PLC输入输出响应的滞后现象

    1．输入／输出滞后时间    输入／输出滞后时间又称为系统响应时间，是指从PLC外部输入信号发生变化的时刻起至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的间隔。响应时间的快慢与以下因素有关。    (1)输入滤波器的时间常数（输入延时）。因为PLC的输入滤波器是一个积分环节，因此，输入滤波器的输出电压（即CPU模板的输入信号）相对于现场实际输入元件的变化信号有一个时间延时，这就导致了实际输入信号在进入输入映像寄存器前就有一个滞后时间。另外，如果输入导线很长，由于分布参数的影响，也会产生一个“隐形”滤波器的效果。    (2)输出继电器的机械滞后（输出延时）。PLC的数字量输出经常采用继电器触点的形式输出，由于继电器固有的动作时间，导致继电器的实际动作相对线圈的输入电压有滞后效应。如果采用双向晶闸管或晶体管的输出方式，则可减少滞后时间。    (3) PLC的循环扫描方式。下面主要分析由扫描方式引起的滞后时间。    在图3-13梯形图中的X0是输入继电器，用来接收外部输入信号。波形图中最上一行是X0对应的经滤波后的外部输入信号的波形。Y0、Y1、Y2是输出继电器，用来将输出信号传送给外部负载。图中X0和Y0，Y1，Y2的波形表示对应的I/O映像区的状态，高电平表示“1”状态，低电平表示“0”状态。
    图3-13   PLC的输入／输出延时    图3-13中输入信号在第一个扫描周期的执行用户程序阶段才出现，所以在第一个扫描周期I/O映像区寄存器均为“0”状态。    在第二个扫描周期的输入处理阶段，输入继电器X0的映像寄存器变为“1”状态。在程序执行阶段，由梯形图可知，Y1先接通，再扫描下一行，Y1的动合触点闭合，所以Y2接通，它们在I/O映像区里的状态都变为“1”状态。    在第三个扫描周期的程序执行阶段，由于Y1的接通使Y0接通。Y0的输出映像寄存器变为“1”状态。在输出处理阶段，Y0对应的外部负载被接通。可见从外部输入触点接通到Y0驱动的负载接通，响应延时最长可达两个多扫描周期。    如果交换梯形图中第一行和第二行的位置，Y0的延时时间将减少一个扫描周期，可见这种延时时间可以使用程序优化的方法减少。    2．解决方法    PLC的这种滞后响应，在一般的工业控制系统中是完全允许的，但不能适应要求I/O响应速度快的实时控制场合。为此，近期的大、中、小型PLC除了加快扫描速度，还在软硬件上采取一些措施，以提高I/O的响应速度。在硬件方面，可选用快速响应模块、高速计数模块等；下面主要介绍常用的软件方面的一些措施，主要有改变信息刷新方式、采用中断技术、调整输入滤波器等。    (1)改变信息刷新方式。    1) I/O立即刷新。一般来说，在输入采样阶段进行输入刷新，在输出刷新阶段刷新输出锁存电路；在程序执行阶段，既不刷新输入，又不刷新输出。这种处理方式是导致输入输出滞后响应的主要原因。20世纪80年代中期以来，几乎所有的PLC都增加一种新的刷新方式：I/O立即刷新。这种新的刷新方式是通过在程序中增加I/O立即刷新指令完成的，用户可在程序中的不同位置插入I/O立即刷新指令。这样，在PLC投入运行后，除了在输入采样和输出刷新阶段集中进行I/O刷新外，还在扫描到I/O立即刷新指令的位置时，对指令规定的输入输出范围立即进行一次刷新：将指令规定的输入状态读入输入映像寄存器区，将指令规定的输出按输出映像寄存器区中的状态刷新输出到锁存电路。    2) I/O直接刷新方式。为进一步提高I/O响应速度，有些PLC采用一种特殊的工作方式-I/O直接刷新方式。与一般PLC不同，采用I/O直接刷新方式的PLC在运行时，没有输入采样和输出刷新阶段，在扫描用户程序的过程中，实时进行读输入和刷新输出。由于不进行集中I/O刷新，其I/O响应时间相对缩短。但由于单个通道的I/O操作占用较长的时间，当程序中涉及I/O点数较多时，不进行集中I/O刷新会从总体上减缓程序的运行速度，所以这种I/O直接刷新的工作方式在目前的PLC中很少被采用。    (2)采用中断技术。通过在用户程序中多处插入I/O立即刷新指令，使PLC可以读取脉冲宽度小于一个扫描周期的输入信号；但输入信号脉冲宽度越窄，要求I/O立即刷新指令的间隔也越小，这给用户编程带来了不便。处理窄脉冲输入信号更有效、更简便的方法是采用中断技术。    近期的PLC都有中断功能，PLC的中断系统包含了多个中断请求源（简称中断源）和相关的中断指令，我们会在后面进行详细介绍。    (3)调整输入滤波器。无论采用I/O立即刷新指令，还是采用中断技术，RC滤波时间常数大小都是影响I/O响应速度提高的重要因素。为了进一步提高PLC的I/O响应速度，某些近期的PLC提供带有可调滤波器的高速开关量输入端。这些输入端采用时间常数很小的RC滤波器和可用指令修改的数字式滤波器。在程序的执行过程中，滤波时间常数可以进行无数次的修改。需要注意的是：当滤波常数设置较小时，必须防止输入端混入噪声信号。