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1 概述
PLC是以微處理器為基礎，綜合計算機技術、自動控制技術以及通信技術發(fā)展起來的新一代工業(yè)自動化裝置。它采用可編程序存貯器，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出方式，控制各種類型的機械或生產過程，是一種專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算的電子系統(tǒng)。PLC具有性能穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強，編程簡單，使用方便，安裝、調試工作量少的優(yōu)點，所以在工業(yè)過程控制中被廣泛使用。在使用PLC控制工程問題時，技術人員一定要了解PLC的工作方式，否則看似正確的程序可能達不到預期的控制要求，進而影響了控制系統(tǒng)的精度。
2 PLC的工作原理
PLC采用周期性方式工作，每個循環(huán)周期含有若干階段：診斷階段、聯(lián)機通信階段、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，當狀態(tài)正常時，進入下一步工作，否則待機；
(2) 聯(lián)機通信階段：傳送本機狀態(tài)信息和接收上位計算機指令；
(3) 輸入采樣階段：對現(xiàn)場信號輸入端口狀態(tài)（ON或OFF，即“0”或“1”）進行掃描，并將信號狀態(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，即使信號狀態(tài)發(fā)生變化，輸入狀態(tài)寄存器內的內容也不會發(fā)生變化，狀態(tài)變化只能在下一個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)行結果分別寫入相應的元素狀態(tài)寄存器（包括輸出狀態(tài)寄存器），輸出狀態(tài)寄存器中的內容會隨著程序執(zhí)行的進程而變化；
(5) 輸出刷新階段：程序執(zhí)行結束后，輸出狀態(tài)寄存器中的內容送輸出鎖存器，產生設備驅動信號，驅動負載設備，完成實際的輸出。
PLC依次執(zhí)行每個工作階段工作，如此往復循環(huán)，完成一個周期工作的時間即是一個工作周期（或掃描周期）[1]。
3 對系統(tǒng)可靠性的影響
圖1 機械手控制步進梯形圖
PLC系統(tǒng)對現(xiàn)場信號的響應速度大多以毫秒為單位，外界設備的微小變化，都會在PLC控制程序中得到迅速的響應。而現(xiàn)場輸入信號，由于噪聲、干擾、誤動作、模擬信號誤差等因素的影響，可能會產生瞬間的電平變化，例如當按鈕作為輸入信號時則不可避免產生抖動，輸入信號是繼電器觸點有時會產生瞬間跳動。這些輸入信號的變化被掃描周期中輸入采樣階段采樣，則會不可避免形成輸入信號的錯誤，引起系統(tǒng)誤動作，造成事故。因此須在信號輸入端設計定時器濾波電路，濾除這種瞬間產生的錯誤信號，從而提高系統(tǒng)抗干擾可靠性。例如機械手控制程序中，如圖1所示，為了使機械手準確夾緊、放松工件，采用定時器T0、T1，延時1s且必須在掃描周期的輸入采樣階段才能對輸入信號進行采樣，1s的延時時間是用于輸入信號的確認，保證機械手確實穩(wěn)定夾緊或放松后才執(zhí)行輸出動作。延時時間的長短，可根據(jù)觸點抖動情況和系統(tǒng)要求的響應速度而定，采樣延時時間越長，信息采集的可靠性越高，但實時性也越差，因此，在保障系統(tǒng)可靠性的基礎上，此延時時間應盡量短些。
4 對系統(tǒng)故障診斷能力的影響
PLC在每個掃描周期中只在輸入采樣階段對輸入端的輸入信號狀態(tài)進行處理。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容也不會改變，這將使輸入的高頻率信號或窄脈沖不能得到處理[2]。在實際控制系統(tǒng)中，有一些傳感器主要是用來保護一些關鍵設備的，當某些工藝參數(shù)達到這些傳感器的設定值之后，這些傳感器向PLC傳遞一個報警信號，使PLC控制程序發(fā)出相應的控制命令，但存在這樣一個現(xiàn)象：當設備做出相應的動作后，工藝參數(shù)隨之恢復正常，傳感器不再發(fā)出報警信號。這樣就導致這些報警信號持續(xù)時間非常短，遠小于采集時間，導致無法采集到這個變化，因此也就沒有相應的報警顯示。表現(xiàn)為設備運行狀態(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，當出現(xiàn)異常工況時，對異常情況進行鎖定，這就避免了當上述現(xiàn)象發(fā)生時，無法得知具體的故障部位和故障原因，為判斷設備故障提供了一定的依據(jù)。
5 對系統(tǒng)I/O響應快速性的影響
I/O響應時間是指PLC接收到傳感器信號到執(zhí)行元件動作所需的時間，它與掃描周期有關，對系統(tǒng)的控制性能影響較大。I/O響應時間并不是固定的，有一個變化范圍，從控制精度考慮，關鍵是要了解最大響應時間，如圖2所示。
圖2中，輸入采樣階段剛剛完成時，輸入信號經輸入導通延時T1到達PLC的輸入端，因為正好錯過輸入采樣時間，必須等下一個周期的輸入采樣階段才能將這一信號讀入PLC，然后再經程序執(zhí)行和輸出刷新階段，將控制信號送到執(zhí)行元件，并經過輸出延時T2，最后執(zhí)行器動作。因此，最大I/O響應時間ｔ為Tmax= T1+2T+ T2，I/O響應時間滯后，必然使控制精度下降，因此用戶在設計控制系統(tǒng)時，應充分考慮到這個因素，盡管在一般的應用場合，這個問題并不十分突出。
綜上所述， 在使用PLC進行工業(yè)控制時，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控制系統(tǒng)控制精度的影響，才能達到滿意的控制要求。
圖2 I/O響應時間
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號