西门子S7-1200PLC模块广西代理价格

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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中输入信号在*个扫描周期的执行用户程序阶段才出现，所以在*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，响应延时长可达两个多扫描周期。

    如果交换梯形图中*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*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。

    在PLC的实际工作过程中，每个扫描周期除了输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段外，还要进行自诊断、与外设（如编程器、上位计算机）通信等处理。即一个扫描周期还应包含自诊断及与外设通信等时间。一般同型号的PLC，其自诊断所需的时间相同，如三菱FX2系列机自诊断时间均为0.96ms。通信时间的长短与连接的外设多少有关系，如果没有连接外设，则通信时间为0。输入采样与输出刷新时间取决于其I/O点数，而扫描用户程序所用的时间则与扫描速度及用户程序的长短有关。对于基本逻辑指令组成的用户程序，二者的乘积即为扫描时间。如果程序中包含特殊功能指令，则还必须根据用户手册查表计算执行这些特殊功能指令的时间。

    【例3-1】三菱公司FX2 - 40M，配置开关量输入24点，开关量输出16点，用户程序为1000步，不包含特殊功能指令，PLC运行时不连接上位计算机等外设。I/O的扫描速度为0. 03ms/（8点），用户程序的扫描速度为0.74μs/步，自诊断所需的时间为0.96ms，试计算一个扫描周期所需要的时间。

    解扫描40点I/O所需要的时间为：

    扫描1000步程序所需要的时间为：T2=0.74μs/步×1000步=0. 74ms

    自诊断所需要的时间为：T3=0.96ms

    因PLC运行时，不与外设通信，所以通信时间为；T4=0

    这样一个扫描周期T为

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

    上面给出的例题中假设用户程序中没有特殊功能指令，而在实际的控制程序设计中，稍微复杂一点的程序都包含特殊功能指令。对于特殊功能指令，逻辑条件满足与否，执行时间不同，甚至差异较大，从而计算出的扫描周期也不一样。

    由此看出准确地计算扫描周期的大小是比较困难的。为方便用户，近期的PLC大都采取了一些措施。如在FX2系列PLC中，当PLC投入运行后，CPU将大扫描周期、小扫描周期和当前扫描周期的值分别存入D8012、D8011、D8010三个特殊数据寄存器中(计时单位1ms)，用户可以通过编程器查阅、监控扫描周期的大小及变化。在FX2系列PLC中，还提供一种以恒定的扫描周期扫描用户程序的运行方式：用户可将通过计算或实际测定的大扫描周期再留一些余量，作为恒定扫描周期的值存放在特殊数据寄存器D8039中(计时单位1ms)；当特殊辅助继电器M8039线圈被接通时，PLC按照D8039中存放的数据以恒定周期扫描用户程序。恒定扫描周期的值并非任意设定，它必须大于PLC正常运行时可能出现的大扫描周期值（即D8012存放的数值）。因为PLC采用扫描WDT，监视每次扫描是否超过规定时间（如果主机出现故障，扫描周期变长，就会发出报警信号），因此用户必须使WDT的设定值大于恒定扫描周期的值，否则CPU发出警戒计时报警信号。
通过对PLC的用户程序执行过程的分析，可总结出PLC对输入/输出的处理规则，如图3-12所示。

    (1)输入映像寄存器的数据（状态）取决于输入端子板上各输入点在本扫描周期的输入处理阶段所刷新的状态（“0”或“1”）。

    (2)程序的执行取决于用户程序内容以及输入/输出映像寄存器的内容及其他元件映像寄存器的内容。
 

    图3-12    PLC对输入/输出的处理规则

    (3)输出映像寄存器（包括各元件映像寄存器）的数据（状态），由用18户程序中输出指令的执行结果决定。

    (4)输出锁存器中的数据（状态），由上一个扫描周期的输出处理阶段存人到输出锁存器中的数据确定，直到本扫描周期的输出处理阶段其数据才被刷新。

    (5)输出端子上的输出数据（状态），由输出锁存器中的数据决定。

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