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摘 要：可编程控制器(PLC)是一种新型的通用自動控制装置，具有功能强、使用灵活、可靠性高、环境适应性好、编程简单等优点，但其缺点是：工作速度较计算机慢，输出对输入的响应有滞后现象；使用中、高档PLC，要求使用者具有相当的计算机知识。因此，在设计PLC控制系统时，分析和研究PLC输入／输出响应的滞后原因非常重要。
关键词：PLC；输入／输出响应；滞后；梯形图
中图分类号：TP313文献标识码：A文章编号：1672-3198（2007）12-0277-01
1 PLC中输出滞后输入现象导致的结果
在继电器控制线路中，个个并联电路是同时加电压，并行工作的，由于实际元件动作的机械惯性，可能会发生触点竞争现象。在梯形图中，各个编程元件的动作顺序是按扫描顺序依次执行的，或者说是按串行的方式工作的，在执行梯形图程序时，是自上而下，从左到右，串行扫描，不会发生触点竞争现象。
表面上看起来完全一样的继电器控制线路图与梯形图，它们产生的效果可能不完全一样，甚至某些作用完全相反。图1-1及图1-2给出了两组结构上完全一样的继电器控制线路图与梯形图，控制目的都是为了实现“当X0动作后X1动作，使Y2自保持,使Y0复位”的功能。
在图（a）中，当X0动作后，Y0得电并自保持，且为Y2接通、自保持创造了条件。接着X1动作，使Y1得电，Y1的动断点先切断Y0，结果使Y0 复位的目的实现了，但使Y2总不能得电。在图（b）中，当X0动作后，Y0“得电”并自保持，在X1动作后， Y1“得电”。所以，在当前扫描周期内，当程序扫描到下面的Y0 、Y1动合触点时，因其线圈此时均已“得电”，它们均处于接通状态。这样，Y2能“得电”且自保持。待到下个扫描周期时，Y0 被复位，达到了控制目的。
在图（a）中，当X0,X1相继动作后，由于Y3,Y4的动作惯性，使Y0在Y2得电且自保持后被复位，达到了控制目的。在图（b）中，在X1未动作时，Y1,Y3,Y4均“得电”.在X0动作后，Y0“得电”自保持，待扫描到Y2，Y2不能“得电”。即使X0动作后X1马上动作，顺序扫描又会使Y0复位。结果，Y2仍不能得电。
2 分析输出响应对输入响应的滞后现象的原因
2.1 PLC程序执行过程
PLC对用户程序的执行过程是以微处理器的周期性顺序循环扫描的工作方式进行的。PLC投入运行后，便进入程序执行过程，它分为三个阶段进行，即输入采样、程序执行、输出刷新。PLC开始运行时，首先清除输入输出状态寄存器原来的内容，然后进行自诊断，自检CPU及I/O组件，确认工作正常后开始循环扫描。PLC的每一个扫描过程可用图1表示。
(1)输入映像寄存器中的数据，是在输入采样阶段扫描到的输入信号的状态集中写进去的，在本扫描周期中，它不随外部输入信号的变化而变化。
(2)输出映像寄存器（它包含在元件寄存器中）的状态，是由用户程序中输出指令的执行结果来决定。
(3)输出寄存器中的数据是在输出刷新阶段，从输出映像寄存器中集中写进去的。
(4)输出端子的输出状态，是由输出锁存器中的数据决定的。
(5)执行用户程序时所需的输入、输出状态，是从输入映像寄存器和输出映像寄存器中读出的。
2.2 PLC输入／输出响应的滞后现象
在设计PLC控制系统中，最显著的不足之处是输入／输出有响应滞后现象。从PLC的输入端有一个输入信号发生变化到PLC的输出端对该输入变化做出反应，需要一段时间，这段时间称为响应时间或滞后时间。
（1）执行程序按工作周期进行，每一工作周期又分为输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段。例如图2所给出的PLC梯形图及其程序执行过程中各映像寄存器及输出端状态表(表1)，现分析如下：
根据执行程序的三个阶段，可将X0映像寄存器，Y2、Y0、Y1映像寄存器及其输出端的状态填入表1中。现分析如下：
在第一周期中，因为在输入采样阶段，X0为OFF，则输入映像寄存器中的X0为OFF状态，所以Y2、Y0以及Y1线圈均为OFF状态。
在第二周期中，PLC扫描对梯形图是自上而下，从左到右进行的。当扫描到Y0-1接点时，由于Y0在上一周期中为OFF状态，则Y0-1接点仍为OFF，因而Y2也仍为OFF。当扫描到X0接点支路时，在输入映像寄存器中的X0已为ON状态，因而Y0线圈为ON状态。这时Y0-2接点为ON状态，当扫描到该支路时，Y1线圈为ON状态，但它对X0来说，已滞后了一个工作周期。在此周期中，由于Y0线圈为ON状态，则Y0-1接点在输出刷新阶段也应为ON状态。
在第三周期中，扫描仍是自上而下，从左到右进行的。由于Y0-1接点在元素映像寄存器中的状态已为ON，因此，在程序执行阶段，当扫描进行到该支路时，Y2为ON状态，但这时它对X0而言，已滞后了两个工作周期。
由上述分析可知，Y0线圈和Y1线圈的接通，要滞后X0接点接通一个工作周期。Y2线圈的接通，要滞后X0接点接通两个工作周期。
（2）产生输入／输出响应滞后的其它原因。
除此之外，还有输入滤波器电路的滞后作用、输出继电器的机械滞后作用等影响时间的快慢。
3 结论
（1）PLC 采用循环扫描的工作方式，在执行程序时，即使是和继电器控制线路图相一致的梯形图也有可能导致执行结果不同。
（2）在扫描周期中由于输入信号只在输入阶段读入，在程序执行阶段，即使输入信号发生变化，输入状态表的内容也不会改变，所以在本次循环不能得到响应，这就是PLC的输入／输出响应的滞后现象。最大滞后时间为2～3个周期，具体与编程方法有关。但这种滞后响应，在一般工业控制系统是完全允许的。某些需要输入输出快速的场合，可以采用快速响应模块、高速计数模块以及中断处理等措施来尽量减少滞后时间。
参考文献
［1］胡学林.可编程序控制器教程（基础篇）［M］.北京：电子工业出版社，2003.
［2］张桂香.电气控制及PLC应用［M］.北京：化学工业出版社，2006.
［3］杨长能，张兴毅.可编程序控制器(PC)基础及应用［M］.重庆：重庆大学出版社，1998.
［4］杨长能，林小峰.可编程序控制器(PC)例题习题及实验指导［M］.重庆：重庆大学出版社，1998.
［5］郑瑜平.可编程序控制器［M］.北京：北京航空航天大学出版社，1997.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。
关键词：PLC；输入／输出响应；滞后；梯形图
中图分类号：TP313文献标识码：A文章编号：1672-3198（2007）12-0277-01
1 PLC中输出滞后输入现象导致的结果
在继电器控制线路中，个个并联电路是同时加电压，并行工作的，由于实际元件动作的机械惯性，可能会发生触点竞争现象。在梯形图中，各个编程元件的动作顺序是按扫描顺序依次执行的，或者说是按串行的方式工作的，在执行梯形图程序时，是自上而下，从左到右，串行扫描，不会发生触点竞争现象。
表面上看起来完全一样的继电器控制线路图与梯形图，它们产生的效果可能不完全一样，甚至某些作用完全相反。图1-1及图1-2给出了两组结构上完全一样的继电器控制线路图与梯形图，控制目的都是为了实现“当X0动作后X1动作，使Y2自保持,使Y0复位”的功能。
在图（a）中，当X0动作后，Y0得电并自保持，且为Y2接通、自保持创造了条件。接着X1动作，使Y1得电，Y1的动断点先切断Y0，结果使Y0 复位的目的实现了，但使Y2总不能得电。在图（b）中，当X0动作后，Y0“得电”并自保持，在X1动作后， Y1“得电”。所以，在当前扫描周期内，当程序扫描到下面的Y0 、Y1动合触点时，因其线圈此时均已“得电”，它们均处于接通状态。这样，Y2能“得电”且自保持。待到下个扫描周期时，Y0 被复位，达到了控制目的。
在图（a）中，当X0,X1相继动作后，由于Y3,Y4的动作惯性，使Y0在Y2得电且自保持后被复位，达到了控制目的。在图（b）中，在X1未动作时，Y1,Y3,Y4均“得电”.在X0动作后，Y0“得电”自保持，待扫描到Y2，Y2不能“得电”。即使X0动作后X1马上动作，顺序扫描又会使Y0复位。结果，Y2仍不能得电。
2 分析输出响应对输入响应的滞后现象的原因
2.1 PLC程序执行过程
PLC对用户程序的执行过程是以微处理器的周期性顺序循环扫描的工作方式进行的。PLC投入运行后，便进入程序执行过程，它分为三个阶段进行，即输入采样、程序执行、输出刷新。PLC开始运行时，首先清除输入输出状态寄存器原来的内容，然后进行自诊断，自检CPU及I/O组件，确认工作正常后开始循环扫描。PLC的每一个扫描过程可用图1表示。
(1)输入映像寄存器中的数据，是在输入采样阶段扫描到的输入信号的状态集中写进去的，在本扫描周期中，它不随外部输入信号的变化而变化。
(2)输出映像寄存器（它包含在元件寄存器中）的状态，是由用户程序中输出指令的执行结果来决定。
(3)输出寄存器中的数据是在输出刷新阶段，从输出映像寄存器中集中写进去的。
(4)输出端子的输出状态，是由输出锁存器中的数据决定的。
(5)执行用户程序时所需的输入、输出状态，是从输入映像寄存器和输出映像寄存器中读出的。
2.2 PLC输入／输出响应的滞后现象
在设计PLC控制系统中，最显著的不足之处是输入／输出有响应滞后现象。从PLC的输入端有一个输入信号发生变化到PLC的输出端对该输入变化做出反应，需要一段时间，这段时间称为响应时间或滞后时间。
（1）执行程序按工作周期进行，每一工作周期又分为输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段。例如图2所给出的PLC梯形图及其程序执行过程中各映像寄存器及输出端状态表(表1)，现分析如下：
根据执行程序的三个阶段，可将X0映像寄存器，Y2、Y0、Y1映像寄存器及其输出端的状态填入表1中。现分析如下：
在第一周期中，因为在输入采样阶段，X0为OFF，则输入映像寄存器中的X0为OFF状态，所以Y2、Y0以及Y1线圈均为OFF状态。
在第二周期中，PLC扫描对梯形图是自上而下，从左到右进行的。当扫描到Y0-1接点时，由于Y0在上一周期中为OFF状态，则Y0-1接点仍为OFF，因而Y2也仍为OFF。当扫描到X0接点支路时，在输入映像寄存器中的X0已为ON状态，因而Y0线圈为ON状态。这时Y0-2接点为ON状态，当扫描到该支路时，Y1线圈为ON状态，但它对X0来说，已滞后了一个工作周期。在此周期中，由于Y0线圈为ON状态，则Y0-1接点在输出刷新阶段也应为ON状态。
在第三周期中，扫描仍是自上而下，从左到右进行的。由于Y0-1接点在元素映像寄存器中的状态已为ON，因此，在程序执行阶段，当扫描进行到该支路时，Y2为ON状态，但这时它对X0而言，已滞后了两个工作周期。
由上述分析可知，Y0线圈和Y1线圈的接通，要滞后X0接点接通一个工作周期。Y2线圈的接通，要滞后X0接点接通两个工作周期。
（2）产生输入／输出响应滞后的其它原因。
除此之外，还有输入滤波器电路的滞后作用、输出继电器的机械滞后作用等影响时间的快慢。
3 结论
（1）PLC 采用循环扫描的工作方式，在执行程序时，即使是和继电器控制线路图相一致的梯形图也有可能导致执行结果不同。
（2）在扫描周期中由于输入信号只在输入阶段读入，在程序执行阶段，即使输入信号发生变化，输入状态表的内容也不会改变，所以在本次循环不能得到响应，这就是PLC的输入／输出响应的滞后现象。最大滞后时间为2～3个周期，具体与编程方法有关。但这种滞后响应，在一般工业控制系统是完全允许的。某些需要输入输出快速的场合，可以采用快速响应模块、高速计数模块以及中断处理等措施来尽量减少滞后时间。
参考文献
［1］胡学林.可编程序控制器教程（基础篇）［M］.北京：电子工业出版社，2003.
［2］张桂香.电气控制及PLC应用［M］.北京：化学工业出版社，2006.
［3］杨长能，张兴毅.可编程序控制器(PC)基础及应用［M］.重庆：重庆大学出版社，1998.
［4］杨长能，林小峰.可编程序控制器(PC)例题习题及实验指导［M］.重庆：重庆大学出版社，1998.
［5］郑瑜平.可编程序控制器［M］.北京：北京航空航天大学出版社，1997.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。