邏輯控制系統(tǒng)循環(huán)掃描時(shí)間的設(shè)計(jì)

1、PLC邏輯控制系統(tǒng)循環(huán)掃描時(shí)間的設(shè)計(jì)邱公偉巫淑萍摘要給出了設(shè)計(jì)PLC邏輯控制系統(tǒng)循環(huán)掃描時(shí)間的4個(gè)限制條件。滿足這些條件可保證邏輯等價(jià)性，防止信號(hào)丟失，從而避免表面正確的梯形圖內(nèi)含的危險(xiǎn)及隱患，減少IO響應(yīng)時(shí)間，提高控制精度，保證計(jì)時(shí)器的正常工作。關(guān)鍵詞：循環(huán)掃描時(shí)間邏輯等價(jià)性IO響應(yīng)時(shí)間時(shí)基限制條件The Design of the Cycling Scanning Time for PLC Logical Control SystemAbstractFour limits in Design of the cycling scanning time of PLC logic control

2、 system are given Based on these conditions the logic equivalence can be ensured and the signal will not be lost Thus the inherent dangerous and hidden peril may be removed from the correct looking ladder logic， the IO response will be faster， the control accuracy will be enhanced and the timer will

3、 operate properlyKeywords：Cycling scanning timeLogic equivalenceIO response timeTime base limit condition0引言可編程序控制器（簡(jiǎn)稱PLC）采用循環(huán)掃描方式工作，每個(gè)掃描周期都按順序把每項(xiàng)任務(wù)處理一次，并集中進(jìn)行IO處理。這種工作方式至少帶來(lái)兩個(gè)好處：其一是每項(xiàng)任務(wù)在每個(gè)掃描周期中均可獲得一次服務(wù)，從而保證每項(xiàng)任務(wù)都具有一定的實(shí)時(shí)性；其二是這種工作方式本身具有較好的抗干擾能力。在一個(gè)掃描周期中，IO處理僅占較少一部分時(shí)間，這就意味著大部分時(shí)間的干擾信號(hào)是不會(huì)被采集進(jìn)PLC的，而且PLC的循環(huán)

4、掃描時(shí)間一般在數(shù)十到一百多ms之間，掃描速度非?？?，即使采入了干擾信號(hào)，由于外部執(zhí)行器慣性較大，來(lái)不及動(dòng)作，在下個(gè)掃描周期內(nèi)就會(huì)將其糾正。循環(huán)掃描方式會(huì)帶來(lái)好處，也會(huì)帶來(lái)問題，因此，在設(shè)計(jì)循環(huán)掃描時(shí)間時(shí)必須滿足一些限制條件，否則表面上正確的梯形圖其實(shí)內(nèi)含著隱患與危險(xiǎn)，在條件具備時(shí)就會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作，造成事故。國(guó)內(nèi)某些企業(yè)的引進(jìn)設(shè)備上就曾發(fā)生過(guò)這類故障。1邏輯等價(jià)性與循環(huán)掃描時(shí)間PLC邏輯控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)的重要區(qū)別在于它們采用的工作方式不同。繼電器控制系統(tǒng)按并行方式工作，各支路同時(shí)執(zhí)行，只要形成通路，就可能有好幾個(gè)電器同時(shí)動(dòng)作。PLC則按循環(huán)掃描方式工作，每次掃描一條指令，這是一種串行方式。

5、從繼電器控制到PLC控制這種工作方式的改變會(huì)影響梯形圖邏輯功能的發(fā)揮嗎或者說(shuō)它們二者在邏輯功能上能做到等價(jià)嗎一般而言，梯形圖經(jīng)過(guò)一個(gè)周期掃描，在邏輯上未必與原有的繼電器電路圖一樣。但是，只要使?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變的條件維持一段時(shí)間不變，那么，經(jīng)過(guò)有限個(gè)掃描周期之后，兩者在邏輯上會(huì)是等價(jià)的。然而，若在此期間，狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件發(fā)生變化，那么兩者就達(dá)不到邏輯等價(jià)了。圖1示意性地說(shuō)明了邏輯等價(jià)性問題。其中，圖1a為繼電器電路圖，若按動(dòng)QA按鈕，X、Y、Z三個(gè)線圈均得電。圖1b為其對(duì)應(yīng)的梯形圖，按下QA（相當(dāng)于X400閉合），如果僅掃描一周，只有一個(gè)線圈得電，顯然，這時(shí)圖1a與圖1b在邏輯上是不等價(jià)。只有經(jīng)過(guò)三個(gè)掃描

6、周期，圖1b的三個(gè)線圈才會(huì)全部得電，這時(shí)，圖1b才與圖1a在邏輯上等價(jià)。如果在第三個(gè)掃描周期完成之前，松開QA按鈕，那么圖1b就不會(huì)與圖1a等價(jià)了。圖1邏輯等價(jià)性說(shuō)明串行方式運(yùn)行的結(jié)果有時(shí)要經(jīng)過(guò)n個(gè)周期的積累才會(huì)與并行執(zhí)行的結(jié)果一樣，這就造成在前n個(gè)掃描周期兩者在邏輯上的不等價(jià)狀況。只要狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件在這n個(gè)掃描周期維持不變那么經(jīng)過(guò)n個(gè)周期后，兩者就達(dá)到了邏輯等價(jià)；反之，若在邏輯上還沒有進(jìn)入等價(jià)之前，狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件發(fā)生變化，必然會(huì)導(dǎo)致邏輯上不等價(jià)，致使所設(shè)計(jì)的梯形圖發(fā)揮不出預(yù)定的邏輯功能，從而造成故障。為此，要保證邏輯等價(jià)性，應(yīng)滿足下列條件：tDn.t（1）式中：tD表示狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件的保持時(shí)間；t

7、為循環(huán)掃描時(shí)間；n為達(dá)到邏輯等價(jià)所需的最小周期數(shù)。tD通常決定于按鈕、行程開關(guān)和傳感繼電器的動(dòng)作時(shí)間，它作為設(shè)備常數(shù)處理。n值可以從梯形圖上求得（另文討論）。要保證邏輯等價(jià)性必須使式（1）成立，這有兩個(gè)途徑：設(shè)計(jì)循環(huán)掃描時(shí)間及減少n值。梯形圖是按順序掃描的，若一個(gè)器件其觸點(diǎn)所處的梯級(jí)在其線圈所在梯級(jí)之后，該觸點(diǎn)稱為“正序”；若其觸點(diǎn)所處梯級(jí)在其線圈所在梯級(jí)之前，該觸點(diǎn)稱為“反序”。當(dāng)該線圈控制條件改變時(shí)，正序觸點(diǎn)在同一周期就起作用，而反序觸點(diǎn)要到下一周期才起作用。反序的存在，正是造成需要數(shù)個(gè)掃描周期才能邏輯等價(jià)的原因。因此，在梯形圖設(shè)計(jì)出來(lái)之后，對(duì)反序梯級(jí)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，使n值減小。例如在圖1b

8、中若把梯級(jí)與梯級(jí)對(duì)調(diào)如圖1c所示，則可以使n值由3變?yōu)?，使式（1）更易滿足。2輸入信號(hào)丟失PLC在每個(gè)掃描周期中集中一段時(shí)間對(duì)IO信號(hào)進(jìn)行處理，這將有可能造成輸入信號(hào)丟失。當(dāng)輸入信號(hào)在IO刷新時(shí)間尚未到來(lái)時(shí)發(fā)生變化，則當(dāng)IO刷新時(shí)間到來(lái)時(shí)因輸入信號(hào)的變化卻已過(guò)去而造成輸入信號(hào)丟失，圖2表示了掃描周期與輸入信號(hào)丟失的關(guān)系。圖2掃描周期與輸入信號(hào)丟失的關(guān)系在圖2中，掃描周期T由t1，t2，t3，t44部分組成1。其中，t1為共同掃描時(shí)間；t2為外設(shè)掃描時(shí)間；t3為用戶程序執(zhí)行時(shí)間；t4為IO刷新時(shí)間；tS為輸入信號(hào)持續(xù)時(shí)間。如果tST且又正好落在兩相鄰掃描周期的對(duì)此信號(hào)輸入點(diǎn)之間，則將造成輸入信

9、號(hào)丟失，引發(fā)生產(chǎn)故障。為此要避免輸入信號(hào)丟失，必須滿足下列條件：tST（2）梯形圖設(shè)計(jì)好之后，循環(huán)掃描周期T就固定下來(lái)，設(shè)計(jì)者必須對(duì)輸入信號(hào)持續(xù)時(shí)間逐一驗(yàn)算，特別是對(duì)脈沖輸入信號(hào)。作者曾對(duì)一個(gè)用光電傳感器測(cè)量產(chǎn)品落下的PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)由于脈沖較窄，導(dǎo)致經(jīng)常發(fā)生輸入信號(hào)脈沖的丟失，為此對(duì)光電脈沖用硬件加了脈沖展寬電路，使脈沖輸入信號(hào)寬度大于循環(huán)掃描周期，便徹底解決了由輸入信號(hào)丟失引發(fā)的故障。3控制精度與循環(huán)掃描時(shí)間的關(guān)系用PLC控制替代繼電器控制帶來(lái)的主要負(fù)面效應(yīng)是“響應(yīng)滯后”?！绊憫?yīng)滯后”可以用IO響應(yīng)時(shí)間來(lái)描述，它是指當(dāng)PLC某一輸入信號(hào)發(fā)生變化到輸出對(duì)其作出反應(yīng)為止所經(jīng)歷的一段

10、時(shí)間。IO響應(yīng)時(shí)間并不是固定的，有一變化范圍，從控制精度考慮，關(guān)鍵是最大IO響應(yīng)時(shí)間，假設(shè)梯形圖經(jīng)調(diào)整用一個(gè)掃描周期就可以達(dá)到邏輯等價(jià)，那么它們的最大IO響應(yīng)時(shí)間可以從圖3中求得（T，t1，t2，t3和t4的含義同圖2）。圖3最大IO響應(yīng)時(shí)間在圖3中，輸入信號(hào)經(jīng)輸入濾波延時(shí)t5到達(dá)PLC輸入端，若這時(shí)正好錯(cuò)過(guò)了IO刷新時(shí)間t4，那么只好等下一周期的t4段才被PLC讀入，到再下一個(gè)周期的t3段才被用戶程序處理，到t4段輸出，然后經(jīng)過(guò)輸出機(jī)械延時(shí)t6，最后執(zhí)行器動(dòng)作。因此，最大IO響應(yīng)時(shí)間tL為2tLt52Tt6（3）IO響應(yīng)時(shí)間作為一種滯后，必將使控制品質(zhì)下降。例如用PLC控制的點(diǎn)位系統(tǒng)，設(shè)其運(yùn)

11、動(dòng)速度為v，由最大IO響應(yīng)時(shí)間造成的位置誤差Se為SevtL（4）設(shè)計(jì)時(shí)，可以從允許的最大誤差出發(fā)，求出允許的最大IO響應(yīng)時(shí)間，最后由式（3）求得循環(huán)掃描周期T的最大允許值。曾對(duì)一個(gè)既含有開關(guān)量又含有連續(xù)量的多任務(wù)PLC控制系統(tǒng)3進(jìn)行計(jì)算和試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)一段連續(xù)量數(shù)字濾波與PID控制的程序，在C200H上大約要運(yùn)行35ms左右。如果把數(shù)個(gè)開關(guān)量任務(wù)與數(shù)個(gè)連續(xù)量任務(wù)順序排列，采用循環(huán)掃描方式得到的循環(huán)掃描時(shí)間不僅無(wú)法滿足誤差要求，不能避免輸入信號(hào)丟失，而且也突破了PLC的Watchdog時(shí)限，使PLC無(wú)法工作。造成上述狀況的原因在于開關(guān)量任務(wù)與連續(xù)量任務(wù)是性質(zhì)不同的兩類任務(wù)。前者掃描周期愈短愈好，一

12、般不要超過(guò)100ms，而后者掃描周期長(zhǎng)，可取1000ms（如壓力），甚至10000ms（溫度）。為此，采用了如圖4所示的PLC實(shí)時(shí)多任務(wù)調(diào)度算法，該算法引入了大掃描周期與小掃描周期的概念。要求每個(gè)小掃描周期必須對(duì)全部n個(gè)開關(guān)量任務(wù)均處理一次，并在每個(gè)小掃描周期中只處理m個(gè)連續(xù)量任務(wù)中的一個(gè)。由m個(gè)小掃描周期組成一個(gè)大掃描周期，經(jīng)過(guò)一個(gè)大掃描周期全部連續(xù)量任務(wù)均被處理一遍?？刂菩呙柚芷谛∮?00ms甚至幾十ms，這樣就可以滿足控制精度要求及避免輸入信號(hào)丟失。而大掃描周期則按連續(xù)量性質(zhì)可取1000ms或更大，詳見圖4所示。圖4PLC實(shí)時(shí)多任務(wù)調(diào)度算法流程圖實(shí)現(xiàn)圖4的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)一個(gè)按小掃描周期移位

13、的環(huán)形移位寄存器程序。如果把移位寄存器最末一位的輸出信號(hào)重新引到移位寄存器的輸入端，就構(gòu)成了環(huán)形移位寄存器。再設(shè)計(jì)一個(gè)按每個(gè)小掃描周期產(chǎn)生一個(gè)脈沖輸出的脈沖列發(fā)生器程序，把它產(chǎn)生的脈沖列引到環(huán)形移位寄存器的移位端，若在移位寄存器中只有一位為“1”，則這個(gè)“1”將在環(huán)形移位寄存器中循環(huán)不斷移動(dòng)，就用這位“1”充當(dāng)圖4中的1m開關(guān)，對(duì)連續(xù)量任務(wù)進(jìn)行調(diào)度。4計(jì)時(shí)器時(shí)基對(duì)循環(huán)掃描時(shí)間的限制PLC可以提供數(shù)十個(gè)到成百個(gè)計(jì)時(shí)器，這是一些軟件計(jì)時(shí)器。硬件時(shí)鐘只提供幾種時(shí)基（基準(zhǔn)時(shí)間脈沖列），通過(guò)對(duì)時(shí)間脈沖的軟件計(jì)數(shù)，達(dá)到計(jì)時(shí)目的，構(gòu)成計(jì)時(shí)器。要保證某計(jì)時(shí)器正常工作，必須使循環(huán)掃描周期T小于所使用的時(shí)基t6，即Tt6（5）如果式（5）不滿足就意味著在一個(gè)掃描周期有可能會(huì)收到2個(gè)或2個(gè)以上的時(shí)鐘脈沖；如果收到第1個(gè)脈沖時(shí)，正好計(jì)時(shí)時(shí)間到，那么第2個(gè)脈沖到就破壞了“計(jì)時(shí)到”狀態(tài)；若計(jì)時(shí)器指令正好在兩個(gè)脈沖之后，則無(wú)法判定“計(jì)時(shí)到”否。即使在軟件上已設(shè)法作了處理，使計(jì)時(shí)器“計(jì)時(shí)到”狀態(tài)得已保持，但因Tt6其計(jì)時(shí)精度將不符合要求。在設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)的循環(huán)掃描時(shí)間時(shí)，應(yīng)把所有用到的時(shí)基匯總起來(lái)，取其中最小的時(shí)基作為設(shè)計(jì)循環(huán)掃描時(shí)間T的限制條件，即Tmint6（6）如果經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，式（6）仍無(wú)法滿足，則應(yīng)當(dāng)修改程序中計(jì)時(shí)器的選用，把最小時(shí)基計(jì)時(shí)器用較大時(shí)基計(jì)時(shí)器取代。福建省自然科學(xué)基金E