PLC逻辑控制系统循环扫描时间的设计

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1、PLC 逻辑控制系统循环扫描时间的设计邱公伟 巫淑萍摘 要 给出了设计PLC逻辑控制系统循环扫描时间的4个限制条件。 满足这些条件可保证逻辑等价性，防止信号丢失，从而避免表面正确的 梯形图内含的危险及隐患，减少 IO 响应时间，提高控制精度，保证计 时器的正常工作。关键词：循环扫描时间 逻辑等价性 IO 响应时间 时基限制条件The Design of the Cycling Scanning Time for PLC LogicalControl SystemAbstract Four limits in Design of the cycling scanning time of PLC

2、logic control 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 t

3、he timer will operate properlyKey words：Cycling scanning time Logic equivalence IO response time Time base limit condition0 引言可编程序控制器（简称PLC）采用循环扫描方式工作，每个扫描周 期都按顺序把每项任务处理一次，并集中进行I / O处理。这种工作方式 至少带来两个好处：其一是每项任务在每个扫描周期中均可获得一次服 务，从而保证每项任务都具有一定的实时性；其二是这种工作方式本身 具有较好的抗干扰能力。在一个扫描周期中，I/O处理仅占较少一部分 时间，这就意味着大部分

4、时间的干扰信号是不会被采集进PLC的，而且 PLC 的循环扫描时间一般在数十到一百多 ms 之间，扫描速度非常快，即 使采入了干扰信号，由于外部执行器惯性较大，来不及动作，在下个扫 描周期内就会将其纠正。循环扫描方式会带来好处，也会带来问题，因此，在设计循环扫描 时间时必须满足一些限制条件，否则表面上正确的梯形图其实内含着隐 患与危险，在条件具备时就会产生误动作，造成事故。国内某些企业的 引进设备上就曾发生过这类故障。1 逻辑等价性与循环扫描时间PLC逻辑控制系统与继电器控制系统的重要区别在于它们采用的工 作方式不同。继电器控制系统按并行方式工作，各支路同时执行，只要 形成通路，就可能有好几个

5、电器同时动作。PLC则按循环扫描方式工作, 每次扫描一条指令，这是一种串行方式。从继电器控制到PLC控制这种 工作方式的改变会影响梯形图逻辑功能的发挥吗或者说它们二者在逻辑 功能上能做到等价吗一般而言，梯形图经过一个周期扫描，在逻辑上未 必与原有的继电器电路图一样。但是，只要使状态转变的条件维持一段 时间不变，那么，经过有限个扫描周期之后，两者在逻辑上会是等价的。 然而，若在此期间，状态转换的条件发生变化，那么两者就达不到逻辑 等价了。图1示意性地说明了逻辑等价性问题。其中，图1a为继电器电路图， 若按动 Q 按钮， X、Y、Z 三个线圈均得电。图 1b 为其对应的梯形图，按A下Q （相当于X

6、400闭合），如果仅扫描一周，只有一个线圈得电，显然, 这时图1a与图1b在逻辑上是不等价。只有经过三个扫描周期，图1b 的三个线圈才会全部得电，这时，图1b才与图1a在逻辑上等价。如果 在第三个扫描周期完成之前，松开Q按钮，那么图1b就不会与图1a等A图 1 逻辑等价性说明串行方式运行的结果有时要经过n个周期的积累才会与并行执行的 结果一样，这就造成在前n个扫描周期两者在逻辑上的不等价状况。只 要状态转换条件在这n个扫描周期维持不变那么经过n个周期后，两者 就达到了逻辑等价；反之，若在逻辑上还没有进入等价之前，状态转换 条件发生变化，必然会导致逻辑上不等价，致使所设计的梯形图发挥不 出预定的

7、逻辑功能，从而造成故障。为此，要保证逻辑等价性，应满足 下列条件：t n. t（1）D式中：t表示状态转换条件的保持时间；t为循环扫描时间；n为达到逻 辑等价所需的最小周期数。t 通常决定于按钮、行程开关和传感继电器的动作时间，它作为设 备常数处理。n值可以从梯形图上求得（另文讨论）。要保证逻辑等价 性必须使式（1）成立，这有两个途径：设计循环扫描时间及减少n值。梯形图是按顺序扫描的，若一个器件其触点所处的梯级在其线圈所 在梯级之后，该触点称为“正序”；若其触点所处梯级在其线圈所在梯 级之前，该触点称为“反序”。当该线圈控制条件改变时，正序触点在 同一周期就起作用，而反序触点要到下一周期才起作

8、用。反序的存在， 正是造成需要数个扫描周期才能逻辑等价的原因。因此，在梯形图设计 出来之后，对反序梯级进行适当调整，使 n 值减小。例如在图 1b 中若把 梯级与梯级对调如图1c所示，则可以使n值由3变为1,使式(1) 更易满足。2 输入信号丢失PLC在每个扫描周期中集中一段时间对I / O信号进行处理，这将有 可能造成输入信号丢失。当输入信号在I / O刷新时间尚未到来时发生变 化,则当I / O刷新时间到来时因输入信号的变化却已过去而造成输入信 号丢失，图 2 表示了扫描周期与输入信号丢失的关系。图 2 扫描周期与输入信号丢失的关系在图2中，扫描周期T由t , t , t , t 4部分组

9、成1。其中，t为12341共同扫描时间；t为外设扫描时间；t为用户程序执行时间；t为I/O234刷新时间；t为输入信号持续时间。如果tVT且又正好落在两相邻扫 描周期的对此信号输入点之间,则将造成输入信号丢失,引发生产故障。 为此要避免输入信号丢失,必须满足下列条件：t 2T(2)S梯形图设计好之后，循环扫描周期T就固定下来，设计者必须对输 入信号持续时间逐一验算,特别是对脉冲输入信号。作者曾对一个用光 电传感器测量产品落下的PLC控制系统进行验证，发现由于脉冲较窄， 导致经常发生输入信号脉冲的丢失，为此对光电脉冲用硬件加了脉冲展 宽电路，使脉冲输入信号宽度大于循环扫描周期，便彻底解决了由输入

10、 信号丢失引发的故障。3 控制精度与循环扫描时间的关系用 PLC 控制替代继电器控制带来的主要负面效应是“响应滞后”。“响应滞后”可以用I / O响应时间来描述，它是指当PLC某一输入信号 发生变化到输出对其作出反应为止所经历的一段时间。I / O响应时间并 不是固定的，有一变化范围，从控制精度考虑，关键是最大I/O响应时 间，假设梯形图经调整用一个扫描周期就可以达到逻辑等价，那么它们的最大I / O响应时间可以从图3中求得（T, t , t , t和t的含义同图 12342）。最丈MJ哨应时陋一扫描商期握大I/O响宦时间iL 汇就人倩号图3最大I / O响应时间在图3中，输入信号经输入滤波延

11、时t到达PLC输入端，若这时正5好错过了 I / O刷新时间t，那么只好等下一周期的t段才被PLC读入,44到再下一个周期的t段才被用户程序处理，到t段输出，然后经过输出34机械延时t，最后执行器动作。因此，最大I/O响应时间t为 6Lt =t +2T +1（3）L 56I / O响应时间作为一种滞后，必将使控制品质下降。例如用PLC控 制的点位系统，设其运动速度为v，由最大I /O响应时间造成的位置 误差 S 为eS =vt（4）eL设计时，可以从允许的最大误差出发，求出允许的最大I/O响应时 间，最后由式（3）求得循环扫描周期T的最大允许值。曾对一个既含有开关量又含有连续量的多任务PLC控

12、制系统进行 计算和试验，发现一段连续量数字滤波与PID控制的程序，在C200H上 大约要运行35ms左右。如果把数个开关量任务与数个连续量任务顺序排 列，采用循环扫描方式得到的循环扫描时间不仅无法满足误差要求，不 能避免输入信号丢失，而且也突破了 PLC的Watchdog时限，使PLC无法 工作。造成上述状况的原因在于开关量任务与连续量任务是性质不同的两 类任务。前者扫描周期愈短愈好，一般不要超过100ms，而后者扫扌苗周 期长，可取1000ms （如压力），甚至10000ms （温度）。为此，采用了 如图4所示的PLC实时多任务调度算法，该算法引入了大扫描周期与小 扫描周期的概念。要求每个小

13、扫描周期必须对全部 n 个开关量任务均处 理一次，并在每个小扫描周期中只处理m个连续量任务中的一个。由m 个小扫描周期组成一个大扫描周期，经过一个大扫描周期全部连续量任 务均被处理一遍。控制小扫描周期小于100ms甚至几十ms，这样就可以 满足控制精度要求及避免输入信号丢失。而大扫描周期则按连续量性质可取1000ms或更大，详见图4所示。rt牛开关园任务進壊谊任磐 2街环恰能导連调童二广 ，”T丄丄12T*- 5r m -1r jot用一lm.I/O赴琛母一牛周弟按 通厂吓麗点图 4 PLC 实时多任务调度算法流程图实现图 4 的关键是设计一个按小扫描周期移位的环形移位寄存器程 序。如果把移位

14、寄存器最末一位的输出信号重新引到移位寄存器的输入 端，就构成了环形移位寄存器。再设计一个按每个小扫描周期产生一个 脉冲输出的脉冲列发生器程序，把它产生的脉冲列引到环形移位寄存器 的移位端，若在移位寄存器中只有一位为“1”，则这个“1”将在环形 移位寄存器中循环不断移动，就用这位“ 1”充当图4中的1m开关， 对连续量任务进行调度。4 计时器时基对循环扫描时间的限制PLC 可以提供数十个到成百个计时器，这是一些软件计时器。硬件 时钟只提供几种时基（基准时间脉冲列），通过对时间脉冲的软件计数 达到计时目的，构成计时器。要保证某计时器正常工作，必须使循环扫描周期 T 小于所使用的时 基t，即65）T

15、Vt如果式(5)不满足就意味着在一个扫描周期有可能会收到2 个或 2 个以上的时钟脉冲；如果收到第 1 个脉冲时，正好计时时间到，那么第 2 个脉冲到就破坏了“计时到”状态；若计时器指令正好在两个脉冲之 后，则无法判定“计时到”否。即使在软件上已设法作了处理，使计时 器“计时到”状态得已保持，但因Tt其计时精度将不符合要求。6在设计 PLC 控制系统的循环扫描时间时，应把所有用到的时基汇总 起来，取其中最小的时基作为设计循环扫描时间T的限制条件，即TVmin t (6)6如果经过精心设计，式(6)仍无法满足，则应当修改程序中计时器 的选用，把最小时基计时器用较大时基计时器取代。福建省自然科学基金E96010资助。第一作者邱公伟，男， 55 岁， 1982 年于南京工学院获硕士学位，现 在福州大学任教，教授，福建省自动化学会学术委员会主任。作者单位：福州大学，福建福州 350002参考文献1 朱善君，翁樟，邓丽曼，周卓伦可编程序控制系统原理.应用.维护北 京：清华大学出版社， 19922孙同景，徐德.可编程序控制器(PC)应用基础.济南：山东科学技 术出版社， 19963 邱公伟，黄劲榆，林军. PLC 实时多任务调度程序的设计.东南大学 学报， 1997， 27(5B)