PLC系統中使用開關量輸入模塊檢測脈沖信號的限制條件

1 引言
現代化的工廠中，PLC系統作為工業控制的基礎設備已經非常普及。在很多工廠應用中，需要對現場采集過來的脈沖信號進行計數。如果使用專用脈沖計數模塊，可以采集到高速脈沖信號。但是脈沖模塊價格昂貴，在一些采集低速脈沖信號的場合其實可以使用普通的開關量輸入模塊代替脈沖計數模塊。這樣可以降低系統成套費用和系統的復雜程度，也提高了系統的可維護性。如果使用普通開關量輸入模塊代替脈沖計數模塊，就存在一個問題:普通開關量輸入模塊采集脈沖信號的速度的極限是多少？存在哪些制約條件？以下將以AB公司的ControlLogix 1756系列PLC系統為基礎，就這個問題談一些分析。
2 模塊響應速度的制約
開關量輸入模塊要檢測到一個脈沖信號，必須能完整地采集到脈沖產生的整個過程，如圖1所示，開關量輸入模塊檢測脈沖信號的過程可以分解為三個過程。

圖1 開關量模塊檢測脈沖信號過程
從圖1可以看出，開關量輸入模塊能檢測到的脈沖信號至少必須滿足以下條件:
(1) 脈沖寬度 t1>T1;
(2) 脈沖周期 t0>T1+T3;
(3) 脈沖間隔 t2>T3。
以AB公司1756-IB16D開關量輸入模塊為例，其ON時間 = 1,2,or3ms;其OFF時間=4,5,13,or22ms。其不同的ON/OFF時間可以由系統進行配置。在配置最快的ON/OFF時間的條件下，可以計算出，1756-IB16D開關量輸入模塊最快可以檢測出脈沖寬度為1ms，脈沖周期為5ms的脈沖。如果脈沖寬度增加幾個毫秒，脈沖周期就相應增加幾個毫秒。結論如下:最理想的情況下，1756-IB16D開關量輸入模塊可以分辨速度低于200個/秒、脈沖寬度大于1ms的脈沖信號。

3 PLC系統掃描時間的制約
PLC的工作原理是分時掃描，PLC的一個完整掃描周期包括全部I/O更新一次的時間和PLC程序執行一次的時間。PLC系統的掃描時間和系統網絡情況、遠程站的數量以及PLC的CPU模塊信號有關。如果現場開關量輸入模塊檢測出的脈沖信號在一個PLC掃描周期內大于1個，PLC系統將不能正確反映現場脈沖的數量。

PLC系統對開關量輸入模塊檢測信號判斷的詳細分析如圖2。

圖2 PLC系統對開關量輸入模塊檢測信號的判斷
PLC系統通過掃描更新I/O信息，假設在時刻0、t1、t2、t3，PLC系統掃描到信號源處，由圖2可以看出:
(1) 對于脈沖信號1，PLC系統沒有檢測到任何脈沖信號。可以得到結論:如果脈沖信號脈沖周期T1<PLC掃描周期T，PLC系統將不能檢測出正確的脈沖數量。
(2) 對于脈沖信號2, PLC系統同樣沒有檢測到任何脈沖信號。這是因為脈沖信號2的脈沖寬度T0<PLC掃描周期T, 脈沖信號的變化有可能發生在一個PLC掃描周期T之內。
(3) 對于脈沖信號3，脈沖信號的脈沖寬度T0>PLC掃描周期T，脈沖周期T1-脈沖寬度T0<PLC掃描周期T，PLC系統未能檢測到第一個信號的消失，此時，PLC系統仍然未能檢測出正確的脈沖數量。
(4) 對于脈沖信號4，脈沖信號脈沖周期T1>PLC掃描周期T，脈沖周期T1-脈沖寬度T0>PLC掃描周期T，PLC系統能檢測出正確的脈沖數量。
對于一個使用AB公司的ControlLogix 1756-L55系列的CPU模塊，遠程I/O通訊模塊選用ControlNet模塊1756-CNBR，系統I/O總點數為2000點，遠程I/O站數量為6個的中型系統來講，一個PLC掃描周期約為40~70ms。因此對于本系統來講，能可靠檢測的脈沖信號脈沖寬度應大于70ms，第一個脈沖信號結束至第二個脈沖信號發出的最小時間間隔應大于70ms。
4 結束語
綜上所述，如果使用普通開關量輸入模塊代替脈沖計數模塊，對脈沖輸入信號的制約條件主要是PLC系統的系統掃描時間。對于AB公司的PLC系統來講，對于脈沖寬度>70ms，第一個脈沖信號結束至第二個脈沖信號發出的最小時間間隔大于70ms的脈沖信號是可以可靠接收的。對于其他品牌的PLC系統來講，其基本工作方式與AB公司的PLC系統是一致的，因此，這個結論也同樣適用。對于不滿足上述條件的脈沖信號，就必須考慮專用脈沖計數模塊了。