【文章內(nèi)容簡介】 可編程控制器是一種工業(yè)控制計算機， 其 工作原理是建立在計算機工作原理基礎上的，而 CPU 是以分時操作方式來處理各項任務的，計算機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各電器的動作，便 成為時間上的串行 （即 串行工作方式 ） 。由于 CPU 運算速度極高，各 繼電器（軟元件） 的動作似乎是同時完成的，但實際輸入 / 輸出的響應是有滯后的。 PLC 的工作方式是一個 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 就是這樣周而復始地重復上述循環(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，需要各種現(xiàn)場信息。 PLC 采集現(xiàn)場信息即采 樣 輸入信號有兩種方式：一是 采樣輸入方式 。一般在掃描周期的開始或結束將所有輸入信號（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)行需要那一個輸入信號就直接從輸入端或輸入模塊取用這個輸入狀態(tài)，如 “ 立即輸入指令 ” 就是這樣，此時輸入映像寄存器的內(nèi)容不變，到下一次集中采樣輸入時才變化。 同樣， PLC 對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)行用戶程序時不是得到一個輸出結果就向外輸出一個，而是把執(zhí)行用戶程序所得的所有輸出結果，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果一次性向輸出端口或輸出模塊輸出，使輸出設備部件動作 ； 立即輸出方式是在執(zhí)行用戶程序時將該輸出結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，此時輸出映像寄存器的內(nèi)容也更新。 PLC 對輸入輸出信號的傳送還有其他方式。如有的 PLC 采用輸入 /輸出刷新指令 ， 在需要的地方設置這類指令，可對此電源 ON 的全部或部分輸入點信號讀入 上電一次，以刷新輸入映像寄存器內(nèi)容 ， 或將此時的輸出結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，實際上是關閉了輸入、輸出傳送服務，這意味著此時的輸入信號不讀入、輸出信號也不輸出。 可編程控制器整個 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? PLC 系統(tǒng)進行一次初始化工作，包括硬件初始化， I/O 模塊配置運行方式檢查，停電保持范圍設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入掃描工作過程。先完成輸入處理，其次完成與其他外設的通 信處理，再次進行時鐘、特殊寄存器更新。當 CPU 處于 STOP 方式時，轉入執(zhí)行自診斷檢查。當 CPU 處于 RUN 方式時，還要完成用戶程序的執(zhí)行和輸出處理，再轉入執(zhí)行自診斷檢查。 第三部分是 出錯處理 。 PLC 每掃描一次，執(zhí)行一次自診斷檢查，確定 PLC 自身的動作是否正常，如 CPU 、電池電壓、程序存儲器、 I/O 、通信等是否異?；虺鲥e，如檢查出異常時， CPU 面板上的 LED 及異常繼電器會接通，在特殊寄存器中會存入出錯代碼。當出現(xiàn)致命錯誤時， CPU 被強制為 STOP 方式，所有的掃描 停止。 PLC 運行正常時，掃描周期的長短與 CPU 的運算速度 、 I/O 點的情況 、 用戶應用程序的長短及編程情況等有關。通常用 PLC 執(zhí)行 1K 指令所需時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，從零點幾微秒到上百微秒不等，故選用不同指令所用的掃描時間將會不同。若用于高速系統(tǒng)要縮短掃描周期時，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．輸入映像存儲器及其刷新 —— 對應于輸入端子狀態(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)過輸入調理電路（光電隔離、電平轉換、濾波處理等）后進入輸入緩沖器等待采樣。沒有 CPU 的采樣“允許” ，外界的輸入信號是不能進入內(nèi)存的。 當 CPU 采樣時，輸入信號便進入輸入映像存儲器 —— 刷新。接著進入程序的執(zhí)行階段，直至信號的輸出。在此期間，輸入映像存儲器將現(xiàn)場與 CPU 隔離，無論輸入信號如何變化，輸入映像存儲器中的內(nèi)容保持到下一個掃描周期的輸入采樣階段，才重新采樣新的信號，即：輸入映像存儲器每周期刷新一次 。 這樣，是否會影響對現(xiàn)場信息的反應 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間很短，對一般的開關量而言，可以認為采樣是連續(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．輸出映像存儲器及其刷新 —— CPU 數(shù)據(jù)處理的中間結果和最終結果的存放區(qū)域 同理， CPU 不能直接驅動負載，處理的結果存放在輸出映像存儲器中，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）送到輸出端子上驅動外部負載。即： 輸出映像存儲器 —— 隨時刷新 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）時間，仍可認為輸出是及時的。 3．輸入 /輸出狀態(tài)表 —— 狀態(tài) RAM 表 I/O 映像存儲器的內(nèi)容，在 CPU 中構成 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 —— 采樣時刷新 輸出狀態(tài)表 —— 隨時刷新（中間值和最終結果） 輸出端子的接通或開斷 —— 輸出鎖存器決定 4．監(jiān)控定時器 WDT（ WATCH DOG TIMER） —— 即監(jiān)控定時器 t1 正常：執(zhí)行完用戶程序所需的時間應不超過 t1。執(zhí)行 程序前，復位 t1，執(zhí)行程序開始t1 計時，完畢后立即復位 t1，表示程序執(zhí)行正常。 異常：因某些原因，程序進入死循環(huán)，執(zhí)行程序時間超出 t1 值， WDT 發(fā)出警告，程序重新開始執(zhí)行，同時復位 t1。若因偶然因素，則重新執(zhí)行程序將正常，否則，系統(tǒng)自動停止執(zhí)行用戶程序，切斷外部負載，并發(fā)出故障信號等待處理。 5．執(zhí)行用戶程序 執(zhí)行用戶程序 執(zhí)行 監(jiān)視 6．執(zhí)行外設命令 每次執(zhí)行完用戶程序，輸出后，就進入服務外設命令的操作，如沒有外設命令，自動循環(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 能不能像計算機那樣采用中斷輸入的方法，即當有中斷申請信號輸入后，系統(tǒng)會中斷正在執(zhí)行的程序而轉去執(zhí)行相關的中斷子程序；系統(tǒng)若有多個中斷源時，它們之間按重要性是否有一個先后順序的排隊；系統(tǒng)能否由程序設定允許中斷或禁止中斷等等。 PLC 關于中斷的概念及處理思路與一般微機系統(tǒng)基本是一樣的，但也有特殊之處。 1. 響應問題 一般微機系統(tǒng)的 CPU ，在執(zhí)行每一條指令結束時去查詢有無中斷申請 。而 PLC 對中斷的響應則是在相關的程序塊結束后查詢有無中斷申請和在執(zhí)行用戶程序時查詢有無中斷申請，如有中斷申請，則轉入執(zhí)行中斷服務程序。如果用戶程序以塊式結構組成，則在每塊結束或實行塊調用時處理中斷。 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而進入系統(tǒng)的， PLC 掃描輸入點是按輸入點編號的先后順序進行的，因此中斷源的先后順序只要按輸入點編號的順序排列即可。系統(tǒng)接到中斷申請后，順序掃描中斷源，它可能只有一個中斷源申請中斷，也可能同時有多個中斷源申請中斷。系統(tǒng)在掃描 中斷源的過程中，就在存儲器的一個特定區(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至相應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)行中的中斷處理結束后，再進行新的中斷處理。所以在 PLC 系統(tǒng)工作中，當轉入下一個中斷服務子程序時，并不自動關閉中斷，所以也沒有必要去開啟中斷。 3. 中斷服務程序執(zhí)行結果信息輸出問題 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行，這給外設希望及時響應帶來了困難。采用中斷輸入，解決了對輸入信號的高速響應。當中斷申請被響應，在執(zhí)行中斷子程序后有關信息應當盡早送到相關外設，而不希望等到掃描周期的輸出傳送階段，就是說對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 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成 教學目的要求： 通過教學，使學生明確 PLC 系統(tǒng)程序的作用和用戶程序，掌握用戶工作環(huán)境 中定時器、計數(shù)器和數(shù)據(jù)寄存器等元件的特性及應用，了解并會使用 PLC 的編程軟件。 教學方式 ： 圖片 展示 、 理論講解 。 展示 設備： 三菱 FX 系列 可編程控制器。 演示操作 ： 多媒體課件 。 重點難點： 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)控制計算機設備，其具有計算機的屬性，除了完備的硬件外，還必須有對應的軟件支持其工作。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 制造者設計的，用于 PLC 的運行管理。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準程序塊等。 系統(tǒng)管理程序 系統(tǒng)管理程序用于整個 PLC 的運行管理，管理程序又分為三部分： 第一部分是運行管理 ，控制可編程控制器何時輸入、何時輸出、何時運算、何時自檢、何時通訊等等，進行時間上的分配管理。 第二部分進行存貯空間的管理 ，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)存貯地址轉化為實際的數(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，它將有限個數(shù)的 CTC 擴展為幾十至上百 個用戶時鐘和計數(shù)器。通過這部分程序，用戶看到的就不是實際機器存貯地址和 PIO、 CTC 的地址了，而是按照用戶數(shù)據(jù)結構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)出錯檢驗、用戶程序語法檢驗、句法檢驗、警戒時鐘運行等。 在系統(tǒng)管理程序的控制下，整個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 。任何計算機最終都是根據(jù)機器語言來執(zhí)行的，而機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器能懂的機器語言程序，即將梯形圖程序逐條翻譯成相應的一串機器碼，這就是解釋程序的任務。 事實上，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實現(xiàn)的，它可以插入、刪除、檢查、查錯用戶程序，方便程序的調試。 標準程序模塊和系統(tǒng)調用 系統(tǒng)監(jiān)控程序的第三部分就是 標準程序模塊和系統(tǒng)調用 ，這部分是由許多獨立的程序塊組成的，各自能完成不同的功能，有些完成輸入、輸出，有些完成特殊運算等。可編程控制器的各種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弱。 整個系統(tǒng)監(jiān)控程序是一個整體，它質量的好壞很大程度上影響了可編程控制器的性能。因為通過改進系統(tǒng)監(jiān)控程序就可在不增加任何硬件設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監(jiān)控程序的設計非常重視，實際售出的產(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、高級語言、匯編語言等 ） 編制的應用程序， 其助記符形式隨可編程控制器型號的不同而略有不同。 用戶通 過編程器或 PC 機寫入到 PLC 的 RAM 內(nèi)存中，可以修改和更新。當 PLC 斷電時被鋰電池保持。 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