可编程序控制器I/O延迟响应的优化方案

1.I/O延迟响应

由于可编程序控制器采用循环扫描的工作方式，即对信息串行处理方式，必定导致输入、输出延迟响应。当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做出反应，需要一段时间。这段时间就称为响应时间或滞后时间（通常滞后时间为几十毫秒）。这种现象称为输入、输出延迟响应或滞后现象。对于一般工业控制要求，这种滞后现象是允许的；但是对那些要求响应时间小于扫描周期的控制系统则不能满足，这时可以使用智能输入/输出单元（如快速响应I/O模块）或专门的软件指令（如立即I/O指令），通过与扫描周期脱离的方式来解决。

2.响应时间

1）响应时间是设计PLC控制系统时应了解的一个重要参数。响应时间与以下因素有关：

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为10ms左右；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。

因素③和因素④是由PLC的工作原理决定的，是无法改变。但有些因素是可以通过恰当选择、合理编程得到改善。例如选用可控硅输出方式或晶体管输出方式，则可以加快响应速度。

图5-9 PLC的最短响应时间

2）由于PLC是周期循环扫描工作方式，因此响应时间与收到输入信号的时刻有关，以下对最短和最长时间进行讨论。

①最短响应时间。如果在一个扫描周期刚结束之前收到一个输入信号，在下一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，如图5-9所示。最短响应时间为

最短响应时间＝输入延迟时间一个扫描周期＋输出延迟时间

②最长响应时间。如果收到的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，要到下一个扫描周期输入采样阶段才被读入，使输入更新，这时响应时间最长，如图5-10所示。最长响应时间为：(https://www.xing528.com)

最长响应时间＝两个扫描时间＋输出延迟时间

图5-10 PLC的最长响应时间

图5-11 梯形图及各元件状态的时序

从图5-10可见，输入信号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，使系统同样能够捕捉到。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。

③用户程序的语句安排影响响应时间如图5-11所示。从分析图5-11梯形图中各元件状态的时序可以看出：输入信号在第一个扫描周期的程序执行阶段被激励，该输入信号到第二周期输入采样阶段才被读入，存入输入映象寄存器I0.2，而后进入程序执行阶段。由于I0.2＝1，Q0.0被激励为“1”，Q0.0＝1的状态存入输出映象寄存器Q0.0，同时位存储器M2.1＝10最后进入输出刷新阶段，将输出寄存器Q0.0＝1的状态，转存到输出锁存器，直至输出端子Q0.0，这是PLC的实际输出。位存储器M2.0要到第三个周期才能被激励。这是由于PLC执行程序时是按顺序扫描所致。如果将网络一、网络二的位置对调一下，则其存储器M2.0在第二周期也能响应。所以，程序语句的安排影响了响应时间。

3.PLC对I／O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，可能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”处理方式进行工作。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、输出的处理必须遵守以下规则：

①输入映象寄存器的内容，由上一个扫描周期输入端子的状态决定。

②输出映象寄存器的状态，由程序执行期间输出指令的执行结果决定。

③输出锁存电路的状态，由上一次输出刷新期间输出映象寄存器的状态决定。

④输出端子板上各输出端的状态，由输出锁存电路来确定。

⑤执行程序时所用的输入、输出状态值，取用于输入、输出映象寄存器的状态。

尽管可编程序控制器采用周期循环扫描的工作方式，而产生输入、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，就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。这样完全符合实际系统的工作状态，从宏观上认为PLC恢复了系统对被控制变量控制的并行性。扫描周期的长短和程序的长短有关，和每条指令执行时间长短有关。而后者又和指令的类型、和CPU的主频（即时钟）有关。一般PLC的扫描周期均小于50～60ms。