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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展起來的新一代工業自動化裝置。它采用可編程序存貯器，并通過數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，是一種專為在工業環境下應用而設計的數字運算的電子系統。PLC具有性能穩定可靠，抗干擾能力強，編程簡單，使用方便，安裝、調試工作量少的優點，所以在工業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的精度。
2 PLC的工作原理
PLC采用周期性方式工作，每個循環周期含有若干階段：診斷階段、聯機通信階段、輸入采樣階段、程序執行階段、輸出刷新階段。
(1) 診斷階段：PLC自檢，當狀態正常時，進入下一步工作，否則待機；
(2) 聯機通信階段：傳送本機狀態信息和接收上位計算機指令；
(3) 輸入采樣階段：對現場信號輸入端口狀態（ON或OFF，即“0”或“1”）進行掃描，并將信號狀態存放輸入狀態寄存器，也稱輸入刷新，PLC工作在其它階段時，即使信號狀態發生變化，輸入狀態寄存器內的內容也不會發生變化，狀態變化只能在下一個工作周期的輸入采樣階段才被讀入；
(4) 程序執行階段：PLC從程序第一條指令開始按順序執行，所需要的數據如輸入狀態或其它元素的狀態分別由輸入狀態寄存器和其它狀態寄存器中讀出，程序執行結果分別寫入相應的元素狀態寄存器（包括輸出狀態寄存器），輸出狀態寄存器中的內容會隨著程序執行的進程而變化；
(5) 輸出刷新階段：程序執行結束后，輸出狀態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依次執行每個工作階段工作，如此往復循環，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 對系統可靠性的影響
圖1 機械手控制步進梯形圖
PLC系統對現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，保證機械手確實穩定夾緊或放松后才執行輸出動作。延時時間的長短，可根據觸點抖動情況和系統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，在保障系統可靠性的基礎上，此延時時間應盡量短些。
4 對系統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進行處理。在程序執行階段，即使輸入狀態變化，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控制程序發出相應的控制命令，但存在這樣一個現象：當設備做出相應的動作后，工藝參數隨之恢復正常，傳感器不再發出報警信號。這樣就導致這些報警信號持續時間非常短，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。表現為設備運行狀態發生變化，但不知道原因。為防止這種情況出現，可以在PLC程序中增加鎖定邏輯，當出現異常工況時，對異常情況進行鎖定，這就避免了當上述現象發生時，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。
5 對系統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行元件動作所需的時間，它與掃描周期有關，對系統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，然后再經程序執行和輸出刷新階段，將控制信號送到執行元件，并經過輸出延時T2，最后執行器動作。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進行工業控制時，必須了解PLC的工作原理，考慮到PLC的循環掃描工作方式的掃描周期對控制系統控制精度的影響，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