PLC输入、输出延迟响应问题

    (1)输入、输出延迟响应。由于PLC采用循环扫描的工作方式，即对信息采用串行的处理方式，导致输入、输出延迟响应。从PLC的输入端有一个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，这段时间就称为响应时间或滞后时间（通常为几十毫秒），这种现象称为输入、输出延迟响应或滞后现象。    从PLC的工作原理可以看出，输入信号的变化是否能改变其对应输人映像区的状态，主要取决于两点：①输入信号的变化要经过输入模块的转换才能进入PLC内部，这个转换需要时间，就是说要经过一定的延时才能进到PLC内部，这一延时称输入延时；②进入了PLC的信号只有在PLC处在输入刷新阶段时才能把输入的状态读到PLC的CPU输入映像区，此延时最长可达一个扫描周期T，最短接近于零，只有经过了上述两个延时，CPU才有可能读入输入信号的状态。输入延时是CPU可能读到输入端子信号状态发生变化的最短时间，而输入端子信号的状态变化被CPU读到的最长时间可达“扫描周期T+信号转化输入延时”，故输入信号的脉冲宽度至少要比一个扫描周期T稍大。    当PLC根据用户程序进行运算操作，把运算结果赋给输出端时也需要延时，该延时也由两部分组成。第一个延时是发生在运算结果必须在输出刷新时，才能送人输出映像区的输出信号锁存器中，此延时最长可达一个扫描周期T，最短接近于零。第二个延时是输出信号锁存器的状态要通过输出模块的转换才能成为输出端的信号，这个输出转换需要的时间称输出延时。只有经过上述两个延时，CPU才可能把输出信号的状态传送到输出端子。注意，在一个用户程序中，如果给一个输出端对应的输出映像区多次赋值，中间状态的变化会改变所连输出映像区的状态，但只有最后一次赋值才能送到输出端子，这里是所谓执行指令的后者优先。    由PLC循环扫描工作方式等因素而产生输入、输出延迟响应，在编程中，语句的安排也会影响响应时间。对一般的工业控制，这种PLC输入／输出响应滞后是完全允许的，但是不能满足那些要求响应时间小于扫描周期的控制系统，这时可以使用智能输入／输出单元（如快速响应I/O模块）或专门的指令（如立即I/O指令），通过与扫描周期脱离的方式来解决。应该注意的是，这种响应滞后不仅是由PLC扫描工作方式造成的，更主要的是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应用系统时应注意的一个参数。    (2)响应时间。响应时间是设计PLC控制系统时应了解的一个重要参数，它与以下因素有关：①输入电路滤波时间，它由RC滤波电路的时间常数决定，改变时间常数可调整输入延迟时间；②输出电路的滞后时间，它与输出电路的输出方式有关，继电器输出方式的滞后时间约10ms，双向晶闸管输出方式在接通负载时滞后时间约为1ms、切断负载时滞后时间小于10ms，晶体管输出方式的滞后时间小于1ms;③PLC循环扫描的工作方式；④PLC对输入采样、输出刷新的集中处理方式；⑤用户程序中语句的安排。    这些因素中有的目前不能改变，有的可以通过恰当选择、合理编程得到改善。例如，选用晶闸管输出方式或晶体管输出方式可以加快响应速度。    如果PLC在一个扫描周期刚结束之前收到一个输入信号，在下一个扫描周期进入输入采样阶段，这个输入信号就被采样，使输入更新，这时响应时间最短。    最短响应时间=输入延迟时间+一个扫描周期+输出延迟时间    如果收到一个输入信号经输入延迟后，刚好错过I/O刷新时间，在该扫描周期内这个输入信号无效，要等到下一个扫描周期输入采样阶段才被读人，使输入更新，这时响应时间最长。    最长响应时间=输入延迟时间+两个扫描周期+输出延迟时间    输入信号如刚好错过I/O刷新时间，至少应持续一个扫描周期的时间，才能保证被系统捕捉到。对于持续时间小于一个扫描周期的窄脉冲，可以通过设置脉冲捕捉功能使系统捕捉到。设置脉冲捕捉功能后，输入端信号的状态变化被锁存并一直保持到下一个扫描周期输入刷新阶段。这样，可使一个持续时间很短的窄脉冲信号保持到CPU读到为止。    把图1-15所示未优化的梯形图改成图1-16所示重新优化后的梯形图后，考察从外部输入触点I0.0接通到Q0.0驱动的负载接通所经历的响应延迟，缩短了一个扫描周期。
    图1-15    未优化的梯形图
    图1-16    重排优化后的梯形图    PLC总的响应延迟时间一般只有几十毫秒，这对于一般的系统来说是无关紧要的，对要求输入与输出信号之间的滞后时间尽量短的系统，可以选用扫描速度快的PLC或采取其他措施。    (3) PLC对输入、输出的处理规则。PLC与继电器控制系统对信息处理方式是不同的：继电器控制系统是“并行”处理方式，只要电流形成通路，可以有几个电器同时动作；而PLC是以扫描的方式处理信息，它是顺序地、连续地、循环地逐条执行程序，在任何时刻它只能执行一条指令，即以“串行”处理方式工作。因而在考虑PLC的输入、输出之间的关系时，应充分注意它的周期扫描工作方式。在用户程序执行阶段，PLC对输入、输出的处理遵循以下规则：输入映像寄存器的内容在整个工作周期内是不变的，保存值决定于刷新阶段输入端子的状态；输出映像寄存器的内容是随程序的执行而变化的；输出锁存器的状态由上一次输出刷新期间输出映像寄存器的状态决定；输出端子板上各输出端的状态由输出锁存器来确定；执行程序时所用的输入、输出状态值取用于输入、输出映像寄存器的状态。    尽管PLC采用周期性循环扫描的工作方式，而发生输入、输出响应滞后的现象，但只要使其一个扫描周期足够短，采样频率足够高，足以保证输入变量条件不变，即如果在第一个扫描周期内对某一输入变量的状态没有捕捉到，保证在第二个扫描周期执行程序时使其存在。这样，完全可以认为PLC恢复了系统对被控制变量控制的并行性。    借助一些辅助继电器，把输入映像寄存器的状态暂时记忆下来，待新的循环周期中使用，则有利于鉴别输入映像寄存器状态的变化，这就是映像寄存器状态的掩藏。扫描周期的长短和程序的长短有关，和每条指令的执行时间长短有关，而后者又和指令的类型及PLC的主频(CPU内核工作的时钟频率有关。