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PLC的開關(guān)量I/O模塊及其接線方式

    開關(guān)量I/O模塊的輸入／輸出信號僅有接通和斷開兩種狀態(tài)。為適應(yīng)被控對象的不同，I/O模塊的輸入／輸出電壓等級通常有直流5V、12V、24V、48V和交流110V、220V等，輸入／輸出電壓的允許范圍都較寬。每塊I/O模塊上的輸入／輸出點數(shù)通常有4、8、16、32、64點等多種規(guī)格。

    開關(guān)量輸入模塊的作用是：連接外部開關(guān)信號，如按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、行程開關(guān)、繼電器和接觸器的觸點開關(guān)等，將這些信號轉(zhuǎn)換成PLC的CPU模塊所需要的標準電平信號，并將輸入信號鎖存，以便于CPU通過系統(tǒng)總線實時讀入。為了保證外部干擾信號不影響PLC的可靠工作，開關(guān)量輸入模塊還要對輸入信號采取必要的濾波和隔離措施。

    開關(guān)量輸出模塊的輸出端與外部執(zhí)行元件相連，其作用是：將CPU模塊送來的各輸出點的輸出信號進行鎖存，并轉(zhuǎn)換成外部過程所需要的信號電平，并以此來驅(qū)動外部過程的執(zhí)行機構(gòu)、顯示燈及各種負載。

    每塊I/O模塊上通常都有接線端子，用于與外部I/O設(shè)備的連線。一些PLC的I/O模塊還使用了可拆裝的插座型端子板，在不拆去端子板上的外部連線的情況卜，可以迅速地更換模塊。在I/O模塊的前面板上，一般還設(shè)有發(fā)光二極管或其他元件來指示各I/O點的通／斷狀態(tài)。

    各種PLC的I/O模塊的接線方式有所不同，歸結(jié)起來可分為匯點式、分組式和分隔式3種，如圖2.6所示。

    ·匯點式的各I/O電路有一個公共點，各輸入點或各輸出點共用一個電源，如圖2.6(a)所示。

    ·分組式的I/O電路分為若干個組，每組的I/O電路有一個公共點并共用一個電源。各組之間的電路是分隔開的，可以分別使用不同的電源，如圖2.6(b)所示。

    ·分隔式的各I/O電路之間都是相互隔離的，每一個I/O點都可以使用單獨的電源，如圖2.6(c)所示。
在PLC控制系統(tǒng)中，當輸入信號發(fā)生變化時，必將引起有關(guān)輸出信號的變化，這之間是有一定的時間延遲的。

    定義：從PLC系統(tǒng)的某一輸入信號變化開始到系統(tǒng)有關(guān)輸出端信號的改變所需的時間為I/O響應(yīng)時間。

    由PLC的巡回掃描過程可知，外界信息必須在前一個掃描周期的I/O掃描階段之前準備好，并由PLC讀入到輸入映象區(qū)，在計算機內(nèi)經(jīng)歷一個掃描周期的時間，在本掃描周期的I/O掃描階段輸出給外設(shè)，這是系統(tǒng)必須有的掃描時間，如圖2.4所示。

    從PLC的輸入信號開始變化、信號穩(wěn)定到CPU讀入的時間稱為輸入延遲時間。輸入信號的出現(xiàn)有一定的隨機性，信號的穩(wěn)定時間是隨輸入端硬件參數(shù)設(shè)定的，在計算機輸入模板選定之后是一個常數(shù)，CPU在I/O掃描階段讀入該信號的時間則是隨機的，因此輸入延遲時間有一定隨機性。

    同輸入延遲時間類似，PLC的輸出數(shù)據(jù)由輸出映象區(qū)送到外設(shè)到數(shù)據(jù)在外設(shè)穩(wěn)定的時間稱為輸出延遲時間。輸出延遲時間由PLC的外設(shè)接口參數(shù)而定，系統(tǒng)確定之后，它是一個常數(shù)。

    可見，I/O響應(yīng)時間必須有：一個掃描周期、一個輸出延遲時間和大約一個I/O掃描階段的時間。后一項主要受信號具體讀入時機的影響，可能略小于或略大于I/O掃描階段的時間。

    輸入信號的出現(xiàn)在哪種情況下將使I/O響應(yīng)時間大呢？這就是PLC的大I/O響應(yīng)時間問題。如圖2.5所示，假設(shè)輸入信號的出現(xiàn)是在前一個I/O掃描階段，CPU讀取該信號時，它已出現(xiàn)，但尚未達到穩(wěn)定階段，因而未能讀入。這樣，這個輸入信息就要在本掃描周期的I/O掃描階段才能讀入。因此，I/O響應(yīng)時間的大值大約是兩個掃描周期、一個輸出延遲時間和大約一個I/O掃描階段的時間。

    圖2.5    PLC的大I/O響應(yīng)時間

    由上面的分析還可以看出，PLC工作時的掃描周期T必須小于輸入信號的穩(wěn)定駐留時間，否則就有丟失信息的可能。為了盡量減小輸入延遲時間和輸出延遲時間，在設(shè)計硬件參數(shù)時應(yīng)予以足夠的重視。
在PLC的一個掃描周期內(nèi)，用戶程序掃描和I/O操作是實現(xiàn)系統(tǒng)控制功能的兩個重要過程，如圖2.3所示是這兩個工作過程的示意圖。

    圖2.3    PLC用戶程序掃描和I/O操作的工作過程

    PLC對現(xiàn)場信息的采集一般是在一個巡回掃描周期內(nèi)的某一個時段（一般定在掃描周期的開始或結(jié)束時）將現(xiàn)場全部有關(guān)信息采集到控制器內(nèi)，存放在系統(tǒng)準備好的一個區(qū)域（即隨機存儲器的某一個地址區(qū)），稱之為輸入映象區(qū)。

    執(zhí)行用戶程序所需現(xiàn)場信息都在輸入映象區(qū)取用，而不直接到外設(shè)去取。這種方式是集中采集現(xiàn)場信息，雖然從理論上分析每個信息被采集的時間仍有先后差異，但它已很小，因此可以認為采集到的信息是同時的。

    同樣，對被控制對象的控制信息，也不采用形成一個就去輸出改變一個的控制方法，而是先把它們存放在隨機存儲器的某個特定區(qū)域，稱之為輸出映象區(qū)。當用戶程序掃描結(jié)束后，將所存被控對象的控制信息，集中輸出，改變被控對象的狀態(tài)。對于那些在一個描周期內(nèi)沒有變化的變量狀態(tài)，就輸出與前一周期同樣的信息，因而也不引起外設(shè)工作的變化。

    上述輸入映象區(qū)、輸出映象區(qū)集中在一起就是一般所稱的I/O映象區(qū)，映象區(qū)的大小隨系統(tǒng)輸入、輸出信息多少，即輸入、輸出點數(shù)而定。

    I/O映象區(qū)的設(shè)置，使計算機執(zhí)行用戶程序所需信息狀態(tài)及執(zhí)行結(jié)果都與I/O映象區(qū)發(fā)生聯(lián)系，只有計算機掃描執(zhí)行到輸入輸出服務(wù)過程時，CPU才從實際的輸入點讀入有關(guān)信息狀態(tài)，存放于輸入映象區(qū)，并將暫時存放在輸出映象區(qū)內(nèi)的運算結(jié)果傳送到實際輸出點。

    可見，I/O映象區(qū)的建立，使PLC系統(tǒng)變成數(shù)字采樣控制系統(tǒng)，雖然不像硬件邏輯系統(tǒng)那樣隨時反映工作狀態(tài)變化對系統(tǒng)的控制作用，但在采樣時刻則基本符合實際工作狀態(tài)，只要采樣周期T足夠小，即采樣頻率足夠高，就可以認為這樣的采樣控制系統(tǒng)有足夠的精度，可以滿足實時控制的要求。
  PLC控制任務(wù)的完成是建立在其硬件的支持下，通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)的，這一點是和計算機的工作原理*的。因此，PLC的工作原理是建立在計算機工作原理基礎(chǔ)上的。

    由于早期的PLC是從繼電器控制系統(tǒng)發(fā)展而來的，主要完成的任務(wù)是開關(guān)量的順序控制，對被控制對象控制的實現(xiàn)是有關(guān)邏輯關(guān)系的實現(xiàn)。因此，PLC并不是單純像普通計算機那樣工作，而是發(fā)展了一種叫做巡回掃描的工作機制。

    PLC的巡回掃描，即是對整個程序巡回執(zhí)行的工作方式，就是說用戶程序的執(zhí)行不是從頭到尾只執(zhí)行一次，而是執(zhí)行一次以后，又返回去執(zhí)行第二次、第三次……直到停機。因此，PLC可以被看成是在系統(tǒng)軟件支持下的一種掃描設(shè)備，PLC開機后，一直在周而復始地循環(huán)掃描并執(zhí)行由系統(tǒng)軟件規(guī)定好的任務(wù)。

    定義從掃描過程中的一點開始，經(jīng)過順序掃描又回到該點的過程為一個掃描周期。如圖2.2所示是PLC的CPU工作流程圖。

    PLC通電后，首*行系統(tǒng)的初始化，清I/O區(qū)并復位各定時器，檢查I/O單元的連接情況等。在初始化的基礎(chǔ)上開始進入系統(tǒng)的掃描周期。

    PLC的一個掃描周期包括如下。

    · 系統(tǒng)檢查：主要是對系統(tǒng)硬件及程序存儲器內(nèi)存儲的程序作周期性檢查，如果通過自檢，則執(zhí)行后續(xù)功能，否則發(fā)出報警信號。

    ·鏈接服務(wù)：主要是建立與遠程I/O、上位計算機、其他聯(lián)網(wǎng)PLC等的鏈接。當然，只有在系統(tǒng)中已配置了遠程I/O單元和其他鏈接單元時，才能進行此項工作，否則直接進入下一項工作。

    ·執(zhí)行外設(shè)命令：CPU與編程器或其他編程設(shè)備進行信息交換，讀取外設(shè)命令并執(zhí)行，進行狀態(tài)顯示、用戶程序編譯等與編程器有關(guān)的功能。

    ·復位系統(tǒng)定時器及程序地址計數(shù)器：為保證設(shè)備可靠運行，出現(xiàn)故障能及時反應(yīng)，PLC具有自監(jiān)視能力。這一功能主要由一個硬件計時器(WDT)來完成。該計時器有一設(shè)定值，當掃描周期過長時，則自動報警并停止CPU運行，同時復位輸入輸出。一般將這種故障稱為WDT故障。因此，在每個掃描周期中，用戶程序執(zhí)行前，要首先復位系統(tǒng)定時器，同時還要復位程序地址計數(shù)器，以便CPU進行尋址和記錄程序執(zhí)行時間。

    ·用戶程序掃描和I/O操作：對用戶程序進行逐條掃描執(zhí)行，執(zhí)行完畢后（遇到END指令時），執(zhí)行I/O操作，與外部I/O設(shè)備交換數(shù)據(jù)，從輸入單元的端子上讀輸入信號狀態(tài)，并將程序運行結(jié)果輸出到輸出單元的端子上，以控制用戶設(shè)備；計算機處于正常運行狀態(tài)下，每一個掃描周期內(nèi)都包含這兩個掃描過程，也就是要對用戶程序執(zhí)行一次。這兩個過程在計算機運行中是否執(zhí)行都是可控的，隨著用戶程序長短、輸入    輸出點數(shù)多少的變化，這兩個過程所用時間也是變化的。通過上面的分析可以看到，PLC的一個掃描周期基本由3部分組成。

    ·保證系統(tǒng)正常運行的公共操作：這一部分的掃描時間基本是固定的，隨計算機類型而有不同。

    ·系統(tǒng)與外部設(shè)備信息交換：這一部分并不是每個系統(tǒng)或系統(tǒng)的每次掃描都有的，占用的時間也是變化的。

    ·用戶程序的執(zhí)行：這一部分的掃描時間隨控制對象復雜性決定的用戶控制程序而變化，程序有長有短，掃描時間也就發(fā)生變化。

    注意：同一個系統(tǒng)在各個掃描周期中，隨著條件的不同也會影響執(zhí)行程序長短的變化（執(zhí)行程序中隨變量狀態(tài)的不同，一部分程序段可能不執(zhí)行），用戶程序的執(zhí)行占用的掃描時間不僅對不同系統(tǒng)其長短不同，而且對同一系統(tǒng)在不同時間也占用著不同的掃描時間。

    所以，系統(tǒng)掃描周期的長短，除了因是否運行用戶程序而有較大的差異外，在運行用戶程序時也不是*固定不變的。

    要使程序巡回掃描一次的時間短，首先和每條指令的執(zhí)行時間長短有關(guān)，其次和程序中所用指令類型，包括指令條數(shù)的多少有關(guān)。前者主要和計算機的主頻有關(guān)，后者則和被控系統(tǒng)的復雜程度及程序編制者的水平有關(guān)。

    如果程序的每一條指令執(zhí)行時間足夠快，整個程序并不長，使得每執(zhí)行一次程序所占用的時間足夠短，就能夠滿足實時控制的要求。

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