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1、第第2章章 可编程控制器的工作原理可编程控制器的工作原理2.1 PLC的扫描方式2.1.1扫描工作方式2.1.2扫描工作过程2.1.3 PLC对输入输出的处理规则2.1.4扫描周期的计算2.2 PLC的I/O响应时间2.1 PLC的扫描方式的扫描方式v2.1.1扫描工作方式扫描工作方式v所谓扫描，只不过是一种形象的说法，用来描述CPU对程序顺序、分时操作的过程。 vPLC的扫描工作方式与传统的继电器控制系统明显不同，继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，在执行过程中，如果某一个继电器的线圈通电，那么该继电器的所有常开常闭触点，无论处在控制线路的什么位置，都会立即动作：其常开触点闭合，常闭触点
2、打开。 2.1.2扫描工作过程vPLC系统正常时要完成以下任务系统正常时要完成以下任务： v1.计算机内部各工作单元的调度、监控；v2.计算机与外部设备间的通讯；v3.用户程序所要完成的工作。 v以以PLC执行扫描用户程序的过程来说可以分为执行扫描用户程序的过程来说可以分为 ：v1. 输入采样阶段输入采样阶段v2. 程序执行阶段程序执行阶段v3. 输出刷新阶段输出刷新阶段2.1.3 PLC对输入输出的处理规则对输入输出的处理规则 vPLC的输入输出的处理原则，说明如下 ：v（1）输入映像寄存器的数据取决于输入端子在上一个工作周期的输入采样阶段所刷新的状态。在程序执行和输出刷新阶段，输入映像寄存
3、器中的内容不会改变。v（2）输出映像寄存器（包括元件映像寄存器）中的状态，由程序中输出指令的执行结果决定。在输入采样和输出刷新阶段，输出映像寄存器中的数据不会改变。v（3）输出锁存电路中的数据，由上一个扫描周期输出刷新阶段存入输出锁存电路中的数据来确定。在输入采样和程序执行阶段，输出锁存电路的数据不会改变。v（4）输出端子上的输出状态由输出锁存电路中的数据来确定。v (5）程序执行中所需要的输入和输出状态（数据）由输入映像寄存器和输出映像寄存器读出。 实例说明PLC的扫描工作过程 v 第一扫描周期第一扫描周期v（1）输入采样阶段：X0为OFF时，该结果写入输入映像寄存器中。v（2）程序执行阶段
4、：在程序执行阶段，各元件接点的状态由输入输出映像寄存器中的元件线圈的状态读出。如果某元件线圈接通，则其常开接点闭合，常闭触点打开；否则保持原始状态。v（3）输出刷新阶段：程序执行后，将输出映像寄存器中输出继电器状态传送到输出锁存电路，使Y0、Y1、Y2输出端的状态为OFF。第二、三周期v第二扫描周期第二扫描周期v（1）输入采样阶段：将X0的ON状态写入X0的输入映像寄存器中。v（2）程序执行阶段：程序按顺序依次执行。v（3）输出刷新阶段：程序执行后，将输出映像寄存器中输出继电器状态传送到输出锁存电路，使Y0、Y1、Y2输出端的状态都为ON。v第三扫描周期第三扫描周期v（1）输入采样阶段：将X0
5、的OFF状态写入X0的输入映像寄存器中。v（2）程序执行阶段：程序按顺序依次执行。v（3）输出刷新阶段：程序执行后，将Y0、Y1、Y2输出映像寄存器中输出继电器状态传送到输出锁存电路，使Y0、Y1、Y2输出端的状态都为OFF。v通过对梯形图2-2（a）、（b）扫描工作过程的详细分析，可以画出各元件在执行过程中的时序波形图（三个周期），如图2-3（a）、（b）所示时序波形图（a）、（b）2.1.4扫描周期的计算v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、与外部设备通信等处理。也就是说一个扫描周期还应包括自诊断与外部设备通信时间。一般来说，同
6、型号的PLC，其自诊断所需要的时间相同，如三菱FX系列机自诊断时间为0.96ms。通信时间的长短与所接外部设备的多少有关，如果没有接外部设备，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，两者的乘积即为扫描时间。如果程序中包含了特殊功能指令，则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。 例题解：扫描40点I/O所需要的时间为：T10.03ms/8点40点 0.15ms 扫描1000步用户程序所需要的时间为：T20.74s/步1000步0.74ms 自诊断所需要的时间为：T30.96m
7、s PLC运行时不接外部设备，通信时间为：T40 扫描周期TT1T2T3T41.85ms 【例2-1】三菱公司FX-40MR，配置开关量输入24点，开关量输出16点，用户程序为1000步，没有特殊功能指令，PLC运行时不接外部设备。I/O的扫描速度为0.03ms/8点，用户程序的扫描速度为0.74s/步，自诊断时间为0.96ms，试计算一个扫描周期所需要的时间为多少？v由此可以看出，要准确计算扫描周期的大小比较困难。为方便用户，由此可以看出，要准确计算扫描周期的大小比较困难。为方便用户，PLC采取了一些措施。采取了一些措施。v在在FX系列系列PLC中，还提供一种以恒定的扫描周期为扫描用户程序的
8、运行中，还提供一种以恒定的扫描周期为扫描用户程序的运行方式，用户可以将通过计算或实际测量的最大扫描周期再留一些余量，方式，用户可以将通过计算或实际测量的最大扫描周期再留一些余量，作为恒定的扫描周期的值存放在特殊数据寄存器作为恒定的扫描周期的值存放在特殊数据寄存器D8039中（计时单位：中（计时单位：1ms）。当特殊辅助继电器）。当特殊辅助继电器M8039线圈接通时，线圈接通时，PLC按照按照D8039中存放中存放的数据以恒定的周期扫描用户程序。若实际的扫描周期小于恒定的扫描的数据以恒定的周期扫描用户程序。若实际的扫描周期小于恒定的扫描周期，则周期，则PLC在完成本次循环后处于等待状态，直到恒定
9、扫描周期的时在完成本次循环后处于等待状态，直到恒定扫描周期的时间结束才开始下一个扫描周期；若实际的扫描周期大于恒定的扫描周期，间结束才开始下一个扫描周期；若实际的扫描周期大于恒定的扫描周期，PLC照常运行，但不再以恒定扫描周期的方式工作。这说明恒定扫描周照常运行，但不再以恒定扫描周期的方式工作。这说明恒定扫描周期并非任意设定，它必须大于期并非任意设定，它必须大于PLC运行时可能出现的最大扫描周期值运行时可能出现的最大扫描周期值（即（即D8012存放的值），因为存放的值），因为PLC采用扫描周期警戒计时器，监视每次采用扫描周期警戒计时器，监视每次扫描是否超过规定时间，因此用户必须使警戒计时器（扫
10、描是否超过规定时间，因此用户必须使警戒计时器（WDT）的设定值）的设定值大于恒定扫描周期的值，否则大于恒定扫描周期的值，否则CPU会发出警戒计时报警信号。会发出警戒计时报警信号。 梯形图执行数据传输指令梯形图执行数据传输指令 2.2 PLC的的I/O响应时间响应时间v PLC的I/O响应时间又称I/O滞后时间，是指PLC外部输入信号发生变化的时刻至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻止之间的间隔。它主要由因扫描工作方式产生的滞后时间、输入电路的滤波和输出模块的滞后时间三部分组成。 v输入模块的RC滤波电路用来滤除由输入端引入的干扰噪声，消除因外接输入触点动作时产生抖动引起的不良影响。滤波时间
11、常数决定了输入滤波时间的长短，其典型值为10ms左右。v 输出模块的滞后时间与模块开关元件的类型有关：继电器输出电路的滞后时间一般最大在10ms左右；双向可控硅型输出电路的滞后时间在负载接通时的滞后时间约为1ms左右，负载由导通到断开时的最大滞后时间为10ms；晶体管型输出电路的滞后时间一般在1ms左右。v PLC总的滞后时间一般只有十几毫秒，对于一般的控制系统来说是无关紧要的，但不能满足要求I/O相应速度快的实时控制场合。为此，现在的PLC除了加快扫描速度、优化用户程序之外，还在软、硬件上采取了一些措施，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；在软件方面，主要有改变信息刷新方式、运用中断技术、调整输入滤波器等措施。习题及思考题 v1.PLC的工作方式与继电器控制系统有什么不同？v2.PLC的工作过程分哪几个阶段？每个阶段的作用是什么？v3.什么叫PLC的扫描周期？其长短与什么有关？v4.PLC为什么会产生输出响应滞后现象？如何提高I/O响应速度？