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PLC的开关量I/O模块及其接线方式

    开关量I/O模块的输入／输出信号仅有接通和断开两种状态。为适应被控对象的不同，I/O模块的输入／输出电压等级通常有直流5V、12V、24V、48V和交流110V、220V等，输入／输出电压的允许范围都较宽。每块I/O模块上的输入／输出点数通常有4、8、16、32、64点等多种规格。

    开关量输入模块的作用是：连接外部开关信号，如按钮、转换开关、行程开关、继电器和接触器的触点开关等，将这些信号转换成PLC的CPU模块所需要的标准电平信号，并将输入信号锁存，以便于CPU通过系统总线实时读入。为了保证外部干扰信号不影响PLC的可靠工作，开关量输入模块还要对输入信号采取必要的滤波和隔离措施。

    开关量输出模块的输出端与外部执行元件相连，其作用是：将CPU模块送来的各输出点的输出信号进行锁存，并转换成外部过程所需要的信号电平，并以此来驱动外部过程的执行机构、显示灯及各种负载。

    每块I/O模块上通常都有接线端子，用于与外部I/O设备的连线。一些PLC的I/O模块还使用了可拆装的插座型端子板，在不拆去端子板上的外部连线的情况卜，可以迅速地更换模块。在I/O模块的前面板上，一般还设有发光二极管或其他元件来指示各I/O点的通／断状态。

    各种PLC的I/O模块的接线方式有所不同，归结起来可分为汇点式、分组式和分隔式3种，如图2.6所示。

    ·汇点式的各I/O电路有一个公共点，各输入点或各输出点共用一个电源，如图2.6(a)所示。

    ·分组式的I/O电路分为若干个组，每组的I/O电路有一个公共点并共用一个电源。各组之间的电路是分隔开的，可以分别使用不同的电源，如图2.6(b)所示。

    ·分隔式的各I/O电路之间都是相互隔离的，每一个I/O点都可以使用单独的电源，如图2.6(c)所示。
在PLC控制系统中，当输入信号发生变化时，必将引起有关输出信号的变化，这之间是有一定的时间延迟的。

    定义：从PLC系统的某一输入信号变化开始到系统有关输出端信号的改变所需的时间为I/O响应时间。

    由PLC的巡回扫描过程可知，外界信息必须在前一个扫描周期的I/O扫描阶段之前准备好，并由PLC读入到输入映象区，在计算机内经历一个扫描周期的时间，在本扫描周期的I/O扫描阶段输出给外设，这是系统必须有的扫描时间，如图2.4所示。

    从PLC的输入信号开始变化、信号稳定到CPU读入的时间称为输入延迟时间。输入信号的出现有一定的随机性，信号的稳定时间是随输入端硬件参数设定的，在计算机输入模板选定之后是一个常数，CPU在I/O扫描阶段读入该信号的时间则是随机的，因此输入延迟时间有一定随机性。

    同输入延迟时间类似，PLC的输出数据由输出映象区送到外设到数据在外设稳定的时间称为输出延迟时间。输出延迟时间由PLC的外设接口参数而定，系统确定之后，它是一个常数。

    可见，I/O响应时间必须有：一个扫描周期、一个输出延迟时间和大约一个I/O扫描阶段的时间。后一项主要受信号具体读入时机的影响，可能略小于或略大于I/O扫描阶段的时间。

    输入信号的出现在哪种情况下将使I/O响应时间大呢？这就是PLC的大I/O响应时间问题。如图2.5所示，假设输入信号的出现是在前一个I/O扫描阶段，CPU读取该信号时，它已出现，但尚未达到稳定阶段，因而未能读入。这样，这个输入信息就要在本扫描周期的I/O扫描阶段才能读入。因此，I/O响应时间的大值大约是两个扫描周期、一个输出延迟时间和大约一个I/O扫描阶段的时间。

    图2.5    PLC的大I/O响应时间

    由上面的分析还可以看出，PLC工作时的扫描周期T必须小于输入信号的稳定驻留时间，否则就有丢失信息的可能。为了尽量减小输入延迟时间和输出延迟时间，在设计硬件参数时应予以足够的重视。
在PLC的一个扫描周期内，用户程序扫描和I/O操作是实现系统控制功能的两个重要过程，如图2.3所示是这两个工作过程的示意图。

    图2.3    PLC用户程序扫描和I/O操作的工作过程

    PLC对现场信息的采集一般是在一个巡回扫描周期内的某一个时段（一般定在扫描周期的开始或结束时）将现场全部有关信息采集到控制器内，存放在系统准备好的一个区域（即随机存储器的某一个地址区），称之为输入映象区。

    执行用户程序所需现场信息都在输入映象区取用，而不直接到外设去取。这种方式是集中采集现场信息，虽然从理论上分析每个信息被采集的时间仍有先后差异，但它已很小，因此可以认为采集到的信息是同时的。

    同样，对被控制对象的控制信息，也不采用形成一个就去输出改变一个的控制方法，而是先把它们存放在随机存储器的某个特定区域，称之为输出映象区。当用户程序扫描结束后，将所存被控对象的控制信息，集中输出，改变被控对象的状态。对于那些在一个描周期内没有变化的变量状态，就输出与前一周期同样的信息，因而也不引起外设工作的变化。

    上述输入映象区、输出映象区集中在一起就是一般所称的I/O映象区，映象区的大小随系统输入、输出信息多少，即输入、输出点数而定。

    I/O映象区的设置，使计算机执行用户程序所需信息状态及执行结果都与I/O映象区发生联系，只有计算机扫描执行到输入输出服务过程时，CPU才从实际的输入点读入有关信息状态，存放于输入映象区，并将暂时存放在输出映象区内的运算结果传送到实际输出点。

    可见，I/O映象区的建立，使PLC系统变成数字采样控制系统，虽然不像硬件逻辑系统那样随时反映工作状态变化对系统的控制作用，但在采样时刻则基本符合实际工作状态，只要采样周期T足够小，即采样频率足够高，就可以认为这样的采样控制系统有足够的精度，可以满足实时控制的要求。
  PLC控制任务的完成是建立在其硬件的支持下，通过执行反映控制要求的用户程序来实现的，这一点是和计算机的工作原理*的。因此，PLC的工作原理是建立在计算机工作原理基础上的。

    由于早期的PLC是从继电器控制系统发展而来的，主要完成的任务是开关量的顺序控制，对被控制对象控制的实现是有关逻辑关系的实现。因此，PLC并不是单纯像普通计算机那样工作，而是发展了一种叫做巡回扫描的工作机制。

    PLC的巡回扫描，即是对整个程序巡回执行的工作方式，就是说用户程序的执行不是从头到尾只执行一次，而是执行一次以后，又返回去执行第二次、第三次……直到停机。因此，PLC可以被看成是在系统软件支持下的一种扫描设备，PLC开机后，一直在周而复始地循环扫描并执行由系统软件规定好的任务。

    定义从扫描过程中的一点开始，经过顺序扫描又回到该点的过程为一个扫描周期。如图2.2所示是PLC的CPU工作流程图。

    PLC通电后，首*行系统的初始化，清I/O区并复位各定时器，检查I/O单元的连接情况等。在初始化的基础上开始进入系统的扫描周期。

    PLC的一个扫描周期包括如下。

    · 系统检查：主要是对系统硬件及程序存储器内存储的程序作周期性检查，如果通过自检，则执行后续功能，否则发出报警信号。

    ·链接服务：主要是建立与远程I/O、上位计算机、其他联网PLC等的链接。当然，只有在系统中已配置了远程I/O单元和其他链接单元时，才能进行此项工作，否则直接进入下一项工作。

    ·执行外设命令：CPU与编程器或其他编程设备进行信息交换，读取外设命令并执行，进行状态显示、用户程序编译等与编程器有关的功能。

    ·复位系统定时器及程序地址计数器：为保证设备可靠运行，出现故障能及时反应，PLC具有自监视能力。这一功能主要由一个硬件计时器(WDT)来完成。该计时器有一设定值，当扫描周期过长时，则自动报警并停止CPU运行，同时复位输入输出。一般将这种故障称为WDT故障。因此，在每个扫描周期中，用户程序执行前，要首先复位系统定时器，同时还要复位程序地址计数器，以便CPU进行寻址和记录程序执行时间。

    ·用户程序扫描和I/O操作：对用户程序进行逐条扫描执行，执行完毕后（遇到END指令时），执行I/O操作，与外部I/O设备交换数据，从输入单元的端子上读输入信号状态，并将程序运行结果输出到输出单元的端子上，以控制用户设备；计算机处于正常运行状态下，每一个扫描周期内都包含这两个扫描过程，也就是要对用户程序执行一次。这两个过程在计算机运行中是否执行都是可控的，随着用户程序长短、输入    输出点数多少的变化，这两个过程所用时间也是变化的。通过上面的分析可以看到，PLC的一个扫描周期基本由3部分组成。

    ·保证系统正常运行的公共操作：这一部分的扫描时间基本是固定的，随计算机类型而有不同。

    ·系统与外部设备信息交换：这一部分并不是每个系统或系统的每次扫描都有的，占用的时间也是变化的。

    ·用户程序的执行：这一部分的扫描时间随控制对象复杂性决定的用户控制程序而变化，程序有长有短，扫描时间也就发生变化。

    注意：同一个系统在各个扫描周期中，随着条件的不同也会影响执行程序长短的变化（执行程序中随变量状态的不同，一部分程序段可能不执行），用户程序的执行占用的扫描时间不仅对不同系统其长短不同，而且对同一系统在不同时间也占用着不同的扫描时间。

    所以，系统扫描周期的长短，除了因是否运行用户程序而有较大的差异外，在运行用户程序时也不是*固定不变的。

    要使程序巡回扫描一次的时间短，首先和每条指令的执行时间长短有关，其次和程序中所用指令类型，包括指令条数的多少有关。前者主要和计算机的主频有关，后者则和被控系统的复杂程度及程序编制者的水平有关。

    如果程序的每一条指令执行时间足够快，整个程序并不长，使得每执行一次程序所占用的时间足够短，就能够满足实时控制的要求。

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