可编程控制器应用技术教案

第1章绪论教学目的要求：通过教学，使学生明确PLC的定义、特点、及在工业自动控制中的应用。教学方式：PLC展示、操作演示、理论讲解展示设备：多种可编程控制器展示，如三菱、欧姆龙、西门子等机型。演示操作：利用FX2N-32MRPLC实现对自动送料小车的控制。重点难点：掌握可编程控制器的定义、特点及应用。问题的提出：可编程控制器是什么设备，具有那些特点，可用在什么场合？1.1可编程控制器的定义及在工业自动化中的地位1.1.1可编程控制器的定义上世纪60年代，计算机技术已开始应用于工业控制。但由于计算机技术本身的复杂性，编程难度大，难以适应恶劣的工业环境以及价格昂贵等原因，未能在工业控制中广泛应用。当时的工业控制，主要是以继电—接触器组成的控制系统。1968年，美国最大的汽车制造商——通用汽车制造公司（GM），为适应汽车型号的不断更新，试图寻找一种新型的工业控制器，以尽可能减少重新设计和更换控制系统的硬件及接线、减少时间，降低成本。因而设想把计算机的完备功能、灵活及通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成一种适合于工业环境的通用控制装置，并把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，用“面向控制过程，面向对象”的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能方便地使用。即：硬件：减少并相对稳定软件：简单、灵活并随控制要求而变针对上述设想，通用汽车公司提出了这种新型控制器所必须具备的十大条件有名的“GM10条”：①编程简单，可在现场修改程序②维护方便，最好是插件式③可靠性高于继电器控制柜④体积小于继电器控制柜⑤可将数据直接送入管理计算机⑥在成本上可与继电器控制柜竞争⑦输入可以是交流115V⑧输出可以是交流115V，2A以上，可直接驱动电磁阀⑨在扩展时，原有系统只要很小变更⑩用户程序存储器容量至少能扩展到4K字节1969年，美国数字设备公司（GEC）首先研制成功第一台可编程序控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用成功，从而开创了工业控制的新局面。接着，美国MODICON公司也开发出可编程序控制器084。1971年，日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台可编程序控制器DSC-8。1973年，西欧国家也研制出了他们的第一台可编程序控制器。我国从1974年开始研制，1977年开始工业应用。早期的可编程序控制器是为取代继电器控制线路，存储程序指令，完成顺序控制而设计的。主要用于逻辑运算和计时，计数等顺序控制，均属开关量控制。所以，通常称为可编程序逻辑控制器（PLC—ProgrammableLogicController）。进入70年代，随着微电子技术的发展，PLC采用了通用微处理器，这种控制器就不再局限于当初的逻辑运算了，功能不断增强。因此，实际上应称之为PC——可编程序控制器。至80年代，随大规模和超大规模集成电路等微电子技术的发展，以16位和32位微处理器构成的微机化PC得到了惊人的发展。使PC在概念、设计、性能、价格以及应用等方面都有了新的突破。不仅控制功能增强，功耗和体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且随着远程I/O和通信网络、数据处理以及图象显示的发展，使PC向用于连续生产过程控制的方向发展，成为实现工业生产自动化的一大支柱设备。可编程序控制器一直在发展中，所以至今尚未对其下最后的定义。国际电工学会（IEC）曾先后于1982.11；1985.1和1987.2发布了可编程序控制器标准草案的第一，二，三稿。在第三稿中，对PLC作了如下定义：“可编程序控制器是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计”。定义强调了PLC是：①数字运算操作的电子系统——也是一种计算②专为在工业环境下应用而设计③面向用户指令——编程方便④逻辑运算、顺序控制、定时计算和算术操作⑤数字量或模拟量输入输出控制⑥易与控制系统联成一体⑦易于扩充概而言之：可编程控制器是通用的、可编写程序的、专用于工业控制的计算机自动控制设备。1.1.2可编程控制器在工业自动化中的地位随着可编程控制器技术的发展和功能的增强，PLC已成为现代工业生产自动控制的一大支柱设备。1.2可编程控制器的特点及应用范围演示操作：（1）可编程控制器控制电动机的顺序启动方式一：按下启动按钮，PLC控制电动机M1启动，延时10s，M2启动运行，按下停止按钮，两个电动机同时停止工作。方式二：按下启动按钮，PLC控制电动机M2启动，延时10s，M1启动运行，按下停止按钮，两个电动机同时停止工作。（2）继电接触器控制线路与PLC控制系统的比较用继电接触器实现以上控制（演示）；用PLC实现以上控制（演示）。总结：传统的继电接触器控制电路，若控制要求发生变化，就需要改变其硬件接线，费时费力；用PLC实现其控制，可在不改变硬件接线的情况下，通过修改程序而实现控制顺序的变化，简单易行。可见可编程控制器具有突出的优越性。1.2.1可编程控制器系统的特点为适应工业环境使用，与一般控制装置相比较，PLC机具有以下特点：1、可靠性高，抗干扰能力强工业生产对控制设备的可靠性要求：平均故障间隔时间长故障修复时间（平均修复时间）短任何电子设备产生的故障，通常为两种：①偶发性故障。由于外界恶劣环境如电磁干扰、超高温、超低温、过电压、欠电压、振动等引起的故障。这类故障，不会引起系统部件的损坏，一旦环境条件恢复正常，系统也随之恢复正常。但对PC而言，受外界影响后，内部存储的信息可能被破坏。②永久性故障。由于元器件不可恢复的破坏而引起的故障。如果在PLC上增加一些诊断措施和适当的保护手段，在永久性故障出现时，能很快查出故障发生点，并将故障限制在局部，就能降低PLC的平均修复时间。为此，各PLC的生产厂商在硬件和软件方面采取了多种措施，使PLC除了本身具有较强的自诊断能力，能及时给出出错信息，停止运行等待修复外，还使PLC具有了很强的抗干扰能力。·硬件措施：主要模块均采用大规模或超大规模集成电路，大量开关动作由无触点的电子存储器完成，I/O系统设计有完善的通道保护和信号调理电路。屏蔽——对电源变压器、CPU、编程器等主要部件，采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽，以防外界干扰；滤波——对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波，如LC或π型滤波网络，以消除或抑制高频干扰，也削弱了各种模块之间的相互影响；电源调整与保护——对微处理器这个核心部件所需的+5V电源，采用多级滤波，并用集成电压调整器进行调整，以适应交流电网的波动和过电压、欠电压的影响；隔离——在微处理器与I/O电路之间，采用光电隔离措施，有效地隔离I/O接口与CPU之间电的联系，减少故障和误动作；各I/O口之间亦彼此隔离；采用模块式结构——这种结构有助于在故障情况下短时修复。一旦查出某一模块出现故障，能迅速更换，使系统恢复正常工作；同时也有助于加快查找故障的原因。·软件措施：有极强的自检及保护功能。故障检测——软件定期地检测外界环境，如掉电、欠电压、锂电池电压过低及强干扰信号等。以便及时进行处理；信息保护与恢复——当偶发性故障条件出现时，不破坏PLC内部的信息。一旦故障条件消失，就可恢复正常，继续原来的程序工作。所以，PLC在检测到故障条件时，立即把现状态存入存储器，软件配合对存储器进行封闭，禁止对存储器的任何操作，以防存储信息被冲掉；设置警戒时钟WDT（看门狗）——如果程序每次循环扫描执行时间超过了WDT规定的时间，预示了程序进入死循环，立即报警；加强对程序的检查和校验——一旦程序有错，立即报警，并停止执行；对程序及动态数据进行电池后备——停电后，利用后备电池供电，有关状态及信息就不会丢失。PLC出厂试验项目中，有一项就是抗干扰试验。它要求能承受幅值为1000V，上升时间1nS，脉冲宽度为1μS的干扰脉冲。一般平均故障间隔时间可达几十万～上千万小时，组成系统亦可达4～5万小时甚至更长时间。2、通用性强，使用方便PLC具有功能齐备的各种硬件装置，可以组成能满足各种控制要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。用户在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PLC的硬设备，只需改编程序就可以满足控制要求。因此，PLC除应用于单机控制外，还广泛用于工厂自动化系统中。3、功能强，适应面广现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。4、编程简单，容易掌握目前，大多数PLC仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和掌握。梯形图语言编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。通过阅读PLC的用户手册或短期培训，电气技术人员和技术工人很快就能学会用梯形图编制控制程序。同时还提供了功能图、语句表等编程语言。PLC在执行梯形图程序时，通过用户指令解释程序将它翻译成汇编语言执行（PC内部增加了解释程序），与直接执行汇编语言编写的用户程序相比，执行梯形图程序的时间要长一些，但对于大多数机电控制设备来说，是微不足道的，完全可以满足控制要求。5、减少了控制系统设计及施工的工作量由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场调试的工作量。由于PLC的低故障率及很强的监控功能、模块化设计等，使维修也极为方便。6、体积小、重量轻、功耗低PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑，体积小，重量轻，功耗低。由于PLC的强抗干扰能力，易于装入设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。以三菱公司的F1-40M型PLC为例，其外型尺寸仅为305×110×110mm，重量2.3kg，功耗小于25VA，还具有很好的抗振、适应环境温度、湿度变化的能力。三菱FX系列PLC，与其超小型品种F1系列相比，面积为其47%,体积为其36%，输入输出可达24～128点，在系统配置上更加灵活方便。1.2.2可编程控制器的应用范围随着PLC功能的不断完善，性能价格比的不断提高，PLC的应用面也越来越广。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电子、机械制造、汽车、船舶、装卸、造纸、纺织、环保、娱乐等各行各业。1、顺序控制PLC取代传统的继电器构成顺序控制系统，是PLC最广泛的应用领域。PLC可用于单机控制、多机群控制、生产自动线控制，如注塑机、印刷机械、订书机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、包装生产线、电镀流水线及电梯控制等。2、运动控制PLC制造商目前已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。在多数情况下，PLC把描述目标位置的数据送给模块，模块移动一轴或数轴到目标位置，当每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。运动的编程可用PLC的编程语言完成，通过编程器输入。操作员用手动方式把轴移动到某个目标位置，模块就得知了位置和运动参数，之后可用编辑程序来改变速度和加速度等运动参数，使运动平滑。位置控制模块比CNC装置体积更小，价格更低，速度更快，操作更方便。3、过程控制PLC能控制大量的物理参数，如温度、压力、速度和流量等。PID（Proportional-Integral-Derivative）模块的提供使PLC具有闭环控制功能，即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。当控制过程中某个变量出现偏差时，PID控制算法会计算出正确的输出，把变量保持在设定值上。PID算法一旦适应了工艺，就不管工艺混乱而保持设定值。4、数据处理随着PLC技术的发展，已把支持顺序控制的PLC和计算机数值控制(CNC)的设备紧密地结合了起来。著名的日本FANUC公司推出的System10、11、12系列，已将CNC控制功能作为PLC的一部分。为了实现PLC和CNC设备之间内部数据自由传递，该公司采用了窗口软件。通过窗口软件，用户可以独自编程，由PLC送至CNC设备使用。同样，美国GE公司的CNC设备新机种也使用了具有数据处理的PLC。东芝的TOSNUC600也将CNC和PLC组合在一起，预计今后几年CNC系统将变成以PLC为主体的控制和管理系统。5、通信和联网为了适应国外近几年来兴起的工厂自动化（FA）系统、柔性制造系统（FMS）及集散控制系统（DCS）等发展的需要，必须发展PLC之间、PLC和上位计算机之间的通信功能。作为实时控制系统，不仅PLC数据通信速率要求高，而且要考虑出现停电、故障时的对策等。日本富士电机公司开发的MICREX-F系列就是一例，其中处理器多达16台，输入/输出点数达3200个之多。PLC之间、PLC和上位计算机之间都采用光纤通信，多级传递。I/O模块按功能各自放置在生产现场分散控制，然后采用网络联结构成集中管理信息的分布式网络系统。1.3可编程控制器的发展趋势1.3.1国外PLC发展概况PLC自问世以来，经过40多年的发展，在美、德、日等工业发达国家已成为重要的产业之一。世界总销售额不断上升、生产厂家不断涌现、品种不断翻新。产量产值大幅度上升而价格则不断下降。目前，世界上有200多个厂家生产PLC，著名的美国：AB通用电气公司、莫迪康公司；日本：三菱、富士、欧姆龙、松下电工等公司；德国：西门子公司；法国：TE施耐德公司；韩国：三星、LG公司等。1.3.2技术发展动向1、产品规模向大、小两个方向发展大：I/O点数达14336点、32位微处理器、多CPU并行工作、大容量存储器、扫描速度高速化。小：由整体结构向小型模块化结构发展，增加了配置的灵活性，降低了成本。2、PLC在闭环过程控制中应用日益广泛3、不断加强通讯功能4、新器件和模块不断推出高档的PLC除了主要采用CPU以提高处理速度外，还有带处理器的EPROM或RAM的智能I/O模块、高速计数模块、远程I/O模块等专用化模块。5、编程工具丰富多样，功能不断提高，编程语言趋向标准化有各种简单或复杂的编程器及编程软件，采用梯形图、功能图、语句表等编程语言，亦有高档的PLC指令系统。6、发展容错技术采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。7、追求软硬件的标准化1.3.3国内发展及应用概况我国的PLC产品的研制和生产经历了三个阶段：顺序控制器（1973～1979）——一位处理器为主的工业控制器（1979～1985）——八位微处理器为主的可编程序控制器（1985以后）。在对外开放政策的推动下，国外PLC产品大量进入我国市场，其中部分是随成套设备进口的，如宝钢一、二期工程就引进了500多台套，还有咸阳显象管厂、秦皇岛煤码头、汽车厂等。现在，PLC在国内的各行各业也有了广泛的应用，技术含量也越来越高。第2章可编程控制器的硬件构成及工作原理教学目的要求:通过教学，使学生明确PLC的硬件工作环境，熟悉输入接口电路和输出接口电路，掌握可编程控制器的工作原理和工作过程。教学方式：PLC展示、理论讲解展示设备：三菱FX系列PLC重点难点：可编程控制器I/O接口电路，可编程控制器工作原理问题的提出：PLC以其突出的特性可广泛用于工业控制系统，其结构和工作原理如何？则是本章要讨论的问题。明确可编程控制器的基本结构和工作原理，是编制用户程序的基础。2.1可编程控制器的硬件构成2.1.1可编程控制器基本组成可编程控制器一般由中央处理单元（CPU）、存储器（ROM/RAM）、输入/输出单元（I/O单元）、编程器、电源等主要部件组成，如图2-1所示。图2-1可编程控制器基本结构框图1．中央处理器(CPU)CPU是可编程控制器的核心，它按系统程序赋予的功能指挥可编程控制器有条不紊地进行工作，其主要任务是：（1）接收、存储用户程序和数据，并通过显示器显示出程序的内容和存储地址。（2）检查、校验用户程序。对输入的用户程序进行检查，发现语法错误立即报警，并停止输入；在程序运行过程中若发现错误，则立即报警或停止程序的执行。（3）接收、调用现场信息。将接收到现场输入的数据保存起来，在需要数据的时候将其调出、并送到需要该数据的地方。（4）执行用户程序。PLC进入运行状态后，CPU根据用户程序存放的先后顺序，逐条读取、解释并执行程序，完成用户程序中规定的各种操作，并将程序执行的结果送至输出端口，以驱动可编程控制器的外部负载。（5）故障诊断。诊断电源、可编程控制器内部电路的故障，根据故障或错误的类型，通过显示器显示出相应的信息，以提示用户及时排除故障或纠正错误。不同型号可编程控制器的CPU芯片是不同的，有的采用通用CPU芯片，如8031、8051、8086、80826等，也有采用厂家自行设计的专用CPU芯片（如西门子公司的S7-200系列可编程控制器均采用其自行研制的专用芯片），CPU芯片的性能关系到可编程控制器处理控制信号的能力与速度，CPU位数越高，系统处理的信息量越大，运算速度也越快。2.存储器可编程控制器的存储器可以分为系统程序存储器、用户程序存储器及工作数据存储器等三种。（1）系统程序存储器系统程序存储器用来存放由可编程控制器生产厂家编写的系统程序，并固化在ROM内，用户不能直接更改。它使可编程控制器具有基本的智能。能够完成可编程控制器设计者规定的各项工作。系统程序质量的好坏，很大程度上决定了PLC的性能，其内容主要包括三部分：第一部分为系统管理程序，它主要控制可编程控制器的运行，使整个可编程控制器按部就班地工作；第二部分为用户指令解释程序，通过用户指令解释程序，将可编程控制器的编程语言变为机器语言指令，再由CPU执行这些指令；第三部分为标准程序模块与系统调用程序，它包括许多不同功能的子程序及其调用管理程序，如完成输入、输出及特殊运算等的子程序，可编程控制器的具体工作都是由这部分程序来完成的，这部分程序的多少决定了可编程控制器性能的强弱。（2）用户程序存储器根据控制要求而编制的应用程序称为用户程序。用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务，用规定的可编程控制器编程语言编写的各种用户程序。用户程序存储器根据所选用的存储器单元类型的不同，可以是RAM（有用锂电池进行掉电保护），EPROM或EEPROM存储器，其内容可以由用户任意修改或增删。目前较先进的的可编程控制器采用可随时读写的快闪存储器作为用户程序存储器。快闪存储器不需后备电池，掉电时数据也不会丢失。（3）工作数据存储器工作数据存储器用来存储工作数据，即用户程序中使用的ON/OFF状态、数值数据等。在工作数据区中开辟有元件映像寄存器和数据表。其中元件映像寄存器用来存储开关量/输出状态以及定时器、计数器、辅助继电器等内部器件的ON/OFF状态。数据表用来存放各种数据，它存储用户程序执行时的某些可变参数值及A/D转换得到的数字量和数学运算的结果等。在可编程控制器断电时能保持数据的存储器区称数据保持区。用户程序存储器和用户存储器容量的大小，关系到用户程序容量的大小和内部器件的多少，是反映PLC性能的重要指标之一。3.输入/输出接口输入/输出接口是PLC与外界连接的接口。输入接口用来接收和采集两种类型的输入信号，一类是由按钮、选择开关、行程开关、继电器触点、接近开关、光电开关、数字拨码开关等的开关量输入信号。另一类是由电位器、测速发电机和各种变送器等来的模拟量输入信号。图2-2输入回路的连接I/O点的作用是将I/O设备与PLC进行连接，使PLC与现场设备构成控制系统，以便从现场通过输入设备（元件）得到信息（输入），或将经过处理后的控制命令通过输出设备（元件）送到现场（输出），从而实现自动控制的目的。输入回路的连接如图2-2所示。输入回路的实现是将COM通过输入元件（如按钮、转换开关、行程开关、继电器的触点、传感器等）连接到对应的输入点上，再通过输入点X将信息送到PLC内部。一旦某个输入元件状态发生变化，对应输入继电器X的状态也就随之变化，PLC在输入采样阶段即可获取这些信息。输出接口用来连接被控对象中各种执行元件，如接触器、电磁阀、指示灯、调节阀（模拟量）、调速装置（模拟量）等。输出回路就是PLC的负载驱动回路，输出回路的连接如图2-3所示。通过输出点，将负载和负载电源连接成一个回路，这样负载就由PLC输出点的ON/OFF进行控制，输出点动作负载得到驱动。负载电源的规格应根据负载的需要和输出点的技术规格进行选择。图2-3输出回路的连接为适应控制的需要，PLCI/0具有不同的类别。其输入分直流输入和交流输入两种形式，如图2-4，图2-5所示；输出分继电器输出、可控硅输出和晶体管输出三种形式。继电器输出和可控硅输出适用于大电流输出场合，如图2-6所示；晶体管输出、可控硅输出适用于快速、频繁动作的场合。相同驱动能力，继电器输出形式价格较低。为提高PLC抗干扰能力，其输入、输出接口电路均采用了隔离措施。图2-4直流输入及隔离电路图2-5交流输入及隔离电路4.电源小型整体式可编程控制器内部有一个开关式稳压电源。电源一方面可为CPU板，I/O板及扩展单元提供工作电源（5VDC），另一方面可为外部输入元件提供24VDC（200mA）。5.扩展接口扩展接口用于将扩展单元与基本单元相连,使PLC的配置更加灵活。图2-6继电器输出及隔离电路6.通信接口为了实现“人－机”或“机－机”之间的对话，PLC配有多种通信接口。PLC通过这些通信接口可以与监视器，打印机，其他的PLC或计算机相连。当PLC与打印机相连时，可将过程信息，系统参数等输出打印；当与监视器(CRT)相连时，可将过程图象显示出来；当与其他PLC相连时，可以组成多机系统或连成网络，实现更大规模的控制；当与计算机相连时，可以组成多级控制系统，实现控制与管理相结合的综合系统。7.智能I/O接口为了满足更加复杂的控制功能的需要，PLC配有多种智能I/O接口。例如，满足位置调节需要的位置闭环控制模板，对高速脉冲进行计数和处理的高速计数模板等。这类智能模板都有其自身的处理器系统。8.编程器它的作用是供用户进行程序的编制，编辑，调试和监视。编程器有简易型和智能型两类。简易型的编程器只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符（指令表）后，才能输入。它一般由简易键盘和发光二极管或其他显示器件组成。智能型的编程器又称图形编程器。它可以联机，也可以脱机编程，具有LCD或CRT图形显示功能，可以直接输入梯形图和通过屏幕对话。也可以利用微机作为编程器，这时微机应配有相应的编程软件包，若要直接与可编程控制器通信，还要配有相应的通信电缆。9.其他部件PLC还可配有盒式磁带机，EPROM写入器，存储器卡等其他外部设备。2.2可编程控制器的工作原理2.2.1可编程控制器的工作方式众所周知，继电接触器控制系统是一种“硬件逻辑系统”，采用并行工作方式。可编程控制器是一种工业控制计算机，其工作原理是建立在计算机工作原理基础上的，而CPU是以分时操作方式来处理各项任务的，计算机在每一瞬间只能做一件事，所以程序的执行是按程序顺序依次完成相应各电器的动作，便成为时间上的串行（即串行工作方式）。由于CPU运算速度极高，各继电器（软元件）的动作似乎是同时完成的，但实际输入/输出的响应是有滞后的。PLC的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式，如图2-7所示。每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。CPU从第一条指令开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。PLC就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。图2-7可编程控制器工作方式流程图执行用户程序时，需要各种现场信息。PLC采集现场信息即采样输入信号有两种方式：一是采样输入方式。一般在扫描周期的开始或结束将所有输入信号（输入元件的通/断状态）采集并存放到输入映像寄存器中，执行用户程序所需输入状态均在输入映像寄存器中取用，而不直接到输入端或输入模块去取用；二是立即输入方式。随着程序的执行需要那一个输入信号就直接从输入端或输入模块取用这个输入状态，如“立即输入指令”就是这样，此时输入映像寄存器的内容不变，到下一次集中采样输入时才变化。同样，PLC对外部的输出控制也有集中输出和立即输出两种方式。集中输出方式在执行用户程序时不是得到一个输出结果就向外输出一个，而是把执行用户程序所得的所有输出结果，先后全部存放在输出映像寄存器中，执行完用户程序后所有输出结果一次性向输出端口或输出模块输出，使输出设备部件动作；立即输出方式是在执行用户程序时将该输出结果立即向输出端口或输出模块输出，如“立即输出指令”就是这样，此时输出映像寄存器的内容也更新。PLC对输入输出信号的传送还有其他方式。如有的PLC采用输入/输出刷新指令，在需要的地方设置这类指令，可对此电源ON的全部或部分输入点信号读入上电一次，以刷新输入映像寄存器内容，或将此时的输出结果立即向输出端口或输出模块输出。有的PLC上有输入、输出的禁止功能，实际上是关闭了输入、输出传送服务，这意味着此时的输入信号不读入、输出信号也不输出。可编程控制器整个工作过程可分三部分：第一部分是上电处理。可编程控制器上电后对PLC系统进行一次初始化工作，包括硬件初始化，I/O模块配置运行方式检查，停电保持范围设定及其他初始化处理等。第二部分是扫描过程。可编程控制器上电处理完成以后进入扫描工作过程。先完成输入处理，其次完成与其他外设的通信处理，再次进行时钟、特殊寄存器更新。当CPU处于STOP方式时，转入执行自诊断检查。当CPU处于RUN方式时，还要完成用户程序的执行和输出处理，再转入执行自诊断检查。第三部分是出错处理。PLC每扫描一次，执行一次自诊断检查，确定PLC自身的动作是否正常，如CPU、电池电压、程序存储器、I/O、通信等是否异常或出错，如检查出异常时，CPU面板上的LED及异常继电器会接通，在特殊寄存器中会存入出错代码。当出现致命错误时，CPU被强制为STOP方式，所有的扫描停止。PLC运行正常时，扫描周期的长短与CPU的运算速度、I/O点的情况、用户应用程序的长短及编程情况等有关。通常用PLC执行1K指令所需时间来说明其扫描速度（一般1~10ms/K）。值得注意的是，不同指令其执行是不同的，从零点几微秒到上百微秒不等，故选用不同指令所用的扫描时间将会不同。若用于高速系统要缩短扫描周期时，可从软硬件上考虑。2.2.2可编程控制器的工作过程PLC的工作过程如图2-8所示。1．输入映像存储器及其刷新——对应于输入端子状态的数据区PLC中的CPU是不能直接从与外部接线端子打交道的。在输入采样阶段，首先扫描所有输入端子，经过输入调理电路（光电隔离、电平转换、滤波处理等）后进入输入缓冲器等待采样。没有CPU的采样“允许”，外界的输入信号是不能进入内存的。当CPU采样时，输入信号便进入输入映像存储器——刷新。接着进入程序的执行阶段，直至信号的输出。在此期间，输入映像存储器将现场与CPU隔离，无论输入信号如何变化，输入映像存储器中的内容保持到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新采样新的信号，即：输入映像存储器每周期刷新一次。这样，是否会影响对现场信息的反应速度？由于，PLC扫描周期一般仅几十，两次采样之间的间隔时间很短，对一般的开关量而言，可以认为采样是连续的。输入采样输入采样程序执行输出处理一个扫描周期。。。Y0Y1Yn输入映像寄存器①采样元件映像寄存器③写⑤写④读X0Y0Y0M0。。。。。。输出锁存电路输出端子输入端子。。。②读。。。X0X1Xn⑥刷新2-8可编程控制器的工作过程2．输出映像存储器及其刷新——CPU数据处理的中间结果和最终结果的存放区域同理，CPU不能直接驱动负载，处理的结果存放在输出映像存储器中，直至所有程序执行完毕，才将输出映像区的内容经输出锁存器（称为输出状态刷新）送到输出端子上驱动外部负载。即：输出映像存储器——随时刷新输出锁存器——每周期刷新一次（刷新后的输出状态一直保持到下一次刷新）同样，两次刷新的间隔仅几十mS，即使考虑电路的电气惯性（延迟）时间，仍可认为输出是及时的。3．输入/输出状态表——状态RAM表I/O映像存储器的内容，在CPU中构成I/O状态表，其内容是CPU处理用户程序及数据的依据。注意：输入状态表——采样时刷新输出状态表——随时刷新（中间值和最终结果）输出端子的接通或开断——输出锁存器决定4．监控定时器WDT（WATCHDOGTIMER）——即监控定时器t1正常：执行完用户程序所需的时间应不超过t1。执行程序前，复位t1，执行程序开始t1计时，完毕后立即复位t1，表示程序执行正常。异常：因某些原因，程序进入死循环，执行程序时间超出t1值，WDT发出警告，程序重新开始执行，同时复位t1。若因偶然因素，则重新执行程序将正常，否则，系统自动停止执行用户程序，切断外部负载，并发出故障信号等待处理。5．执行用户程序执行用户程序执行监视6．执行外设命令每次执行完用户程序，输出后，就进入服务外设命令的操作，如没有外设命令，自动循环扫描。2.2.3可编程控制器的中断处理根据以上所述，外部信号的输入总是通过可编程控制器扫描由“输入传送”来完成，这就不可避免地带来了“逻辑滞后”。PLC能不能像计算机那样采用中断输入的方法，即当有中断申请信号输入后，系统会中断正在执行的程序而转去执行相关的中断子程序；系统若有多个中断源时，它们之间按重要性是否有一个先后顺序的排队；系统能否由程序设定允许中断或禁止中断等等。PLC关于中断的概念及处理思路与一般微机系统基本是一样的，但也有特殊之处。1.响应问题一般微机系统的CPU，在执行每一条指令结束时去查询有无中断申请。而PLC对中断的响应则是在相关的程序块结束后查询有无中断申请和在执行用户程序时查询有无中断申请，如有中断申请，则转入执行中断服务程序。如果用户程序以块式结构组成，则在每块结束或实行块调用时处理中断。2.中断源先后顺序及中断嵌套问题在PLC中，中断源的信息是通过输入点而进入系统的，PLC扫描输入点是按输入点编号的先后顺序进行的，因此中断源的先后顺序只要按输入点编号的顺序排列即可。系统接到中断申请后，顺序扫描中断源，它可能只有一个中断源申请中断，也可能同时有多个中断源申请中断。系统在扫描中断源的过程中，就在存储器的一个特定区建立起“中断处理表”，按顺序存放中断信息，中断源被扫描过后，中断处理表亦已建立完毕，系统就按该表顺序先后转至相应的中断子程序入口地址去工作。必须说明的是，多中断源可以有优先顺序，但无嵌套关系。即中断程序执行中，若有新的中断放生，不论新中断的优先顺序如何，都要等执行中的中断处理结束后，再进行新的中断处理。所以在PLC系统工作中，当转入下一个中断服务子程序时，并不自动关闭中断，所以也没有必要去开启中断。3.中断服务程序执行结果信息输出问题PLC按巡回扫描方式工作，正常的输入/输出在扫描周期的一定阶段进行，这给外设希望及时响应带来了困难。采用中断输入，解决了对输入信号的高速响应。当中断申请被响应，在执行中断子程序后有关信息应当尽早送到相关外设，而不希望等到扫描周期的输出传送阶段，就是说对部分信息的输入或输出要与系统CPU的周期扫描脱离，可利用专门的硬件模块（如快速响应I/O模块）或通过软件利用专门指令使某些I/O立即执行来解决。第3章可编程控制器的软件构成教学目的要求：通过教学，使学生明确PLC系统程序的作用和用户程序，掌握用户工作环境中定时器、计数器和数据寄存器等元件的特性及应用，了解并会使用PLC的编程软件。教学方式：图片展示、理论讲解。展示设备：三菱FX系列可编程控制器。演示操作：多媒体课件。重点难点：PLC系统软件及用户软件的功能；PLC编程软元件的特性及用途；编程软件的使用。问题的提出：可编程控制器是工业控制计算机设备，其具有计算机的属性，除了完备的硬件外，还必须有对应的软件支持其工作。其软件有那些？作用是什么？将是本章要讨论的问题。3.1可编程控制器系统程序系统程序又称系统监控程序，是由PLC制造者设计的，用于PLC的运行管理。系统监控程序分系统管理程序、用户指令解释程序和专用标准程序块等。3.1.1系统管理程序系统管理程序用于整个PLC的运行管理，管理程序又分为三部分：第一部分是运行管理，控制可编程控制器何时输入、何时输出、何时运算、何时自检、何时通讯等等，进行时间上的分配管理。第二部分进行存贮空间的管理，即生成用户环境，由它规定各种参数、程序的存放地址，将用户使用的数据参数存贮地址转化为实际的数据格式及物理存放地址。它将有限的资源变为用户可直接使用的元件。例如，它将有限个数的CTC扩展为几十至上百个用户时钟和计数器。通过这部分程序，用户看到的就不是实际机器存贮地址和PIO、CTC的地址了，而是按照用户数据结构排列的元件空间和程序存贮空间了。第三部分是系统自检程序，它包括各种系统出错检验、用户程序语法检验、句法检验、警戒时钟运行等。在系统管理程序的控制下，整个可编程控制器就能按步就班地正确工作了。3.1.2用户指令解释程序系统监控程序的第二部分为用户指令解释程序。任何计算机最终都是根据机器语言来执行的，而机器语言的编制又是很麻烦的。为此，在可编程控制器中采用梯形图编程，将人们易懂的梯形图程序变为机器能懂的机器语言程序，即将梯形图程序逐条翻译成相应的一串机器码，这就是解释程序的任务。事实上，为了节省内存，提高解释速度，用户程序是以内码的形式存贮在可编程控制器中的。用户程序变为内码形式的这一步是由编辑程序实现的，它可以插入、删除、检查、查错用户程序，方便程序的调试。3.1.3标准程序模块和系统调用系统监控程序的第三部分就是标准程序模块和系统调用，这部分是由许多独立的程序块组成的，各自能完成不同的功能，有些完成输入、输出，有些完成特殊运算等。可编程控制器的各种具体工作都是由这部分程序来完成的，这部分程序的多少，就决定了可编程控制器性能的强弱。整个系统监控程序是一个整体，它质量的好坏很大程度上影响了可编程控制器的性能。因为通过改进系统监控程序就可在不增加任何硬件设备的条件下大大改善可编程控制器的性能，所以国外可编程控制器厂家对监控程序的设计非常重视，实际售出的产品中，其监控程序一直在不断地完善。3.2可编程控制器用户程序用户程序是用户根据控制要求，用PLC编程的软元件和编程语言（如梯形图、指令表、高级语言、汇编语言等）编制的应用程序，其助记符形式随可编程控制器型号的不同而略有不同。用户通过编程器或PC机写入到PLC的RAM内存中，可以修改和更新。当PLC断电时被锂电池保持。用户程序是线性地存贮在监控程序指定的存贮区间内，它的最大容量也是由监控程序确定的。3.3可编程控制器用户工作环境用户环境是由监控程序生成的，它包括用户数据结构、用户元件区分配、用户程序存贮区、用户参数、文件存贮区等。3.3.1用户数据结构用户数据结构分为三类：第一类为bit数据，即逻辑量，其值为“0”或“1”，它表示触点的通、断；线圈的得电与失电；标志的ON、OFF状态等。第二类为字数据，其数制、位长、形式都有很多形式。为使用方便通常都为BCD码的形式。在F1、F2系列中，一般为3位BCD，双字节为6位BCD码。FX2、A系列中为4位BCD，双字节为8位BCD码。书写时若为十进制数就冠以K（例如K789）；若为十六进制数就冠以H（例如H789）。数据处理时还可选用八进制、十六进制、ASCII码的形式。在FX2系列内部，常数都是以原码二进制形式存贮的，所有四则运算（+，-，×，÷）和加1/减1指令等在PLC中全部按BIN运算。因此，BCD码数字开关的数据输入PLC时，要用BCD→BIN转换传送指令。向BCD码的七段数码管或其它显示器输出时，要用BIN→BCD转换传送指令。但用功能指令如FNC72（DSW）、FNC74（SEGL）及FNC75（ARWS）时，BCD/BIN的转换由指令自动完成。由于对控制精度的要求越来越高，新型可编程控制器中开始采用浮点数，它极大地提高了数据运算的精度。第三类为字与bit的混合，即同一个元件有bit元件又有字元件。例如T（定时器）和C（计数器），它们的触点为bit，而设定值寄存器和当前值寄存器又为字。另外还有一些元件也属于此类。3.3.2元件（软元件）PLC的编程软元件实质上是存储器单元，每个单元都有惟一的地址。为了满足不同的功用，存储器单元作了分区，因此，也就有了不同类型的编程软元件。各种软元件有其不同的功能、有其固定的地址。元件的数量是由监控程序规定的，它的多少就决定了可编程控制器整个系统的规模及数据处理能力。每一种可编程控制器的元件数都是有限的。FX系列PLC部分元件的功能如下。1．输入/输出继电器（X，Y）（1）输入继电器（X0~X267）PLC的输入端子是从外部开关接收信号的窗口，与输入端子连接的输入继电器（X）是光电隔离的电子继电器，其常开触点和常闭触点的使用次数不限，这些触点在PLC内可以自由使用。输入继电器只能利用其触点，其线圈不能用程序驱动。（2）输出继电器（Y0~Y267）PLC的输出端子是向外部负载输出信号的窗口。输出继电器的外部输出触点（继电器触点，双向可控硅SSR，晶体管等输出元件）接到PLC的输出端子上。输出继电器的电子常开和常闭触点使用次数不限，其线圈由程序驱动，然而其外部输出触点（输出元件）与内部触点的动作有所不同。输入/输出继电器的功能如图3-1所示。图3-1输入／输出继电器2．辅助继电器（M）辅助继电器的线圈与输出继电器一样，由程序驱动。辅助继电器的电子常开和常闭触点使用次数不限，在PLC内可以自由使用。但是，这些触点不能直接驱动外部负载，外部负载必须由输出继电器驱动。在逻辑运算中经常需要一些中间继电器作为辅助运算用。这些元件不直接对外输入、输出，经常用作状态暂存、移动运算等，它的数量常比X、Y多。另外，在辅助继电器中还有一类特殊辅助继电器，它有各种特殊的功能，如定时时钟，进／借位标志，启动／停止，单步运行，通讯状态，出错标志等，这类元件数量的多少，在某种程度上反映了可编程控制器功能的强弱，能对编程提供许多方便。（1）通用辅助继电器M0~M499（500点）通用辅助继电器有500点，其元件号按十进制编号（MO～M499)。注意：除输人／输出继电器X/Y外，其它所有的软元件元件号均按十进制编号。（2）停电保持辅助继电器M500~M1023（524点）PLC在运行中若发生停电，输出继电器和通用辅助继电器全部成为断开状态。再运行时，除去PLC运行时就接通（ON）的以外，其他仍断开。但是，根据不同的控制对象，有的需要保存停电前的状态，并在再运行时再现该状态的情形。停电保持用辅助继电器（又名保持继电器）就是用于这种目的的。停电保持由PLC内装的后备电池支持。下图所示的是具有停电保持功能的辅助继电器的例子。在此电路中，X0接通后，M600动作，其后即使X0再断开，M600的状态也能保持。因此，若因停电X0断开，再运行时M600也能保持动作。但是，Xl的常闭触点若断开，M600就复位。SET、RST指令可通过瞬时动作（脉冲）使继电器状态保持。辅助辅助继电器有无穷多个触点，可在PLC中自由使用。这些触点不能直接驱动外部负载。外部负载应由输出继电器驱动。（3）特殊辅助继电器M8000～M8255（256点）特殊辅助继电器共256点，它们用来表示可编程控制器的某些状态，提供时钟脉冲和标志（如进位、借位标志），设定可编程序控制器的运行方式，或者用于步进顺控、禁止中断、设定计数器是加计数或是减计数等。特殊辅助继电器分为触点利用型和线圈驱动型两种。前者由可编程控制器的系统程序来驱劾其线圈，在用户程序中可直接使用其触点。如M8000（运行监视）：当可编程控制器执行用户程序时，M8000为ON；停止执行时，M8000为OFF（如图3-2）。M8002（初始化脉冲）：M8002仅在M8000由OFF变为ON状态时的一个扫描周期内为ON（如图3-2）,可以用M8002的常开触点来使有断电保持功能的元件初始化复位和清零。M8011-M8014分别是10ms,100ms，ls和lmin时钟脉冲。图3-2M8000、M8002、M8012波形图M8005（锂电池电压降低）：电池电压下降至规定值时变为ON，可以用它的触点驱动输出继电器和外部指示灯，提醒工作人员更换锂电池。线圈驱动型由用户程序驱动其线圈，使可编程控制器执行特定的操作，例如M8030的线圈“通电”后，“电池电压降低”发光二极管媳灭；M8033的线圈“通电”时，可编程控制器由RUN迸人STOP状态后，映像寄存器与数据寄存器中的内容保持不变；M8034的线圈“通电”时，禁止输出；M8039的线圈“通电”时，可编程序控制器以D8039中指定的扫描时间工作。3．状态元件（S）状态是用于编制顺序控制程序的一种编程元件，它与STL指令（步进梯形指令）一起使用。通用状态（S0～S499）没有断电保持功能，但是用程序可以将它们设定为有断电保持功能的状态，其中包括供初始状态用的S0～S9和供返回原点用的S10～S19。S500～S899有断电保待功能，S900-S999供报警器用。不使用步进指令时，可以把它们当作普通辅助继电器（M）使用。供报警器用的状态，可用于外部故障诊断的输出。4．报警器一部分的状态元件可用作外部故障诊断输出。作报警器用的状态元件为：S900～S99(100点)。5．指针（P/I）（1）分支用指针（P）分支指针P0～P127（共128点）用来指示跳转指令（CJ）的跳步目标和子程序调用指令（CALL）调用的子程序的人口地址，执行到子程序中的SRET（子程序返回）指令时返回去执行主程序。图3-3（a）中X20的常开触点接通时，执行条件跳步指令CJP0，跳转到指定的标号位置，执行标号后的程序。图3-3（b）中X10的常开触点接通时，执行子程序调用指令CALLP1，跳转到标号P1处，执行从P1开始的子程序，执行到SRET指令时返回主程序中CALLP1下面一条指令。（2）中断用指针（I）中断用指针用来指明某一中断源的中断程序入口标号，执行到IRET（中断返回）指令时返回主程序。图3-3给出了输入中断和定时器中断指针编号的意义。计数器用的中断号为I0口0（口＝1～6）。输入中断用来接收特定的输入地址号的输入信号，立即执行相应的中断服务程序，这一过程不受可编程控制器扫描工作方式的影响，因此使可编程控制器能迅速响应特定的外部输入信号。定时器中断使可编程控制器以指定的周期定时执行中断子程序，定时循环处理某些任务，处理的时间不受可编程控制器扫描周期的限制。计数器中断用于可编程控制器内置的高速计数器，根据高速计数器的计数当前值与计数设定值的关系来确定是否执行相应的中断服务子程序。图3-3指针（P/I）功能及应用图3-4中断指针6．定时器（T）（字、bit）图3-4中断指针可编程控制器中的定时器相当于继电器系统中的时间继电器。它有一个没定值寄存器（一个字长）、一个当前值寄存器（一个字长）和一个用来储存其输出触点状态的映像寄存器（占二进制的一位）。这3个存储单元使用同一个元件号。FX系列可编程控制器的定时器分为通用定时器和积算定时器。常数K可以作为定时器的设定值，也可以用数摒寄存器（D）的内容来设定。例如外部数字开关输入的数据可以存入数据寄存器，作为定时器的役定值。（1）通用定时器（T0～T245）T0～T199为100ms定时器，定时范围为0.1～3276.7s，其中T192～TI99为子程序和中断服务程序专用的定时器；T200～T245为10ms定时器（共46点），定时范围为0．01～327.67s。图3-4中XO的常开触点接通时，T200的当前值计数器从零开始，对10ms时钟脉冲进行累加计数。当前值等于设定值123时，定时器的常开触点接通，常闭触点断开，即T200的输出触点在其线圈被驱动1.23s后动作。XO的常开触点断开后，定时器被复位。它的常开触点断开，常闭触点接通，当前值恢复为零。如果需要在定时器的线圈“通电”时就动作的瞬动触点，可以在定时器线圈两端并联一个辅助继电器的线圈，并使用它的触点。通用定时器没有保持功能，在输入电路断开或停电时复位。（2）积算定时器（T246～T255）1ms积算定时器T246～T249的定时范围为0.001～32.767s，图3-4定时器100ms积算定时器T250～T255的设定范围为0.1～3276.7s。X1的常开触点接通时（见图3-6），T250的当前值计数器对100ms时钟脉冲进行累加计数。当前值等于设定值345时，定时器的常开触点接通，常闭触点断开。X1的常开触点断开或停电时停止计时，当前值保持不变。X1的常开触点再次接通或复电时继续计时，累计对问（）为34.5s时，T250的触点动作。X2的常开触点接通时T250复位。定时器只能提供其线圈“通电”后延迟动作的触点，如果需要在它的线圈“断电”后延迟动作，可以使用图3-5所示的电路。（3）定时器的定时精度定时器的最大误差约为〔为扫描周期〕和。对于1s，10ms和100ms定时器，分别为1ms，10ms和l00ms。图3-4积算定时器图3-5断电延迟动作定时梯形图7．计数器（C）（字、bit）（1）内部计数器内部计数器用来对PLC内部信号Ｘ、Ｙ、M、Ｓ等计数，属低速计数器。内部计数器输入信号接通或断开的持续时何，应大于可编程控制器的扫描周期。a．16位加计数器16位加计数器的设定值为1～32767，其中C0～C99为通用型，C100～C199为断电保持型。图3-6给出了加计数器的工作过程，图中X10的常开触点接通后，C0被复位，它对应的位存储单元被置0，它的常开触点断开，常闭触点接通，同时其计数当前值被置为0。X11用来提供计数输入信号，当计数器的复位输人电路断开，计数输入电路由断开变为接通（即计数脉冲的上升沿）时，计数器的当前值加1。在9个计数脉冲之后，C0的当前值等于设定值9，它对应的位存储单元的内容被置1，其常开触点接通．常闭触点断开。再来计数脉冲时当前值不变，直到复位输入电路接通，计数器的当前值被置为0。除了可由常数K来设定计数器的设定值外，还可以通过指定数据寄存器来设定，这时设定值等于指定的数据寄存器中的数。图3-616位加计数器的工作过程b．32位加／减汁数器32位加／减计数器的设定值为－2147483648～＋2147483647，其中C200～C219（共20点）为通用型，C220～C234（共15点）为断电保持型。32位加／减计数器C200～C234的加／减计数方式由特殊辅助继电器M8200～M8234设定，对应的特殊辅肋继电器为ON时，为减计数；反之为加计数。计数器的设定值除了可由常数K设定外，还可以通过指定数据寄存器来设定，32位设定值存放在元件号相连的两个数据寄存器中。如果指定的是D0，则设定值存放在D1和D0中。32位加／减计数器的图3-7加/减计数器设定值可正可负。图3-7中C200的设定值为5，在加计数时，若什数器的当前值由4变5，计数器的输出触点ON，当前值≥5时，输出触点仍为ON。当前值由5变4时，输出触点OFF，当前值≤4时，输出触点仍为OFF。复位输入X13的常开触点接通时，C200被复位，其常开触点断开，常闭触点接通，当前值被置为0。如果使用断电保持计数器，在电源中断时，计数器停止计数，并保持计数当前值不变，电源再次接通后在当前值的基础上继续计数，因此断电保持计数器可累计计数。（2）高速计数器21点高速计数器C235～C255共用可编程控制器的8个高速计数器输人端X0～X7，某一输入端同时只能供一个高速计数器使用。这21个计数器均为32位加／减计数器，C235～C240为一相无启动/复位输入端的高速计数器，C241～C245为一相带启动/复位端的高速计敛器，C246～C250为一相双计数输人（加／减脉冲输入）高速计数器。图3-8一相高速计数器表3-1给出了各高速计数器对应的输入端子的元件号，表中U，D分别为加、减计数输人。A、B分别为A、B相输入，R为复位输人，S为置位输人。图3-8中的C244是一相带启动/复位端的高速计数器。由表3-1可知，X1和X6分别为复位输人端和启动输入端。如果X12为ON，并且X6也为ON，立即开始计数，计数输入端为X0，C244的设定值由D0和D1指定。除了用X1来立即复位外，也可以在梯形图中用X11来复位。利用M8244，可以设置C244为加计数或减计数。图3-8一相高速计数器C25I～C255为两相（A－B相型）双计数输入高速计数器，图3-9中的X12为ON时，C251通过中断，对X0输入的A相信号和X1输人的B相信号的动作计数。X11为ON时C251被复位，当计数值大于等于设定值时Y2接通，若计数值小于设定值，Y2断开。图3-9两相高速计数器图3-9两相高速计数器A相输入接通时，若B相输人由断开变为接通，为加计数（见图3-9（b））；A相输人接通时，若B相由接通变为断开，为减计数（见图3-9（c））。加计数时M8251为OFF，减计数时M8251为ON，通过M8251可监视C251的加／减计数状态。利用旋转轴上安装的A－B相型编码器，在机械正转时自动进行加计数，反转时自动进行减计数。8．数据寄存器（D）（字）数据寄存器（D）在模拟量检测与控制以及位置控制等场合用来储存数据和参数，数据寄存器为16位（最高位为符号位）两个合并起来可以存放32位数据。（1）通用数据寄存器D0～D199特殊辅助继电器Ｍ8033为OFF时，通用数据寄存器D0～D199（共200点）无断电保持功能；M8033为ON时，D0～D199有断电保持功能。（2）断电保持数据寄存器D200～D7999数据寄存器D200～D511（共312点）有断电保持功能，利用外部设备的参数设定，可改变通用数据寄存器与有断电保持功能的数据寄存器的分配，D490～D509供通信用。D512～D7999的断电保持功能不能用软件改变。可围RST和ZRST指令清除它们的内容。以500点为单位，可将D1000～D7999设为文件寄存器。（3）特殊数据寄存器D8000～D8255特殊数据寄存器D8000～D8255共256点，用来监控可编程控制器的运行状态，如电池电压、扫描时间、正在动作的状态的编号等。（4）变址寄存器V0－V7和ZO－Z7变址寄存器V0～V7和Z0～Z7的内容用来改变编程元件的元件号，当V0=8时，数据寄存器元件号D5V0相当于D13（5＋8=13）。在32位操作时将V，Z合并使用，Z为低位。表3-1高速计数器简表中断输入1相1计数输入1相2计数输入2相2计数输入C235C236C237C238C239C240C241C242C243C244C245C246C247C248C249C250C251C252C253C254C255X000U/DU/DU/DUUUAAAX001U/DRRDDDBBBX002U/DU/DU/DRRRRX003U/DRRUUAAX004U/DU/DDDBBX005U/DRRRRRX006SSSX007SSS

SHAPE3.4可编程控制器编程软件随着PLC技术的发展，其编程软件呈现多样化和高级化发展趋势。由于可编程控制器类型较多，各个不同机型对应的编程软件也是有一定的差别，特别是各个生产厂家的可编程控制器之间，它们的编程软件不能通用，这一点请读者注意的。3.4.1编程软件编程语言表达方式可编程控制器与一般的计算机相类似，在软件方面有系统软件和应用软件之分，只是可编程控制器的系统软件由可编程控制器生产厂家固化在ROM中，一般的用户只能在应用软件上进行操作，即通过编程软件来编制用户程序。编程软件是由可编程控制器生产厂家提供的编程语言，至今为止还没有一种能适合各种可编程控制器的通用的编程语言，但是各个可编程控制器发展过程有类似之处，可编程控制器的编程语言即编程工具都大体差不多，一般有如下五种表达方式。1．梯形图（LadderDiagram）梯形图是一种以图形符号及图形符号在图中的相互关系表示控制关系的编程语言，它是从继电器控制电路图演变过来的。梯形图将继电器控制电路图进行简化，同时加进了许多功能强大、使用灵活的指令，将微机的特点结合进去，使编程更加容易，而实现的功能却大大超过传统继电器控制电路图，是目前最普通的一种可编程控制器编程语言。梯形图及符号的画法应按一定规则，各厂家的符号和规则虽不尽相同，但基本上大同小异，如图3-10所示。图3-10三种不同的梯形图a)欧姆龙b)松下c)三菱对于梯形图的规则，总结有以下具有共性的几点，如表3-2所示，以便读者加深对可编程控制器编程的认识和学习。表3-2可编程控制器部分符号意义输入动合触点输入动断触点输出继电器输出继电器动合触点欧姆龙松下三菱注释欧姆龙：00□□表示输入触点松下：X□表示输入触点三菱：X□表示输入触点欧姆龙：05□□表示输出触点（或线圈）松下：Y□表示输出触点（或线圈）三菱：Y□表示输出触点（或线圈）（1）梯形图中只有动合和动断两种触点。各种机型中动合触点和动断触点的图形符号基本相同，但它们的元件编号不相同，随不同机种、不同位置（输入或输出）而不同。统一标记的触点可以反复使用，次数不限，这点与继电器控制电路中同一触点只能使用一次不同。因为在可编程控制器中每一触点的状态均存入可编程控制器内部的存储单元中，可以反复读写，故可以反复使用。（2）梯形图中输出继电器（输出变量）表示方法也不同，有圆圈、括弧和椭圆表示，而且它们的编程元件编号也不同，不论哪种产品，输出继电器在程序中只能使用一次。（3）梯形图最左边是起始母线，每一逻辑行必须从起始母线开始画。梯形图最左边还有结束母线，一般可以将其省略。（4）梯形图必须按照从左到右、从上到下顺序书写，可编程控制器是按照这个顺序执行程序。（5）梯形图中触点可以任意的串联或并联，而输出继电器线圈可以并联但不可以串联。（6）程序结束后应有结束符。2．指令表（InstructionList）梯形图编程语言优点是直观、简便，但要求用带CRT屏幕显示的图形编程器才能输入图形符号。小型的编程器一般无法满足，而是采用经济便携的编程器（指令编程器）将程序输入到可编程控制器中，这种编程方法使用指令语句（助记符语言），它类似于微机中的汇编语言。语句是指令语句表编程语言的基本单元，每个控制功能有一个或多个语句组成的程序来执行。每条语句规定可编程控制器中CPU如何动作的指令，它是由操作码和操作数组成的。操作码用助记符表示要执行的功能，操作数（参数）表明操作的地址或一个预先设定的值。欧姆龙、松下、三菱可编程控制器指令语句程序见表3-3。表3-3几种不同型号PLC指令表机型步序操作码（助记符）操作数参数说明欧姆龙12345LDORANDNOTOUTEND0000050000010500─逻辑行开始，动合触点0000从母线开始并联输出继电器的动合触点0500串联输入继电器动断触点0001输出继电器0500输出，逻辑行结束程序结束松下12345STORANIOTEDX0Y1X1Y0─逻辑行开始，动合触点X0从母线开始并联输出继电器的动合触点Y1串联输入继电器动断触点X1输出继电器Y0输出，逻辑行结束程序结束三菱12345LDORANIOUTENDX0Y1X1Y0─逻辑行开始，动合触点X0从母线开始并联输出继电器的动合触点Y1串联输入继电器动断触点X1输出继电器Y0输出，逻辑行结束程序结束3．顺序功能图（SequentialChart）顺序功能图常用来编制顺序控制类程序。它包含步、动作、转换三个要素。顺序功能编程法可将一个复杂的控制过程分解为一些小的顺序控制要求连接组合成整体的控制程序。顺序功能图法体现了一种编程思想，在程序的编制中具有很重要的意义。在介绍步进梯形指令时将详细介绍顺序功能图编程法。图3-11所示为顺序功能图。图3-11顺序功能图4．功能块图（FunctionBlockDiagram）功能图编程语言实际上是用逻辑功能符号组成的功能块来表达命令的图形语言，与数字电路中逻辑图一样，它极易表现条件与结果之间的逻辑功能。图3-12所示为先“或”后“与”再输出操作的功能块图。由图可见，这种编程方法是根据信息流将各种功能块加以组合，是一种逐步发展起来的新式的编程语言，正在受到各种可编程控制器厂家的重视。图3-12功能块图编程语言图5．结构文本（StructureText）随着可编程控制器的飞速发展，如果许多高级功能还是用梯形图来表示，会很不方便。为了增强可编程控制器的数字运算、数据处理、图表显示、报表打印等功能，方便用户的使用，许多大中型可编程控制器都配备了PASCAL、BASIC、C等高级编程语言。这种编程方式叫做结构文本。与梯形图相比，结构文本有两个很大优点，其一，是能实现复杂的数学运算，其二，是非常简洁和紧凑。用结构文本编制极其复杂的数学运算程序只占一页纸。结构文本用来编制逻辑运算程序也很容易。以上编程语言的五种表达式是由国际电工委员会（IEC）1994年5月在可编程控制器标准中推荐的。对于一款具体的可编程控制器，生产厂家可在这五种表达方式提供其中的几种编程语言供用户选择。也就是说，并不是所有的可编程控制器都支持全部的五种编程语言。可编程控制器的编程语言是可编程控制器应用软件的工具。它以可编程控制器输入口、输出口、机内元件之间的逻辑及数量关系表达系统的控制要求，并存储在机内的存储器中，即所谓的“存储逻辑”。3.4.2编程器的形式可编程控制器的编程器可实现程序的写入、调试及监控，其一般有两种：专用编程器和简易编程器。当可编程控制器刚诞生的相当一段时间里，基本上以上述两种编程器对可编程控制器进行编程操作。西门子公司曾专门为S5系列的可编程控制器设计制造专用编程器，如PG710系列，但其价格相当贵，携带不是很方便。简易编程器对各个可编程控制器的生产厂家而言，均有对应产品，如西门子的PG635，三菱的FX-20P-E等。简易编程器由于携带方便，非常适合于生产现场的调试，但它使用时不是很直观。随着计算机技术的发展，微机的性能价格比越来越高，可编程控制器的功能也越来越强大了，此时各个可编程控制器生产厂家把目光投入到编程软件的开发上，到目前为止，可编程控制器的用户一般利用微机结合编程软件再加上编程电缆，就可以形成一个功能强大的编程器了。3.4.3编程软件简介1．利用PC-09编程电缆，连接PLC与微机。2．启动FXGP/WIN-C软件图3-13运行SWOPC-FXGP/WIN-C软件后，将出现初始启动画面，点击初始启动界面菜单栏中“文件”菜单，并在下拉菜单条中选取“新文件”菜单条，即出现图3-13所示的界面。选择FX2N机型，点击“确认”按钮后，则出现程序编辑主界面，如图3-14所示。主界面包含以下几个分区：菜单栏（包括11个主菜单项），工具栏（快捷操作窗口），用户编辑区，编辑区下边分别是状态栏及功能键栏，界面右侧还可以看到功能图栏。下面分别予以说明。（1）菜单栏菜单栏是以下拉菜单形式进行操作，菜单栏中包含“文件”、“编辑”、“工具”、“查找”、“视图”、“PLC”、“遥控”、“监控及调试”等菜单项。点击某项菜单项，弹出该菜单项的菜单条，如“文件”菜单项包含新建、打开、保存、另存为、打印、页面设置等菜单条，“编辑”菜单项包含剪切、复制、粘贴、删除等菜单条，这两个菜单项的主要功能是管理、编辑程序文件。菜单条中的其他项目，如“视图”菜单项功能涉及编程方式的变换，“PLC”菜单项主要进行程序的下载、上传传送，“监控及调试”菜单项的功能为程序的调试及监控等操作。图3-14（2）工具栏工具栏提供简便的鼠标操作，将最常用的SWOPC-FXGP/WIN-C编程操作以按钮形式设定到工具栏上。可以利用菜单栏中的“视图”菜单选项来显示或隐藏工具栏。菜单栏中涉及的各种功能在工具栏中都能找到。（3）编辑区编辑区用来显示编程操作的工作对象。可以使用梯形图、指令表等方式进行程序的编辑工作。使用菜单栏中“视图”菜单项中的梯形图及指令表菜单条，实现梯形图程序与指令表程序的转换。也可利用工具栏中梯形图及指令表的按钮实现梯形图程序与指令表程序的转换。（4）状态栏，功能键栏及功能图栏编辑区下部是状态栏，用于表示编程PLC类型，软件的应用状态及所处的程序步数等。状态栏下为功能键栏，其与编辑区中的功能图栏都含有各种梯形图符号，相当于梯形图绘制的图形符号库。3．程序编辑操作（1）采用梯形图方式时的编辑操作采用梯形图编程是在编辑区中绘出梯形图，打开“文件”菜单项目中的新文件，菜单条时，主窗口左边可以见到一根竖直的线，这就是梯形图中左母线。蓝色的方框为光标，梯形图的绘制过程是取用图形符号库中的符号，“拼绘”梯形图的过程。比如要输入一个常开触点，可点击功能图栏中的常开触点，也可以在“工具”菜单中选“触点”，并在下拉菜单中点击“常开触点”的符号，这时出现图3-15的对话框，在对话框中输入触点的地址及其他有关参数后点击“确认”按钮，要输入的常开触点及其他地址就出现在蓝色光标所在的位置。图3-15如需输入功能指令时，点击工具菜单中的“功能”菜单或点击功能图栏及功能键中的功能按钮，即可弹出如图3-16所示的对话框。然后在对话框中填入功能指令的助记符及操作数，点击“确认”即可。图3-16这里要注意的是功能指令的输入格式一定要符合要求，如助记符与操作数间要空格，指令的脉冲执行方式中加的“P”与指令间不空格，32位指令需在指令助记符前加“D”且也不空格。梯形图符号间的连线可通过工具菜单中的“连线”菜单选择水平线与竖线完成。另外还需注意，不论绘制什么图形，先要将光标移到需要绘这些符号的地方。梯形图符号的删除可利用计算机的删除键，梯形图竖线的删除可利用菜单栏中“工具”菜单中的竖线删除。梯形图元件及电路块的剪切，复制和粘贴等方法与其他编辑类软件操作相似。还有一点需强调的是，当绘出的梯形图需保存时要先点击菜单栏中“工具”项下拉菜单的“转换”成功后才能保存，梯形图未经转换点击保存按钮存盘即关闭编辑软件，编绘的梯形图将丢失。（2）采用指令表方式的编程操作采用指令表编程时可以在编辑区光标位置直接输入指令表，一条指令输入完毕后，按回车键光标移至下一条指令，则可输入下一条指令。指令表编辑方式中指令的修改也十分方便，将光标移到需修改的指令上，重新输入新指令即可。程序编制完成后可以利用菜单栏中的“选项”菜单项下“程序检查”功能对程序做语法及双线圈的检查，如有问题，软件会提示程序存在的错误。请完成以下程序的输入：4．程序的下载程序编辑完成后需下载到PLC中运行，这时需点击菜单栏中“PLC”菜单，在下拉菜单中再选“传送”及“写入”即可将编辑完成的程序下载到PLC中，传送菜单中的“读入”命令则用于将PLC中的程序读入编程计算机中修改。PLC中一次只能存入一个程序。下载新程序后，旧的程序即被删除。5．程序的调试及运行监控程序的调试及运行监控是程序开发的重要环节，很少有程序一经编制就是完善的，只有经过试运行甚至现场运行才能发现程序中不合理的地方并且进行修改。SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件具有监控功能，可用于程序的调试及监控。（1）程序的运行及监控程序下载后仍保持编程计算机与PLC的联机状态并启动程序运行，编辑区显示梯形图状态下，点击菜单栏中“监控/测试”菜单项后，选择“开始监控”