今日頭條
官方微信
官方抖音
案例頻道
1 概述
PLC是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及通信技術(shù)發(fā)展起來(lái)的新一代工業(yè)自動(dòng)化裝置。它采用可編程序存貯器，并通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出方式，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程，是一種專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算的電子系統(tǒng)。PLC具有性能穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)，編程簡(jiǎn)單，使用方便，安裝、調(diào)試工作量少的優(yōu)點(diǎn)，所以在工業(yè)過(guò)程控制中被廣泛使用。在使用PLC控制工程問(wèn)題時(shí)，技術(shù)人員一定要了解PLC的工作方式，否則看似正確的程序可能達(dá)不到預(yù)期的控制要求，進(jìn)而影響了控制系統(tǒng)的精度。
2 PLC的工作原理
PLC采用周期性方式工作，每個(gè)循環(huán)周期含有若干階段：診斷階段、聯(lián)機(jī)通信階段、輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段、輸出刷新階段。
(1) 診斷階段：PLC自檢，當(dāng)狀態(tài)正常時(shí)，進(jìn)入下一步工作，否則待機(jī)；
(2) 聯(lián)機(jī)通信階段：傳送本機(jī)狀態(tài)信息和接收上位計(jì)算機(jī)指令；
(3) 輸入采樣階段：對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)輸入端口狀態(tài)（ON或OFF，即“0”或“1”）進(jìn)行掃描，并將信號(hào)狀態(tài)存放輸入狀態(tài)寄存器，也稱輸入刷新，PLC工作在其它階段時(shí)，即使信號(hào)狀態(tài)發(fā)生變化，輸入狀態(tài)寄存器內(nèi)的內(nèi)容也不會(huì)發(fā)生變化，狀態(tài)變化只能在下一個(gè)工作周期的輸入采樣階段才被讀入；
(4) 程序執(zhí)行階段：PLC從程序第一條指令開始按順序執(zhí)行，所需要的數(shù)據(jù)如輸入狀態(tài)或其它元素的狀態(tài)分別由輸入狀態(tài)寄存器和其它狀態(tài)寄存器中讀出，程序執(zhí)行結(jié)果分別寫入相應(yīng)的元素狀態(tài)寄存器（包括輸出狀態(tài)寄存器），輸出狀態(tài)寄存器中的內(nèi)容會(huì)隨著程序執(zhí)行的進(jìn)程而變化；
(5) 輸出刷新階段：程序執(zhí)行結(jié)束后，輸出狀態(tài)寄存器中的內(nèi)容送輸出鎖存器，產(chǎn)生設(shè)備驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)負(fù)載設(shè)備，完成實(shí)際的輸出。
PLC依次執(zhí)行每個(gè)工作階段工作，如此往復(fù)循環(huán)，完成一個(gè)周期工作的時(shí)間即是一個(gè)工作周期（或掃描周期）[1]。
3 對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響
圖1 機(jī)械手控制步進(jìn)梯形圖
PLC系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的響應(yīng)速度大多以毫秒為單位，外界設(shè)備的微小變化，都會(huì)在PLC控制程序中得到迅速的響應(yīng)。而現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)，由于噪聲、干擾、誤動(dòng)作、模擬信號(hào)誤差等因素的影響，可能會(huì)產(chǎn)生瞬間的電平變化，例如當(dāng)按鈕作為輸入信號(hào)時(shí)則不可避免產(chǎn)生抖動(dòng)，輸入信號(hào)是繼電器觸點(diǎn)有時(shí)會(huì)產(chǎn)生瞬間跳動(dòng)。這些輸入信號(hào)的變化被掃描周期中輸入采樣階段采樣，則會(huì)不可避免形成輸入信號(hào)的錯(cuò)誤，引起系統(tǒng)誤動(dòng)作，造成事故。因此須在信號(hào)輸入端設(shè)計(jì)定時(shí)器濾波電路，濾除這種瞬間產(chǎn)生的錯(cuò)誤信號(hào)，從而提高系統(tǒng)抗干擾可靠性。例如機(jī)械手控制程序中，如圖1所示，為了使機(jī)械手準(zhǔn)確夾緊、放松工件，采用定時(shí)器T0、T1，延時(shí)1s且必須在掃描周期的輸入采樣階段才能對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，1s的延時(shí)時(shí)間是用于輸入信號(hào)的確認(rèn)，保證機(jī)械手確實(shí)穩(wěn)定夾緊或放松后才執(zhí)行輸出動(dòng)作。延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短，可根據(jù)觸點(diǎn)抖動(dòng)情況和系統(tǒng)要求的響應(yīng)速度而定，采樣延時(shí)時(shí)間越長(zhǎng)，信息采集的可靠性越高，但實(shí)時(shí)性也越差，因此，在保障系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)上，此延時(shí)時(shí)間應(yīng)盡量短些。
4 對(duì)系統(tǒng)故障診斷能力的影響
PLC在每個(gè)掃描周期中只在輸入采樣階段對(duì)輸入端的輸入信號(hào)狀態(tài)進(jìn)行處理。在程序執(zhí)行階段，即使輸入狀態(tài)變化，輸入映像寄存器的內(nèi)容也不會(huì)改變，這將使輸入的高頻率信號(hào)或窄脈沖不能得到處理[2]。在實(shí)際控制系統(tǒng)中，有一些傳感器主要是用來(lái)保護(hù)一些關(guān)鍵設(shè)備的，當(dāng)某些工藝參數(shù)達(dá)到這些傳感器的設(shè)定值之后，這些傳感器向PLC傳遞一個(gè)報(bào)警信號(hào)，使PLC控制程序發(fā)出相應(yīng)的控制命令，但存在這樣一個(gè)現(xiàn)象：當(dāng)設(shè)備做出相應(yīng)的動(dòng)作后，工藝參數(shù)隨之恢復(fù)正常，傳感器不再發(fā)出報(bào)警信號(hào)。這樣就導(dǎo)致這些報(bào)警信號(hào)持續(xù)時(shí)間非常短，遠(yuǎn)小于采集時(shí)間，導(dǎo)致無(wú)法采集到這個(gè)變化，因此也就沒(méi)有相應(yīng)的報(bào)警顯示。表現(xiàn)為設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化，但不知道原因。為防止這種情況出現(xiàn)，可以在PLC程序中增加鎖定邏輯，當(dāng)出現(xiàn)異常工況時(shí)，對(duì)異常情況進(jìn)行鎖定，這就避免了當(dāng)上述現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，無(wú)法得知具體的故障部位和故障原因，為判斷設(shè)備故障提供了一定的依據(jù)。
5 對(duì)系統(tǒng)I/O響應(yīng)快速性的影響
I/O響應(yīng)時(shí)間是指PLC接收到傳感器信號(hào)到執(zhí)行元件動(dòng)作所需的時(shí)間，它與掃描周期有關(guān)，對(duì)系統(tǒng)的控制性能影響較大。I/O響應(yīng)時(shí)間并不是固定的，有一個(gè)變化范圍，從控制精度考慮，關(guān)鍵是要了解最大響應(yīng)時(shí)間，如圖2所示。
圖2中，輸入采樣階段剛剛完成時(shí)，輸入信號(hào)經(jīng)輸入導(dǎo)通延時(shí)T1到達(dá)PLC的輸入端，因?yàn)檎缅e(cuò)過(guò)輸入采樣時(shí)間，必須等下一個(gè)周期的輸入采樣階段才能將這一信號(hào)讀入PLC，然后再經(jīng)程序執(zhí)行和輸出刷新階段，將控制信號(hào)送到執(zhí)行元件，并經(jīng)過(guò)輸出延時(shí)T2，最后執(zhí)行器動(dòng)作。因此，最大I/O響應(yīng)時(shí)間ｔ為Tmax= T1+2T+ T2，I/O響應(yīng)時(shí)間滯后，必然使控制精度下降，因此用戶在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)充分考慮到這個(gè)因素，盡管在一般的應(yīng)用場(chǎng)合，這個(gè)問(wèn)題并不十分突出。
綜上所述， 在使用PLC進(jìn)行工業(yè)控制時(shí)，必須了解PLC的工作原理，考慮到PLC的循環(huán)掃描工作方式的掃描周期對(duì)控制系統(tǒng)控制精度的影響，才能達(dá)到滿意的控制要求。
圖2 I/O響應(yīng)時(shí)間
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)