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PLC的響應(yīng)時(shí)間

    由于采用了掃描工作方式，所以當(dāng)PLC輸入端有一個(gè)輸入信號(hào)發(fā)生變化到輸出端對(duì)該輸入變化作出反應(yīng)需要一段時(shí)間，這段時(shí)間就稱為PLC的響應(yīng)時(shí)間或滯后時(shí)間，這段時(shí)間往往較長(zhǎng)，但是對(duì)于一般的工業(yè)控制，這種滯后是允許的。響應(yīng)時(shí)間的大小與如下因素有關(guān)：

    ①輸入電路的時(shí)間常數(shù)；

    ②輸出電路的時(shí)間常數(shù)；

    ③用戶語(yǔ)句的安排和指令的使用；

    ④PLC的循環(huán)掃描方式；

    ⑤PLC對(duì)I/O的刷新方式。其中，前3個(gè)因素可以通過選擇不同的模塊和合理編制程序得到改善。

    由于PLC是循環(huán)掃描工作方式，因此響應(yīng)時(shí)間與收到輸入信號(hào)的時(shí)刻有關(guān)，在此給出短和長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間。

    1)短響應(yīng)時(shí)間

    如果，n-1個(gè)掃描周期剛結(jié)束時(shí)，收到一個(gè)輸入信號(hào)，則第n個(gè)掃描周期一開始就被采樣，使輸出更新，這時(shí)響應(yīng)時(shí)間更短，如圖3-6所示。如果考慮到輸入電路造成的延遲和輸出電路造成的延遲，短響應(yīng)時(shí)間可以用下式表示：

    短響應(yīng)時(shí)間=輸入延遲時(shí)間+一個(gè)掃描周期+輸出延遲

    圖3-6    短響應(yīng)時(shí)間

    2)長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間

    如果在第n個(gè)掃描剛執(zhí)行完輸入刷新后，輸入發(fā)生了變化，在該掃描周期內(nèi)這個(gè)信號(hào)不會(huì)發(fā)生作用，要到n+1個(gè)掃描周期的輸入刷新階段才能采樣到輸入變化，在輸出刷新階段輸出作出反應(yīng)，這時(shí)響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，可用下式表示：

    長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間=輸入延遲時(shí)間+兩個(gè)掃描周期+輸出延遲時(shí)間

    從圖3-7可以看出，對(duì)輸入信號(hào)的持續(xù)時(shí)間也有一定要求，如果輸入信號(hào)的持續(xù)時(shí)間不能大于一個(gè)掃描周期（所謂窄脈沖），則輸入就不能確保被采樣，也就不能被響應(yīng)。

    圖3-7    長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間

    在PLC中讀輸入和輸出刷新時(shí)間基本固定不變，且占掃描周期的份額較小，掃描周期的長(zhǎng)短主要由用戶程序執(zhí)行的時(shí)間決定。用戶程序執(zhí)行時(shí)間取決于用戶程序量和CPU的運(yùn)算速度。通常情況下，PLC的掃描周期小于100ms，從控制的角度，這個(gè)時(shí)間還是可以接受的。

    PLC為什么要采用統(tǒng)一輸入采樣、用戶程序執(zhí)行、輸出統(tǒng)一刷新這種循環(huán)掃描工作呢？

    初研制生產(chǎn)PLC的目的是為了代替?zhèn)鹘y(tǒng)的由繼電器、接觸器構(gòu)成的控制裝置，而繼電器控制裝置采用硬邏輯并行運(yùn)行方式，如果一個(gè)繼電器的線圈通電或斷電，則該繼電器所有的觸點(diǎn)（包括常開和常閉觸點(diǎn)）在繼電器控制電路中都會(huì)同時(shí)動(dòng)作，發(fā)揮控制作用。繼電器控制電路的并行工作方式，也可以理解為控制裝置隨時(shí)根據(jù)所有輸入條件/狀態(tài)或其他條件/狀態(tài)，由控制電路作出判斷，隨時(shí)產(chǎn)生輸出。

    而PLC是計(jì)算機(jī)控制裝置，計(jì)算機(jī)的根本特征是串行工作的，即每一時(shí)刻只能做一件事情，因此為了模擬傳統(tǒng)的繼電器控制裝置的工作特點(diǎn)，以梯形圖方式編程，只能統(tǒng)一采樣同一時(shí)刻的輸入狀態(tài)，然后執(zhí)行用戶程序、進(jìn)行邏輯運(yùn)算，后統(tǒng)一刷新所有輸出，這樣的掃描過程循環(huán)不斷地始終進(jìn)行。如果PLC的掃描過程足夠短(＜100ms)，接近繼電器的動(dòng)作時(shí)間延遲，則PLC與繼電器控制裝置的處理結(jié)果就沒有什么區(qū)別了。

    事實(shí)上PLC在一個(gè)掃描周期內(nèi)除了完成前述的三個(gè)階段工作外，還要做一些輔助工作，如內(nèi)部診斷、通信等工作。

    順序掃描工作方式簡(jiǎn)單直觀，便于程序設(shè)計(jì)和PLC自身的檢查。因?yàn)樵趻呙柰瓿珊?，其結(jié)果馬上會(huì)被緊隨其后的掃描所利用；一般在PLC內(nèi)設(shè)置有監(jiān)視定時(shí)器，用來(lái)監(jiān)視每次掃描的時(shí)間是否超出規(guī)定值，避免由于PLC內(nèi)部的CPU故障使程序進(jìn)入死循環(huán)。

    掃描順序可以是固定的，也可以是可變的。一般小型PLC采用固定的掃描順序，大中型PLC采用可變的掃描順序。這是因?yàn)榇笾行?/span>PLC掃描的點(diǎn)數(shù)多，每次掃描只對(duì)需要掃描的點(diǎn)進(jìn)行掃描，可以減少掃描的點(diǎn)數(shù)，縮短掃描周期，提高實(shí)時(shí)控制中的響應(yīng)速度。

    PLC的工作過程如下：

    大中型PLC，如歐姆龍C200HX/HG/HE可編程控制器的掃描工作過程如圖3-8所示。

    圖3-8    PLC的掃描工作過程

    只要PLC一通電，就立即執(zhí)行初的三個(gè)操作。剩下的各個(gè)操作以掃描的形式執(zhí)行，在一個(gè)掃描周期中包含9個(gè)基本操作：

    (1)監(jiān)督檢查(需要0.7ms)；

    (2)執(zhí)行程序（需要的時(shí)間隨執(zhí)行指令時(shí)間的長(zhǎng)短確定）；

    (3)計(jì)算掃描周期（執(zhí)行時(shí)間可以忽略）；

    (4) I/O刷新（需要的時(shí)間隨點(diǎn)數(shù)不同而不同）；

    (5)上位機(jī)鏈接單元服務(wù)(多需要0.6ms)；

    (6) RS-232C端口服務(wù)(不連接設(shè)備時(shí)0ms，連接設(shè)備時(shí)小0.26ms)；

    (7)外圍設(shè)備服務(wù)(不連接設(shè)備時(shí)0ms，連接設(shè)備時(shí)小0.26ms)；

    (8)通信板服務(wù)（需要時(shí)間0.5ms+每個(gè)端口處理時(shí)間）；

    (9) SYSMAC link和SYSMAC NET服務(wù)（不安裝通信單元0ms，安裝時(shí)取決于通信單元數(shù)）。

    實(shí)際上整個(gè)掃描周期分為：自監(jiān)視掃描階段、與網(wǎng)絡(luò)通信掃描階段、用戶程序掃描階段和I/O刷新掃描階段。

    在自監(jiān)視掃描階段，PLC進(jìn)行自我監(jiān)視或自我診斷，這個(gè)主要是有監(jiān)視定時(shí)器WDT(Watch Dog Timer)完成的。若是由于故障或用戶程序太長(zhǎng)不及時(shí)WDT復(fù)位，WDT就會(huì)停止PLC運(yùn)行并報(bào)警。

    只有配有網(wǎng)絡(luò)的PLC系統(tǒng)中，才有通信掃描階段，在這一階段，PLC與PLC之間、PLC與上位計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行信息交換。

    在用戶程序掃描階段，對(duì)于用戶程序存儲(chǔ)器所存的指令，PLC從輸入狀態(tài)暫存區(qū)中取出輸入端狀態(tài)，從*條程序開始執(zhí)行，并且將每一步的執(zhí)行結(jié)果送入輸出暫存區(qū)。

    在I/O刷新階段，CPU將輸入的狀態(tài)讀入輸入暫存區(qū)、將輸出暫存區(qū)的狀態(tài)寫入輸出狀態(tài)鎖存器。

    采用這樣的掃描過程具有如下的特點(diǎn)：

    (1)輸入刷新階段，將輸入端子的狀態(tài)存入輸入暫存區(qū)，暫存區(qū)的數(shù)據(jù)取決于輸入刷新階段各個(gè)實(shí)際輸入點(diǎn)的通/斷狀態(tài)。在用戶程序執(zhí)行階段，輸入狀態(tài)暫存區(qū)的數(shù)據(jù)不再隨輸入的變化而變化。

    (2)在用戶程序執(zhí)行階段，輸出狀態(tài)暫存區(qū)的內(nèi)容隨程序執(zhí)行的結(jié)果不同而隨時(shí)改變，但是輸出狀態(tài)鎖存器的內(nèi)容不變。

    (3)在輸出刷新階段，將用戶程序執(zhí)行階段的終結(jié)果由輸出狀態(tài)暫存區(qū)一起傳遞到輸出狀態(tài)鎖存器。輸出端子的狀態(tài)由輸出狀態(tài)鎖存器決定。

    對(duì)于需要快速作出反應(yīng)的控制要求，一定要考慮PLC的響應(yīng)時(shí)間，若是PLC的響應(yīng)速度不夠，則可以采用特殊的PLC模塊以彌補(bǔ)PLC速度慢的缺點(diǎn)。

與其他控制裝置一樣，PLC根據(jù)輸入信號(hào)的狀態(tài)，按照控制要求進(jìn)行處理判斷、產(chǎn)生控制輸出。PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，其過程如圖3-4所示。這個(gè)過程分為讀輸入、程序執(zhí)行、寫輸出三個(gè)階段，整個(gè)過程進(jìn)行一次所需要的時(shí)間稱為掃描周期。

    圖3-4    循環(huán)掃描過程

    以下詳細(xì)敘述PLC三個(gè)階段的工作過程。工作過程如圖3-5所示。

    圖3-5    PLC三個(gè)階段的工作過程

    1)讀輸入（輸入刷新）階段

    PLC在讀輸入階段，以掃描方式依次地讀人所有輸入信號(hào)的通/斷狀態(tài)，并將它們存入存儲(chǔ)器輸入暫存區(qū)的相應(yīng)單元內(nèi)，這部分存儲(chǔ)區(qū)也被特別地稱為輸入映像區(qū)，在讀輸入結(jié)束后，PLC轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行階段。

    2)程序執(zhí)行階段

    PLC在程序執(zhí)行階段，按照先后次序逐條執(zhí)行用戶程序指令，從輸入映像存儲(chǔ)區(qū)中讀取輸入狀態(tài)、上一掃描周期的輸入狀態(tài)以及定時(shí)器、計(jì)數(shù)器狀態(tài)等條件，根據(jù)用戶程序進(jìn)行邏輯運(yùn)算，不斷得到運(yùn)算結(jié)果，一步步運(yùn)算得到的一步步結(jié)果并不直接輸出，而是將其對(duì)應(yīng)地先存入輸出暫存區(qū)的相應(yīng)單元中，輸出暫存區(qū)也稱為輸出映像區(qū)，直到用戶程序全部被執(zhí)行完。用戶程序執(zhí)行完后，得到后的可以輸出的結(jié)果。

    本掃描周期內(nèi)的用戶程序執(zhí)行階段結(jié)束，PLC轉(zhuǎn)入寫輸出階段。

    3)寫輸出（輸出刷新）階段

    當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，PLC就進(jìn)入輸出刷新階段，在此期間PLC根據(jù)輸出映像區(qū)中的對(duì)應(yīng)狀態(tài)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)隔離驅(qū)動(dòng)到輸出端子，向外界輸出控制信號(hào)，控制指示燈、電磁閥、接觸器等，這才是PLC的實(shí)際輸出。

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