【文章內(nèi)容簡介】 可編程控制器是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)， 其 工作原理是建立在計(jì)算機(jī)工作原理基礎(chǔ)上的，而 CPU 是以分時(shí)操作方式來處理各項(xiàng)任務(wù)的，計(jì)算機(jī)在每一瞬間只能做一件事，所以程序的執(zhí)行是按程序順序依次完成相應(yīng)各電器的動(dòng)作，便 成為時(shí)間上的串行 （即 串行工作方式 ） 。由于 CPU 運(yùn)算速度極高，各 繼電器（軟元件） 的動(dòng)作似乎是同時(shí)完成的，但實(shí)際輸入 / 輸出的響應(yīng)是有滯后的。 PLC 的工作方式是一個(gè) 不斷循環(huán)的順序掃描工作方式 ， 如 圖 27 所示。每一次掃描所用的時(shí)間稱為掃描周期或工作周期。 CPU 從第一條指令開始，按順序逐條地執(zhí)行用戶程序直到用戶程序結(jié)束，然后返回第一條指令開始新的一輪掃描。 PLC 就是這樣周而復(fù)始地重復(fù)上述循環(huán)掃描的。 圖 27 可編程控制器 工作方式流程圖 執(zhí) 行用戶程序時(shí)，需要各種現(xiàn)場信息。 PLC 采集現(xiàn)場信息即采 樣 輸入信號(hào)有兩種方式：一是 采樣輸入方式 。一般在掃描周期的開始或結(jié)束將所有輸入信號(hào)（輸入元件的通 / 斷狀態(tài)）采集并存放到輸入映像寄存器中 ， 執(zhí)行用戶程序所需輸入狀態(tài)均在輸入映像寄存器中取用，而不直接到輸入端或輸入模塊去取用 ；二是 立即輸入方式 。隨著程序的執(zhí)行需要那一個(gè)輸入信號(hào)就直接從輸入端或輸入模塊取用這個(gè)輸入狀態(tài)，如 “ 立即輸入指令 ” 就是這樣，此時(shí)輸入映像寄存器的內(nèi)容不變，到下一次集中采樣輸入時(shí)才變化。 同樣， PLC 對(duì)外部的輸出控制也有 集中輸出 和 立即輸出 兩種方式。 集中輸出方式在執(zhí)行用戶程序時(shí)不是得到一個(gè)輸出結(jié)果就向外輸出一個(gè)，而是把執(zhí)行用戶程序所得的所有輸出結(jié)果，先后全部存放在輸出映像寄存器中，執(zhí)行完用戶程序后所有輸出結(jié)果一次性向輸出端口或輸出模塊輸出，使輸出設(shè)備部件動(dòng)作 ； 立即輸出方式是在執(zhí)行用戶程序時(shí)將該輸出結(jié)果立即向輸出端口或輸出模塊輸出，如 “ 立即輸出指令 ” 就是這樣，此時(shí)輸出映像寄存器的內(nèi)容也更新。 PLC 對(duì)輸入輸出信號(hào)的傳送還有其他方式。如有的 PLC 采用輸入 /輸出刷新指令 ， 在需要的地方設(shè)置這類指令，可對(duì)此電源 ON 的全部或部分輸入點(diǎn)信號(hào)讀入 上電一次，以刷新輸入映像寄存器內(nèi)容 ， 或?qū)⒋藭r(shí)的輸出結(jié)果立即向輸出端口或輸出模塊輸出。有的 PLC 上有輸入、輸出的禁止功能，實(shí)際上是關(guān)閉了輸入、輸出傳送服務(wù)，這意味著此時(shí)的輸入信號(hào)不讀入、輸出信號(hào)也不輸出。 可編程控制器整個(gè) 工作過程可分 三部分： 第一部分是 上電處理 ?？删幊炭刂破魃想姾髮?duì) PLC 系統(tǒng)進(jìn)行一次初始化工作，包括硬件初始化， I/O 模塊配置運(yùn)行方式檢查，停電保持范圍設(shè)定及其他初始化處理等。 第二部分是 掃描過程 ?？删幊炭刂破魃想娞幚硗瓿梢院筮M(jìn)入掃描工作過程。先完成輸入處理，其次完成與其他外設(shè)的通 信處理，再次進(jìn)行時(shí)鐘、特殊寄存器更新。當(dāng) CPU 處于 STOP 方式時(shí)，轉(zhuǎn)入執(zhí)行自診斷檢查。當(dāng) CPU 處于 RUN 方式時(shí)，還要完成用戶程序的執(zhí)行和輸出處理，再轉(zhuǎn)入執(zhí)行自診斷檢查。 第三部分是 出錯(cuò)處理 。 PLC 每掃描一次，執(zhí)行一次自診斷檢查，確定 PLC 自身的動(dòng)作是否正常，如 CPU 、電池電壓、程序存儲(chǔ)器、 I/O 、通信等是否異?；虺鲥e(cuò)，如檢查出異常時(shí)， CPU 面板上的 LED 及異常繼電器會(huì)接通，在特殊寄存器中會(huì)存入出錯(cuò)代碼。當(dāng)出現(xiàn)致命錯(cuò)誤時(shí)， CPU 被強(qiáng)制為 STOP 方式，所有的掃描 停止。 PLC 運(yùn)行正常時(shí)，掃描周期的長短與 CPU 的運(yùn)算速度 、 I/O 點(diǎn)的情況 、 用戶應(yīng)用程序的長短及編程情況等有關(guān)。通常用 PLC 執(zhí)行 1K 指令所需時(shí)間來說明其掃描速度 （ 一般 1~10ms/K） 。值得注意的是，不同指令其執(zhí)行是不同的，從零點(diǎn)幾微秒到上百微秒不等，故選用不同指令所用的掃描時(shí)間將會(huì)不同。若用于高速系統(tǒng)要縮短掃描周期時(shí)，可從軟硬件上考慮。 可編程控制器的工作過程 PLC 的工作過程如圖 28 所示。 1．輸入映像存儲(chǔ)器及其刷新 —— 對(duì)應(yīng)于輸入端子狀態(tài)的數(shù)據(jù)區(qū) PLC 中的 CPU 是不 能直接從與外部接線端子打交道的。在輸入采樣階段，首先掃描所有輸入端子，經(jīng)過輸入調(diào)理電路（光電隔離、電平轉(zhuǎn)換、濾波處理等）后進(jìn)入輸入緩沖器等待采樣。沒有 CPU 的采樣“允許” ，外界的輸入信號(hào)是不能進(jìn)入內(nèi)存的。 當(dāng) CPU 采樣時(shí)，輸入信號(hào)便進(jìn)入輸入映像存儲(chǔ)器 —— 刷新。接著進(jìn)入程序的執(zhí)行階段，直至信號(hào)的輸出。在此期間，輸入映像存儲(chǔ)器將現(xiàn)場與 CPU 隔離，無論輸入信號(hào)如何變化，輸入映像存儲(chǔ)器中的內(nèi)容保持到下一個(gè)掃描周期的輸入采樣階段，才重新采樣新的信號(hào)，即：輸入映像存儲(chǔ)器每周期刷新一次 。 這樣，是否會(huì)影響對(duì)現(xiàn)場信息的反應(yīng) 速度？由于， PLC 掃描周期一般僅幾十 ms ，兩次采樣之間的間隔時(shí)間很短，對(duì)一般的開關(guān)量而言，可以認(rèn)為采樣是連續(xù)的。 。 Y0 Y1 Yn 輸入映像寄存器 ①① 采樣 元件映像寄存器 ③③ 寫 ⑤⑤ 寫 ④④ 讀 X0 Y0 Y0 M0 。 。 輸出鎖存電路 輸出端子 輸入端子 。 ②② 讀 。 X0 X1 Xn ⑥⑥ 刷新 28 可編程控制器 的工作過程 2．輸出映像存儲(chǔ)器及其刷新 —— CPU 數(shù)據(jù)處理的中間結(jié)果和最終結(jié)果的存放區(qū)域 同理， CPU 不能直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，處理的結(jié)果存放在輸出映像存儲(chǔ)器中，直至所有程序執(zhí)行完畢，才將輸出映像區(qū)的內(nèi)容經(jīng)輸出鎖存器（稱為輸出狀態(tài)刷新）送到輸出端子上驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。即： 輸出映像存儲(chǔ)器 —— 隨時(shí)刷新 輸出鎖存器 —— 每周期刷 新一次 （刷新后的輸出狀態(tài)一直保持到下一次刷新） 同樣，兩次刷新的間隔僅幾十 mS，即使考慮電路的電氣慣性（延遲）時(shí)間，仍可認(rèn)為輸出是及時(shí)的。 3．輸入 /輸出狀態(tài)表 —— 狀態(tài) RAM 表 I/O 映像存儲(chǔ)器的內(nèi)容，在 CPU 中構(gòu)成 I/O 狀態(tài)表，其內(nèi)容是 CPU 處理用戶程序及數(shù)據(jù)的依據(jù)。 注意 ：輸入狀態(tài)表 —— 采樣時(shí)刷新 輸出狀態(tài)表 —— 隨時(shí)刷新（中間值和最終結(jié)果） 輸出端子的接通或開斷 —— 輸出鎖存器決定 4．監(jiān)控定時(shí)器 WDT（ WATCH DOG TIMER） —— 即監(jiān)控定時(shí)器 t1 正常：執(zhí)行完用戶程序所需的時(shí)間應(yīng)不超過 t1。執(zhí)行 程序前，復(fù)位 t1，執(zhí)行程序開始t1 計(jì)時(shí)，完畢后立即復(fù)位 t1，表示程序執(zhí)行正常。 異常：因某些原因，程序進(jìn)入死循環(huán)，執(zhí)行程序時(shí)間超出 t1 值， WDT 發(fā)出警告，程序重新開始執(zhí)行，同時(shí)復(fù)位 t1。若因偶然因素，則重新執(zhí)行程序?qū)⒄?，否則，系統(tǒng)自動(dòng)停止執(zhí)行用戶程序，切斷外部負(fù)載，并發(fā)出故障信號(hào)等待處理。 5．執(zhí)行用戶程序 執(zhí)行用戶程序 執(zhí)行 監(jiān)視 6．執(zhí)行外設(shè)命令 每次執(zhí)行完用戶程序，輸出后，就進(jìn)入服務(wù)外設(shè)命令的操作，如沒有外設(shè)命令，自動(dòng)循環(huán)掃描。 可編程控制器的 中斷處理 根據(jù)以上所述，外部信號(hào)的輸入總是通過可編程控制器掃描由 “ 輸入傳送 ” 來完成，這就不可避免地帶來了 “ 邏輯滯后 ” 。 PLC 能不能像計(jì)算機(jī)那樣采用中斷輸入的方法，即當(dāng)有中斷申請(qǐng)信號(hào)輸入后，系統(tǒng)會(huì)中斷正在執(zhí)行的程序而轉(zhuǎn)去執(zhí)行相關(guān)的中斷子程序；系統(tǒng)若有多個(gè)中斷源時(shí)，它們之間按重要性是否有一個(gè)先后順序的排隊(duì)；系統(tǒng)能否由程序設(shè)定允許中斷或禁止中斷等等。 PLC 關(guān)于中斷的概念及處理思路與一般微機(jī)系統(tǒng)基本是一樣的，但也有特殊之處。 1. 響應(yīng)問題 一般微機(jī)系統(tǒng)的 CPU ，在執(zhí)行每一條指令結(jié)束時(shí)去查詢有無中斷申請(qǐng) 。而 PLC 對(duì)中斷的響應(yīng)則是在相關(guān)的程序塊結(jié)束后查詢有無中斷申請(qǐng)和在執(zhí)行用戶程序時(shí)查詢有無中斷申請(qǐng)，如有中斷申請(qǐng)，則轉(zhuǎn)入執(zhí)行中斷服務(wù)程序。如果用戶程序以塊式結(jié)構(gòu)組成，則在每塊結(jié)束或?qū)嵭袎K調(diào)用時(shí)處理中斷。 2. 中斷源先后順序及中斷嵌套問題 在 PLC 中，中斷源的信息是通過輸入點(diǎn)而進(jìn)入系統(tǒng)的， PLC 掃描輸入點(diǎn)是按輸入點(diǎn)編號(hào)的先后順序進(jìn)行的，因此中斷源的先后順序只要按輸入點(diǎn)編號(hào)的順序排列即可。系統(tǒng)接到中斷申請(qǐng)后，順序掃描中斷源，它可能只有一個(gè)中斷源申請(qǐng)中斷，也可能同時(shí)有多個(gè)中斷源申請(qǐng)中斷。系統(tǒng)在掃描 中斷源的過程中，就在存儲(chǔ)器的一個(gè)特定區(qū)建立起 “中斷處理表 ”，按順序存放中斷信息，中斷源被掃描過后，中斷處理表亦已建立完畢，系統(tǒng)就按該表順序先后轉(zhuǎn)至相應(yīng)的中斷子程序入口地址去工作。 必須說明的是，多中斷源可以有優(yōu)先順序，但無嵌套關(guān)系。即中斷程序執(zhí)行中，若有新的中斷放生，不論新中斷的優(yōu)先順序如何，都要等執(zhí)行中的中斷處理結(jié)束后，再進(jìn)行新的中斷處理。所以在 PLC 系統(tǒng)工作中，當(dāng)轉(zhuǎn)入下一個(gè)中斷服務(wù)子程序時(shí)，并不自動(dòng)關(guān)閉中斷，所以也沒有必要去開啟中斷。 3. 中斷服務(wù)程序執(zhí)行結(jié)果信息輸出問題 PLC 按巡回掃描方式 工作，正常的輸入 / 輸出在掃描周期的一定階段進(jìn)行，這給外設(shè)希望及時(shí)響應(yīng)帶來了困難。采用中斷輸入，解決了對(duì)輸入信號(hào)的高速響應(yīng)。當(dāng)中斷申請(qǐng)被響應(yīng)，在執(zhí)行中斷子程序后有關(guān)信息應(yīng)當(dāng)盡早送到相關(guān)外設(shè)，而不希望等到掃描周期的輸出傳送階段，就是說對(duì)部分信息的輸入或輸出要與系統(tǒng) CPU 的周期掃描脫離，可利用專門的硬件模塊（如快速響應(yīng) I/O 模塊）或通過軟件利用專門指令使某些 I/O 立即執(zhí)行來解決。 第 3 章 可編程控制器的軟件構(gòu)成 教學(xué)目的要求： 通過教學(xué)，使學(xué)生明確 PLC 系統(tǒng)程序的作用和用戶程序，掌握用戶工作環(huán)境 中定時(shí)器、計(jì)數(shù)器和數(shù)據(jù)寄存器等元件的特性及應(yīng)用，了解并會(huì)使用 PLC 的編程軟件。 教學(xué)方式 ： 圖片 展示 、 理論講解 。 展示 設(shè)備： 三菱 FX 系列 可編程控制器。 演示操作 ： 多媒體課件 。 重點(diǎn)難點(diǎn)： PLC 系統(tǒng)軟件及用戶軟件的功能； PLC 編程軟元件的特性及用途；編程軟件的使用。 問題 的 提出 ： 可編程控制器 是工業(yè)控制計(jì)算機(jī)設(shè)備，其具有計(jì)算機(jī)的屬性，除了完備的硬件外，還必須有對(duì)應(yīng)的軟件支持其工作。其軟件有那些？作用是什么？將是本章要討論的問題。 可編程控制器系統(tǒng)程序 系統(tǒng)程序又稱 系統(tǒng)監(jiān)控程序 ，是由 PLC 制造者設(shè)計(jì)的，用于 PLC 的運(yùn)行管理。系統(tǒng)監(jiān)控程序分系統(tǒng)管理程序、用戶指令解釋程序和專用標(biāo)準(zhǔn)程序塊等。 系統(tǒng)管理程序 系統(tǒng)管理程序用于整個(gè) PLC 的運(yùn)行管理，管理程序又分為三部分： 第一部分是運(yùn)行管理 ，控制可編程控制器何時(shí)輸入、何時(shí)輸出、何時(shí)運(yùn)算、何時(shí)自檢、何時(shí)通訊等等，進(jìn)行時(shí)間上的分配管理。 第二部分進(jìn)行存貯空間的管理 ，即生成用戶環(huán)境，由它規(guī)定各種參數(shù)、程序的存放地址，將用戶使用的數(shù)據(jù)參數(shù)存貯地址轉(zhuǎn)化為實(shí)際的數(shù)據(jù)格式及物理存放地址。它將有限的資源變?yōu)橛脩艨芍苯邮褂玫脑?。例如，它將有限個(gè)數(shù)的 CTC 擴(kuò)展為幾十至上百 個(gè)用戶時(shí)鐘和計(jì)數(shù)器。通過這部分程序，用戶看到的就不是實(shí)際機(jī)器存貯地址和 PIO、 CTC 的地址了，而是按照用戶數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)排列的元件空間和程序存貯空間了。 第三部分是系統(tǒng)自檢程序 ，它包括各種系統(tǒng)出錯(cuò)檢驗(yàn)、用戶程序語法檢驗(yàn)、句法檢驗(yàn)、警戒時(shí)鐘運(yùn)行等。 在系統(tǒng)管理程序的控制下，整個(gè)可編程控制器就能按步就班地正確工作了。 用戶指令解釋程序 系統(tǒng)監(jiān)控程序的第二部分為 用戶指令解釋程序 。任何計(jì)算機(jī)最終都是根據(jù)機(jī)器語言來執(zhí)行的，而機(jī)器語言的編制又是很麻煩的。為此，在可編程控制器中采用梯形圖編程，將人們易懂的梯形圖程序 變?yōu)闄C(jī)器能懂的機(jī)器語言程序，即將梯形圖程序逐條翻譯成相應(yīng)的一串機(jī)器碼，這就是解釋程序的任務(wù)。 事實(shí)上，為了節(jié)省內(nèi)存，提高解釋速度，用戶程序是以內(nèi)碼的形式存貯在可編程控制器中的。用戶程序變?yōu)閮?nèi)碼形式的這一步是由編輯程序?qū)崿F(xiàn)的，它可以插入、刪除、檢查、查錯(cuò)用戶程序，方便程序的調(diào)試。 標(biāo)準(zhǔn)程序模塊和系統(tǒng)調(diào)用 系統(tǒng)監(jiān)控程序的第三部分就是 標(biāo)準(zhǔn)程序模塊和系統(tǒng)調(diào)用 ，這部分是由許多獨(dú)立的程序塊組成的，各自能完成不同的功能，有些完成輸入、輸出，有些完成特殊運(yùn)算等?？删幊炭刂破鞯母鞣N具體工作都是由這部分程序來完成的 ，這部分程序的多少，就決定了可編程控制器性能的強(qiáng)弱。 整個(gè)系統(tǒng)監(jiān)控程序是一個(gè)整體，它質(zhì)量的好壞很大程度上影響了可編程控制器的性能。因?yàn)橥ㄟ^改進(jìn)系統(tǒng)監(jiān)控程序就可在不增加任何硬件設(shè)備的條件下大大改善可編程控制器的性能，所以國外可編程控制器廠家對(duì)監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)非常重視，實(shí)際售出的產(chǎn)品中，其監(jiān)控程序一直在不斷地完善。 可編程控制器用戶程序 用戶程序 是用戶根據(jù)控制要求，用 PLC 編程的軟元件和編程語言 （如 梯形圖、指令表、高級(jí)語言、匯編語言等 ） 編制的應(yīng)用程序， 其助記符形式隨可編程控制器型號(hào)的不同而略有不同。 用戶通 過編程器或 PC 機(jī)寫入到 PLC 的 RAM 內(nèi)存中，可以修改和更新。當(dāng) PLC 斷電時(shí)被鋰電池保持。 用戶程序是線性地存貯在監(jiān)控程序指定的存貯區(qū)間內(nèi)，它的最大容量也是由監(jiān)控程序確定的。 可編程控制器用