存的IP地址。

冷启动之后，在下一次下载之前的STOP到RUN模式的切换均为暖启动。暖启动时，所有非保持的系统数据和用户数据被初始化，不会清除保持性存储区。

暖启动不对存储器复位，可以用在线与诊断视图的“CPU操作面板”上的MRES按钮来复位存储器。

S7-1200 CPU之间通过开放式用户通信进行数据交换只能在RUN模式下进行。

移除或插入中央模块将导致CPU进入STOP模式。

5. RUN模式CPU的操作

在RUN模式下，每个扫描周期，CPU都会写入输出、读取输入、执行用户程序、更新通信模块以及响应用户中断事件和通信请求。在扫描期间会定期处理通信请求。以上操作（用户中断事件除外）按先后顺序定期进行处理。对于已启用的用户中断事件，将根据优先级按其发生顺序进行处理。对于中断事件，如果适用的话，CPU将读取输入、执行OB，然后使用关联的过程映像分区（PIP）写入输出。

1）写外设输出

在每个扫描周期的开始，从过程映像重新获取数字量及模拟量输出的当前值，然后将其写入到CPU、SB和SM模块上组态为自动输入／输出更新（默认组态）的物理输出。通过指令访问物理输出时，输出过程映像和物理输出本身都将被更新。

2）读外设输入

在该扫描周期中，将读取CPU、SB和SM模块上组态为自动输入／输出更新（默认组态）的数字量及模拟量输入的当前值，然后将这些值写入过程映像。通过指令访问物理输入时，指令将访问物理输入的值，但输入过程映像不会更新。

3）执行用户程序

读取输入后，系统将从第一条指令开始执行用户程序，一直执行到最后一条指令。其中包括所有的程序循环OB及其所有关联的FC和FB。程序循环OB根据OB编号依次执行，OB编号最小的先执行。

4）通信处理与自诊断

在扫描循环的通信处理和自诊断阶段，处理接收到的报文，在适当的时候将报文发送给通信的请求方。此外，还要周期性地检查固件、用户程序和输入／输出模块的状态。

5）中断处理

事件驱动的中断可以在扫描循环的任意阶段发生。在有事件出现时，CPU中断扫描循环，通过调用组态给该事件的OB。OB处理完事件后，CPU在中断点恢复用户程序的执行。中断功能可以提高PLC对事件的响应速度。

2.5.2　逻辑运算

在数字量（或称开关量）控制系统中，变量仅有两种相反的工作状态，如高电平和低电平、继电器线圈的通电或断电，可以分别用逻辑代数中的1和0表示这些状态。在波形图中，用高电平表示1状态，用低电平表示0状态。

使用数字电路或PLC的梯形图都可以实现数字量逻辑运算。用继电器或梯形图可以实现基本的逻辑运算，触点的串联可以实现“与”运算，触点的并联可以实现“或”运算，用常闭触点控制线圈可以实现“非”运算。多个触点的串、并联电路可以实现复杂的逻辑运算。如图2-11所示，其中的I0.0-I0.4为数字量输入变量，Q0.0-Q0.2为数字量输出变量。

如图2-11所示的基本逻辑运算之间的“或”“与”“非”逻辑运算关系如表2-4所示。表中的0和1分别表示输入点的常开触点的断开和接通、输出点线圈的断电与通电。

PLC采用基本逻辑运算可以实现电动机的连续运行和点动控制，PLC的梯形图如图2-12所示。

如图2-12所示，I0.0为启动按钮，I0.1为连续／点动运行开关，I0.2为停止按钮，I0.3为热继电器常闭触点，Q0.0为电动机运行控制。当需要点动时，断开连续运行开关，按下启动按钮，输出Q0.0为1状态，电动机运行，松开按钮，输出Q0.0为0状态，电动机停止运行；当需要连续运行时，闭合连续运行开关，按下启动按钮，Q0.0为1状态，其常开触点闭合，实现自锁，电动机连续运行，直到按下停止按钮（I0.2）。当电动机过热时，为保护电动机断开输出Q0.0，电动机停止运行。