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PLC执行程序的过程分为三个阶段，即输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段。
1．输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描工作方式按顺序对所有输入端的输入状态进行采样，并存入输入映象寄存器中，此时输入映象寄存器被刷新。接着进入程序处理阶段，在程序执行阶段或其它阶段，即使输入状态发生变化，输入映象寄存器的内容也不会改变，输入状态的变化只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被采样到。
2．程序执行阶段
在程序执行阶段，PLC对程序按顺序进行扫描执行。若程序用梯形图来表示，则总是按先上后下，先左后右的顺序进行。当遇到程序跳转指令时，则根据跳转条件是否满足来决定程序是否跳转。当指令中涉及到输入、输出状态时，PLC从输入映像寄存器和元件映象寄存器中读出，根据用户程序进行运算，运算的结果再存入元件映象寄存器中。对于元件映象寄存器来说，其内容会随程序执行的过程而变化。
3．输出刷新阶段
当所有程序执行完毕后，进入输出处理阶段。在这一阶段里，PLC将输出映象寄存器中与输出有关的状态（输出继电器状态）转存到输出锁存器中，并通过一定方式输出，驱动外部负载。
因此，PLC在一个扫描周期内，对输入状态的采样只在输入采样阶段进行。当PLC进入程序执行阶段后输入端将被封锁，直到下一个扫描周期的输入采样阶段才对输入状态进行重新采样。这方式称为集中采样，即在一个扫描周期内，集中一段时间对输入状态进行采样。
在用户程序中如果对输出结果多次赋值，则最后一次有效。在一个扫描周期内，只在输出刷新阶段才将输出状态从输出映象寄存器中输出，对输出接口进行刷新。在其它阶段里输出状态一直保存在输出映象寄存器中。这种方式称为集中输出。
对于小型PLC，其I/O点数较少，用户程序较短，一般采用集中采样、集中输出的工作方式，虽然在一定程度上降低了系统的响应速度，但使PLC工作时大多数时间与外部输入/输出设备隔离，从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。
而对于大中型PLC，其I/O点数较多，控制功能强，用户程序较长，为提高系统响应速度，可以采用定期采样、定期输出方式，或中断输入、输出方式以及采用智能I/O接口等多种方式。
从上述分析可知，当PLC的输入端输入信号发生变化到PLC输出端对该输入变化作出反应，需要一段时间，这种现象称为PLC输入／输出响应滞后。对一般的工业控制，这种滞后是完全允许的。应该注意的是，这种响应滞后不仅是由于PLC扫描工作方式造成，更主要是PLC输入接口的滤波环节带来的输入延迟，以及输出接口中驱动器件的动作时间带来输出延迟，同时还与程序设计有关。滞后时间是设计PLC应用系统时应注意把握的一个参数。
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PLC系统内部的工作原理可分为5个步序：内部处理、通讯服务、输入处理、程序执行、输出处理。
PLC的工作模式分为运行模式（RUN）与停止模式（STOP）两种。当PLC处于RUN模式时，PLC按步序从内部处理开始，到输出处理结束一个执行周期，一个执行周期结束后，将立即开始下一个周期的执行，即返回到第一个步序-内部处理，如此一直循环下去；当PLC处于STOP模式时，PLC按步序从内部处理开始，只执行前两个步序，即到通讯服务结束一个执行周期。PLC的这种运行方式称为循环扫描方式，而每执行一个执行周期所需时间称为循环扫描时间或扫描周期。
在PLC的存储器中，设置了一区域用于存放输入/输出信号的状态及当前值，它们分别称为输入映像区和输出映像区。PLC的其它地址元件也有对应的映像存储区，它们统称为元件映像存储区。通过建立元件映像存储区，使PLC成为一个真正的数字采样控制系统；虽然PLC不可能像继电器控制柜那样随时根据现场输入实时控制现场输出状态，但只要采样周期足够短，即采样频率足够高，这样的采样系统应该完全符合实际系统的需要。
1、 内部处理：PLC完成对自身硬件的自检测，当发现自身硬件有问题或硬件配置与实际对不上时，PLC将产生错误指示。Haiwell PLC对此种错误以主机上的ERR错误指示灯闪烁指示。
2、 通讯服务：PLC处理与计算机、PLC、编程器及别的智能设备的通讯。
3、 输入处理：PLC在输入操作上采用定时采样的方式。即在一个扫描周期的固定时刻（一般在扫描周期的开始）一次性集中采样所有的外部输入点，采样结果用二进制的形式存入到RAM中一个区域（输入映像寄存器区）。这样在执行程序时，所需的现场讯息全部从输入映像区中取用，不直接从现场取样。
4、 程序执行：PLC的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中顺序排列。在无跳转指令的情况下，CPU从第一条指令开始执行，逐条顺序地执行用户程序，直到用户程序结束，执行指令时，从元件映像存储区中读出元件的状态及当前值，并据指令的需要进行相应的逻辑运算及赋值操作，最后的运算结果写入到线圈或输出类指令对应的元件映像存储区中。
5、 输出处理：PLC在输出操作上采用定时输出的方式。即在一个扫描周期的固定时刻（一般在扫描周期的结束）先将它们存放在RAM中的一个区域（输出映像寄存器区），扫描周期结束时再将输出映像区中控制信息集中输出。