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PLC輸入輸出響應(yīng)的滯后現(xiàn)象

    1．輸入／輸出滯后時(shí)間

    輸入／輸出滯后時(shí)間又稱(chēng)為系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，是指從PLC外部輸入信號(hào)發(fā)生變化的時(shí)刻起至它控制的有關(guān)外部輸出信號(hào)發(fā)生變化的時(shí)刻之間的間隔。響應(yīng)時(shí)間的快慢與以下因素有關(guān)。

    (1)輸入濾波器的時(shí)間常數(shù)（輸入延時(shí)）。因?yàn)?/span>PLC的輸入濾波器是一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此，輸入濾波器的輸出電壓（即CPU模板的輸入信號(hào)）相對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際輸入元件的變化信號(hào)有一個(gè)時(shí)間延時(shí)，這就導(dǎo)致了實(shí)際輸入信號(hào)在進(jìn)入輸入映像寄存器前就有一個(gè)滯后時(shí)間。另外，如果輸入導(dǎo)線(xiàn)很長(zhǎng)，由于分布參數(shù)的影響，也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)“隱形”濾波器的效果。

    (2)輸出繼電器的機(jī)械滯后（輸出延時(shí)）。PLC的數(shù)字量輸出經(jīng)常采用繼電器觸點(diǎn)的形式輸出，由于繼電器固有的動(dòng)作時(shí)間，導(dǎo)致繼電器的實(shí)際動(dòng)作相對(duì)線(xiàn)圈的輸入電壓有滯后效應(yīng)。如果采用雙向晶閘管或晶體管的輸出方式，則可減少滯后時(shí)間。

    (3) PLC的循環(huán)掃描方式。下面主要分析由掃描方式引起的滯后時(shí)間。

    在圖3-13梯形圖中的X0是輸入繼電器，用來(lái)接收外部輸入信號(hào)。波形圖中上一行是X0對(duì)應(yīng)的經(jīng)濾波后的外部輸入信號(hào)的波形。Y0、Y1、Y2是輸出繼電器，用來(lái)將輸出信號(hào)傳送給外部負(fù)載。圖中X0和Y0，Y1，Y2的波形表示對(duì)應(yīng)的I/O映像區(qū)的狀態(tài)，高電平表示“1”狀態(tài)，低電平表示“0”狀態(tài)。

    圖3-13中輸入信號(hào)在*個(gè)掃描周期的執(zhí)行用戶(hù)程序階段才出現(xiàn)，所以在*個(gè)掃描周期I/O映像區(qū)寄存器均為“0”狀態(tài)。

    在第二個(gè)掃描周期的輸入處理階段，輸入繼電器X0的映像寄存器變?yōu)?ldquo;1”狀態(tài)。在程序執(zhí)行階段，由梯形圖可知，Y1先接通，再掃描下一行，Y1的動(dòng)合觸點(diǎn)閉合，所以Y2接通，它們?cè)?/span>I/O映像區(qū)里的狀態(tài)都變?yōu)?ldquo;1”狀態(tài)。

    在第三個(gè)掃描周期的程序執(zhí)行階段，由于Y1的接通使Y0接通。Y0的輸出映像寄存器變?yōu)?ldquo;1”狀態(tài)。在輸出處理階段，Y0對(duì)應(yīng)的外部負(fù)載被接通?？梢?jiàn)從外部輸入觸點(diǎn)接通到Y0驅(qū)動(dòng)的負(fù)載接通，響應(yīng)延時(shí)長(zhǎng)可達(dá)兩個(gè)多掃描周期。

    如果交換梯形圖中*行和第二行的位置，Y0的延時(shí)時(shí)間將減少一個(gè)掃描周期，可見(jiàn)這種延時(shí)時(shí)間可以使用程序優(yōu)化的方法減少。

    2．解決方法

    PLC的這種滯后響應(yīng)，在一般的工業(yè)控制系統(tǒng)中是*允許的，但不能適應(yīng)要求I/O響應(yīng)速度快的實(shí)時(shí)控制場(chǎng)合。為此，近期的大、中、小型PLC除了加快掃描速度，還在軟硬件上采取一些措施，以提高I/O的響應(yīng)速度。在硬件方面，可選用快速響應(yīng)模塊、高速計(jì)數(shù)模塊等；下面主要介紹常用的軟件方面的一些措施，主要有改變信息刷新方式、采用中斷技術(shù)、調(diào)整輸入濾波器等。

    (1)改變信息刷新方式。

    1) I/O立即刷新。一般來(lái)說(shuō)，在輸入采樣階段進(jìn)行輸入刷新，在輸出刷新階段刷新輸出鎖存電路；在程序執(zhí)行階段，既不刷新輸入，又不刷新輸出。這種處理方式是導(dǎo)致輸入輸出滯后響應(yīng)的主要原因。20世紀(jì)80年代中期以來(lái)，幾乎所有的PLC都增加一種新的刷新方式：I/O立即刷新。這種新的刷新方式是通過(guò)在程序中增加I/O立即刷新指令完成的，用戶(hù)可在程序中的不同位置插入I/O立即刷新指令。這樣，在PLC投入運(yùn)行后，除了在輸入采樣和輸出刷新階段集中進(jìn)行I/O刷新外，還在掃描到I/O立即刷新指令的位置時(shí)，對(duì)指令規(guī)定的輸入輸出范圍立即進(jìn)行一次刷新：將指令規(guī)定的輸入狀態(tài)讀入輸入映像寄存器區(qū)，將指令規(guī)定的輸出按輸出映像寄存器區(qū)中的狀態(tài)刷新輸出到鎖存電路。

    2) I/O直接刷新方式。為進(jìn)一步提高I/O響應(yīng)速度，有些PLC采用一種特殊的工作方式-I/O直接刷新方式。與一般PLC不同，采用I/O直接刷新方式的PLC在運(yùn)行時(shí)，沒(méi)有輸入采樣和輸出刷新階段，在掃描用戶(hù)程序的過(guò)程中，實(shí)時(shí)進(jìn)行讀輸入和刷新輸出。由于不進(jìn)行集中I/O刷新，其I/O響應(yīng)時(shí)間相對(duì)縮短。但由于單個(gè)通道的I/O操作占用較長(zhǎng)的時(shí)間，當(dāng)程序中涉及I/O點(diǎn)數(shù)較多時(shí)，不進(jìn)行集中I/O刷新會(huì)從總體上減緩程序的運(yùn)行速度，所以這種I/O直接刷新的工作方式在目前的PLC中很少被采用。

    (2)采用中斷技術(shù)。通過(guò)在用戶(hù)程序中多處插入I/O立即刷新指令，使PLC可以讀取脈沖寬度小于一個(gè)掃描周期的輸入信號(hào)；但輸入信號(hào)脈沖寬度越窄，要求I/O立即刷新指令的間隔也越小，這給用戶(hù)編程帶來(lái)了不便。處理窄脈沖輸入信號(hào)更有效、更簡(jiǎn)便的方法是采用中斷技術(shù)。

    近期的PLC都有中斷功能，PLC的中斷系統(tǒng)包含了多個(gè)中斷請(qǐng)求源（簡(jiǎn)稱(chēng)中斷源）和相關(guān)的中斷指令，我們會(huì)在后面進(jìn)行詳細(xì)介紹。

    (3)調(diào)整輸入濾波器。無(wú)論采用I/O立即刷新指令，還是采用中斷技術(shù)，RC濾波時(shí)間常數(shù)大小都是影響I/O響應(yīng)速度提高的重要因素。為了進(jìn)一步提高PLC的I/O響應(yīng)速度，某些近期的PLC提供帶有可調(diào)濾波器的高速開(kāi)關(guān)量輸入端。這些輸入端采用時(shí)間常數(shù)很小的RC濾波器和可用指令修改的數(shù)字式濾波器。在程序的執(zhí)行過(guò)程中，濾波時(shí)間常數(shù)可以進(jìn)行無(wú)數(shù)次的修改。需要注意的是：當(dāng)濾波常數(shù)設(shè)置較小時(shí)，必須防止輸入端混入噪聲信號(hào)。

    在PLC的實(shí)際工作過(guò)程中，每個(gè)掃描周期除了輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新三個(gè)階段外，還要進(jìn)行自診斷、與外設(shè)（如編程器、上位計(jì)算機(jī)）通信等處理。即一個(gè)掃描周期還應(yīng)包含自診斷及與外設(shè)通信等時(shí)間。一般同型號(hào)的PLC，其自診斷所需的時(shí)間相同，如三菱FX2系列機(jī)自診斷時(shí)間均為0.96ms。通信時(shí)間的長(zhǎng)短與連接的外設(shè)多少有關(guān)系，如果沒(méi)有連接外設(shè)，則通信時(shí)間為0。輸入采樣與輸出刷新時(shí)間取決于其I/O點(diǎn)數(shù)，而掃描用戶(hù)程序所用的時(shí)間則與掃描速度及用戶(hù)程序的長(zhǎng)短有關(guān)。對(duì)于基本邏輯指令組成的用戶(hù)程序，二者的乘積即為掃描時(shí)間。如果程序中包含特殊功能指令，則還必須根據(jù)用戶(hù)手冊(cè)查表計(jì)算執(zhí)行這些特殊功能指令的時(shí)間。

    【例3-1】三菱公司FX2 - 40M，配置開(kāi)關(guān)量輸入24點(diǎn)，開(kāi)關(guān)量輸出16點(diǎn)，用戶(hù)程序?yàn)?/span>1000步，不包含特殊功能指令，PLC運(yùn)行時(shí)不連接上位計(jì)算機(jī)等外設(shè)。I/O的掃描速度為0. 03ms/（8點(diǎn)），用戶(hù)程序的掃描速度為0.74μs/步，自診斷所需的時(shí)間為0.96ms，試計(jì)算一個(gè)掃描周期所需要的時(shí)間。

    解掃描40點(diǎn)I/O所需要的時(shí)間為：

    掃描1000步程序所需要的時(shí)間為：T2=0.74μs/步×1000步=0. 74ms

    自診斷所需要的時(shí)間為：T3=0.96ms

    因PLC運(yùn)行時(shí)，不與外設(shè)通信，所以通信時(shí)間為；T4=0

    這樣一個(gè)掃描周期T為

    T= T1+T2 +T3+T4=0.15ms+0.74ms+0.96ms=1.85ms

    上面給出的例題中假設(shè)用戶(hù)程序中沒(méi)有特殊功能指令，而在實(shí)際的控制程序設(shè)計(jì)中，稍微復(fù)雜一點(diǎn)的程序都包含特殊功能指令。對(duì)于特殊功能指令，邏輯條件滿(mǎn)足與否，執(zhí)行時(shí)間不同，甚至差異較大，從而計(jì)算出的掃描周期也不一樣。

    由此看出準(zhǔn)確地計(jì)算掃描周期的大小是比較困難的。為方便用戶(hù)，近期的PLC大都采取了一些措施。如在FX2系列PLC中，當(dāng)PLC投入運(yùn)行后，CPU將大掃描周期、小掃描周期和當(dāng)前掃描周期的值分別存入D8012、D8011、D8010三個(gè)特殊數(shù)據(jù)寄存器中(計(jì)時(shí)單位1ms)，用戶(hù)可以通過(guò)編程器查閱、監(jiān)控掃描周期的大小及變化。在FX2系列PLC中，還提供一種以恒定的掃描周期掃描用戶(hù)程序的運(yùn)行方式：用戶(hù)可將通過(guò)計(jì)算或?qū)嶋H測(cè)定的大掃描周期再留一些余量，作為恒定掃描周期的值存放在特殊數(shù)據(jù)寄存器D8039中(計(jì)時(shí)單位1ms)；當(dāng)特殊輔助繼電器M8039線(xiàn)圈被接通時(shí)，PLC按照D8039中存放的數(shù)據(jù)以恒定周期掃描用戶(hù)程序。恒定掃描周期的值并非任意設(shè)定，它必須大于PLC正常運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的大掃描周期值（即D8012存放的數(shù)值）。因?yàn)?/span>PLC采用掃描WDT，監(jiān)視每次掃描是否超過(guò)規(guī)定時(shí)間（如果主機(jī)出現(xiàn)故障，掃描周期變長(zhǎng)，就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)），因此用戶(hù)必須使WDT的設(shè)定值大于恒定掃描周期的值，否則CPU發(fā)出警戒計(jì)時(shí)報(bào)警信號(hào)。
通過(guò)對(duì)PLC的用戶(hù)程序執(zhí)行過(guò)程的分析，可總結(jié)出PLC對(duì)輸入/輸出的處理規(guī)則，如圖3-12所示。

    (1)輸入映像寄存器的數(shù)據(jù)（狀態(tài)）取決于輸入端子板上各輸入點(diǎn)在本掃描周期的輸入處理階段所刷新的狀態(tài)（“0”或“1”）。

    (2)程序的執(zhí)行取決于用戶(hù)程序內(nèi)容以及輸入/輸出映像寄存器的內(nèi)容及其他元件映像寄存器的內(nèi)容。
 

    圖3-12    PLC對(duì)輸入/輸出的處理規(guī)則

    (3)輸出映像寄存器（包括各元件映像寄存器）的數(shù)據(jù)（狀態(tài)），由用18戶(hù)程序中輸出指令的執(zhí)行結(jié)果決定。

    (4)輸出鎖存器中的數(shù)據(jù)（狀態(tài)），由上一個(gè)掃描周期的輸出處理階段存人到輸出鎖存器中的數(shù)據(jù)確定，直到本掃描周期的輸出處理階段其數(shù)據(jù)才被刷新。

    (5)輸出端子上的輸出數(shù)據(jù)（狀態(tài)），由輸出鎖存器中的數(shù)據(jù)決定。

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