PLC 技术培训班 (第1讲)基本原理

中核集团的领导和工程师们！中核集团的领导和工程师们！北京机械工业自动化研究所8/17/20221参加参加PLC技术培训班的技术培训班的全体学员！全体学员！北京精诚智合教学科技有限公司8/17/20222l第第1 1讲可编程控制器的基本原理讲可编程控制器的基本原理l第第2 2讲讲STEP 7STEP 7编程软件编程软件l第第3 3讲讲PLC PLC 指令系统介绍指令系统介绍l上机练习上机练习l第第4 4讲讲IEC 61131-3IEC 61131-3编程语言标准编程语言标准l第第5 5讲现场总线讲现场总线l上机练习上机练习l第第6 6讲讲WinCCWinCC组态软件组态软件培培 训训 计计 划划8/17/20223陈忠华陈忠华 教授教授E-mail:8/17/20224 PLC PLC（可编程控制器）是上个世纪（可编程控制器）是上个世纪6060年代发展起来的一种年代发展起来的一种新型自动化控制装置。最早是用于替代传统的继电器控制装置，新型自动化控制装置。最早是用于替代传统的继电器控制装置，功能上只有逻辑计算、计时、计数以及顺序控制等，而且只能功能上只有逻辑计算、计时、计数以及顺序控制等，而且只能进行开关量控制。因此，其英文原名为进行开关量控制。因此，其英文原名为“Programmable Logic Programmable Logic Controller”Controller”，简称，简称PLCPLC，中文称，中文称“可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器”。后来，。后来，随着技术的进步，其控制功能已经远远超出逻辑控制的范畴，随着技术的进步，其控制功能已经远远超出逻辑控制的范畴，其名称也就改为其名称也就改为“Programmable Controller”Programmable Controller”，简称，简称PCPC。但。但PCPC又容易与个人计算机又容易与个人计算机“Personal Computer”Personal Computer”的简称的简称PCPC产生混淆，产生混淆，所以近年来人们又倾向于使用所以近年来人们又倾向于使用PLCPLC这一简称，中文仍然称这一简称，中文仍然称“可编可编程控制器程控制器”。8/17/20225 上个世纪上个世纪6060年代，由于美国汽车工业需要进行大规模的技术改造年代，由于美国汽车工业需要进行大规模的技术改造和设备更新，由传统的继电器控制装置来进行控制，不仅体积庞和设备更新，由传统的继电器控制装置来进行控制，不仅体积庞大，故障率高，柔性差，不灵活，耗能，而且调试困难，可靠性大，故障率高，柔性差，不灵活，耗能，而且调试困难，可靠性也差年由美国通用汽车公司提出使用新一代控制器的也差年由美国通用汽车公司提出使用新一代控制器的设想从用户的角度考虑，该公司对新一代控制器提了点要设想从用户的角度考虑，该公司对新一代控制器提了点要求，为各大公司提供了明确的开发目标次年，就由美国求，为各大公司提供了明确的开发目标次年，就由美国DEC（数字设备公司）首先研制成功第一台可编程逻辑控制器数字设备公司）首先研制成功第一台可编程逻辑控制器PDP-14差不多同时，美国差不多同时，美国MODICON公司也研制出公司也研制出084控制器它控制器它们的问世，引起了全世界的瞩目，美国的其他公司和西欧，日本们的问世，引起了全世界的瞩目，美国的其他公司和西欧，日本等工业发达国家，也相继研究开发出类似的产品等工业发达国家，也相继研究开发出类似的产品8/17/20226 由于由于PLCPLC吸取微电子技术和计算机技术的最新成果，因吸取微电子技术和计算机技术的最新成果，因此，发展十分迅速，从单机自动化到整条生产线的自此，发展十分迅速，从单机自动化到整条生产线的自动化，乃至整个工厂的生产自动化，从柔性制造系统，动化，乃至整个工厂的生产自动化，从柔性制造系统，工业机器人到大型分散型控制系统，工业机器人到大型分散型控制系统，PLCPLC均担当着重要均担当着重要角色。角色。PLCPLC技术代表了当今电气程序控制的最先进水平。通过技术代表了当今电气程序控制的最先进水平。通过PLCPLC与各种单元自动化装置（例如，智能仪表、数字化与各种单元自动化装置（例如，智能仪表、数字化传动装置、智能的液压和气动阀组等）以及现场总线、传动装置、智能的液压和气动阀组等）以及现场总线、计算机网络系统，构成了车间和工厂自动化的完整体计算机网络系统，构成了车间和工厂自动化的完整体系。系。8/17/20227PLCPLC的应用范围广泛的应用范围广泛可编程控制器应用非常广泛，近年来对国内进行的可编程控制器应用非常广泛，近年来对国内进行的调查，在各个领域应用分布大致如下：调查，在各个领域应用分布大致如下：钢铁和有色冶金钢铁和有色冶金 3535汽车和机械制造汽车和机械制造 20%20%轻工，食品，包装，造纸轻工，食品，包装，造纸16%16%化工，石油，工艺过程化工，石油，工艺过程13%13%交通运输，矿山交通运输，矿山7%7%能源，电站，泵站，水处理能源，电站，泵站，水处理7%7%科研试验，教学科研试验，教学2%2%8/17/20228PLCPLC发明之前传统控制装置的缺点发明之前传统控制装置的缺点 在在PLCPLC发明之前，在工业控制的顺序控制领域内，常常采用发明之前，在工业控制的顺序控制领域内，常常采用诸如继电器，鼓式开关，纸带阅读器等机械，电气式器件作诸如继电器，鼓式开关，纸带阅读器等机械，电气式器件作为控制元件，尤其是控制继电器，在离散制造过程控制领域为控制元件，尤其是控制继电器，在离散制造过程控制领域内，成为开关控制系统中最广泛使用的器件但是，随内，成为开关控制系统中最广泛使用的器件但是，随着工业现代化的发展，生产规模越来越大，劳动生产率及产着工业现代化的发展，生产规模越来越大，劳动生产率及产品质量的要求在不断提高，对于控制系统的可靠性也提出了品质量的要求在不断提高，对于控制系统的可靠性也提出了更高的要求，原有继电器控制系统已不适应需要，究其更高的要求，原有继电器控制系统已不适应需要，究其原因是：原因是：动作缓慢动作缓慢，寿命短，可靠性差寿命短，可靠性差，体积大，耗电多，体积大，耗电多，设计制造周期长，程序修改费时设计制造周期长，程序修改费时，不能实现与计算机对话不能实现与计算机对话8/17/20229 到到6060年代后期，虽然小型计算机已日趋完善，应用年代后期，虽然小型计算机已日趋完善，应用领域也在不断扩大，但小型计算机用于开关控制系统，领域也在不断扩大，但小型计算机用于开关控制系统，又显然存在着大马拉小车的状态，这是由于小型又显然存在着大马拉小车的状态，这是由于小型计算机：计算机：编程复杂，要求有较高水平的编程人员和操作人员，编程复杂，要求有较高水平的编程人员和操作人员，需要配套非标准的外部接口，对环境和现场条件的要求需要配套非标准的外部接口，对环境和现场条件的要求过高，功能过剩，机器资源未能充分利用，过高，功能过剩，机器资源未能充分利用，造价高昂。造价高昂。8/17/202210 需要与可能，促使人们寻求新的出路，需要与可能，促使人们寻求新的出路，PLCPLC即即应运而生它首先应用于美国的汽车工业，这应运而生它首先应用于美国的汽车工业，这时的时的PLCPLC，用了固态（集成）电路来代替继电，用了固态（集成）电路来代替继电器逻辑电路，用存储器电路中的存储数位（程器逻辑电路，用存储器电路中的存储数位（程序）来代替继电器系统的布线，以程序来规定序）来代替继电器系统的布线，以程序来规定逻辑关系；用固态逻辑关系；用固态I/OI/O电路来检测按钮和限位电路来检测按钮和限位开关的信号，给出输出以控制电机和其它执行开关的信号，给出输出以控制电机和其它执行机构机构 8/17/202211 这时的这时的PLCPLC系统已开始具有如下一些特点：系统已开始具有如下一些特点：环境适应性较强，可以使用于车间现场环境适应性较强，可以使用于车间现场,有较高的可靠性和诊断能力，维修容易有较高的可靠性和诊断能力，维修容易,基本能适应不同的制造过程所需，柔性度有了较基本能适应不同的制造过程所需，柔性度有了较 大提高，只要改变系统中的程序即可改变控制大提高，只要改变系统中的程序即可改变控制 逻辑，而无需改造或更换控制硬件等逻辑，而无需改造或更换控制硬件等8/17/202212 自自19761976年以来，微处理器开始引入年以来，微处理器开始引入PLCPLC领域，大大加领域，大大加强了强了PLCPLC的作用，使的作用，使PLCPLC由简单地代替继电器电路，而由简单地代替继电器电路，而发展为先进的控制装置当今发展为先进的控制装置当今PLCPLC具有采集与处理大具有采集与处理大量数据，完成数学运算，与其它智能器件通信的能力，量数据，完成数学运算，与其它智能器件通信的能力，以及具有先进的人机对话手段（如键盘，以及具有先进的人机对话手段（如键盘，CRTCRT和语和语音对话）音对话）,近年来由于现场总线理念的出现和相关近年来由于现场总线理念的出现和相关标准的建立，以及产品的迅速发展，标准的建立，以及产品的迅速发展，PLC PLC成为现场总成为现场总线的一个重要组成部分，进一步扩大了线的一个重要组成部分，进一步扩大了PLCPLC的应用领的应用领域域8/17/202213 由于由于PLCPLC同时提高了功能和柔性度，使其应用迅同时提高了功能和柔性度，使其应用迅速增长，并普及到许多其它离散零件制造工业领速增长，并普及到许多其它离散零件制造工业领域以及随后又扩展到批量生产和连续生产过程域以及随后又扩展到批量生产和连续生产过程有关的工业领域随着有关的工业领域随着CIMSCIMS（计算机集成制造系（计算机集成制造系统）的发展，统）的发展，PLCPLC当前还被人们用于工厂通信网络当前还被人们用于工厂通信网络之中，与其它智能控制器和计算机系统一起，成之中，与其它智能控制器和计算机系统一起，成为计算机综合控制系统中的重要组成部分，特别为计算机综合控制系统中的重要组成部分，特别是单元级和工作站级是单元级和工作站级8/17/202214 第一阶段：开发的第一阶段：开发的PLCPLC容量较小，容量较小，I/OI/O点数小于点数小于120120点用户点用户存储区容量在存储区容量在2KB2KB左右，扫描速率为左右，扫描速率为2050ms/KB,2050ms/KB,指令较为指令较为简单，只有逻辑运算，计时，计数等，编程语言采用简单简单，只有逻辑运算，计时，计数等，编程语言采用简单的语句表语言使用上，主要用来作开关量控制的语句表语言使用上，主要用来作开关量控制 第二阶段：第二阶段：PLCPLC的容量有所扩展，的容量有所扩展，I/OI/O点数从点数从512512点至点至10241024点，点，用户程序存储区扩展到用户程序存储区扩展到8KB8KB以上，速率也有提高，扫描速率以上，速率也有提高，扫描速率达到达到56ms/KB,56ms/KB,指令功能除了基本的逻辑运算，计时，计指令功能除了基本的逻辑运算，计时，计数外，还增加了算术运算指令，比较指令，以及模拟量处数外，还增加了算术运算指令，比较指令，以及模拟量处理指令等，输入输出类型也由纯开关量理指令等，输入输出类型也由纯开关量I/OI/O，扩展为带模，扩展为带模拟量的拟量的I/OI/O编程语言除了使用语句表外，还可以使用梯形编程语言除了使用语句表外，还可以使用梯形图编程语言图编程语言8/17/202215 第三阶段：进入第三阶段：进入8080年代以来，随着大规模和超大规模年代以来，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展，以集成电路等微电子技术的迅猛发展，以1616位和位和3232位微处位微处理器构成的理器构成的PLCPLC得到惊人的发展，其功能远远超出了上得到惊人的发展，其功能远远超出了上述两阶段的产品使述两阶段的产品使PLCPLC在概念，设计，性能价格比在概念，设计，性能价格比以及应用方面都有了新的突破这一阶段的产品向大型以及应用方面都有了新的突破这一阶段的产品向大型和小型两个方向发展大型产品的和小型两个方向发展大型产品的I/OI/O点数，超出点数，超出40004000点，有些产品达到点，有些产品达到80008000个个I/OI/O点，用户存储区容量超过点，用户存储区容量超过32KB32KB，配置有各种智能模块（例如，温度控制模块，轴，配置有各种智能模块（例如，温度控制模块，轴定位模块，过程控制模块等）和通信模块，扫描速率也定位模块，过程控制模块等）和通信模块，扫描速率也大大提高，达到大大提高，达到0.47ms/KB0.47ms/KB。8/17/202216 第三阶段第三阶段PLCPLC的指令功能，除了基本的逻辑运算，计时，计的指令功能，除了基本的逻辑运算，计时，计数，顺序控制外，还有算术浮点运算指令，数，顺序控制外，还有算术浮点运算指令，PIDPID调节功能指调节功能指令，图形组态功能指令，网络和通信指令等编程语言普令，图形组态功能指令，网络和通信指令等编程语言普遍采用梯形图语言，同时也使用语句表和顺序功能图语言遍采用梯形图语言，同时也使用语句表和顺序功能图语言（典型的有（典型的有GRAFCETGRAFCET语言）为了提高系统的可靠性，设计语言）为了提高系统的可靠性，设计上考虑了容错技术和冗余技术等这一阶段的小型产品向上考虑了容错技术和冗余技术等这一阶段的小型产品向超小型化和加强型功能发展，有超小型化和加强型功能发展，有1616点点I/OI/O，2424点点I/OI/O的整体的整体型小型型小型PLCPLC，在小型，在小型PLCPLC上配置模拟量上配置模拟量I/OI/O，通信口，高速计，通信口，高速计数，指令上也设置有算术运算，比较指令以及数，指令上也设置有算术运算，比较指令以及PIDPID调节指调节指令小型令小型PLCPLC使用的手握式编程器使用大面积液晶显示器，使用的手握式编程器使用大面积液晶显示器，也可以用梯形图和也可以用梯形图和GRAFCETGRAFCET语言进行编程语言进行编程8/17/202217 这一阶段这一阶段PLCPLC的软件设计也有很大改进，普遍实的软件设计也有很大改进，普遍实现了软件模块化设计，在现了软件模块化设计，在PLCPLC产品上提供大量的通产品上提供大量的通用和专用软件功能模块，用户通过简单的功能调用和专用软件功能模块，用户通过简单的功能调用就可实现复杂的控制任务，给使用带来极大的用就可实现复杂的控制任务，给使用带来极大的方便使用的编程器越来越完善，专用编程器实方便使用的编程器越来越完善，专用编程器实际上已经是一台个人计算机，可以实现离线编程际上已经是一台个人计算机，可以实现离线编程或在线编程及监控，程序打印以及程序固化，实或在线编程及监控，程序打印以及程序固化，实现图形组态，可以联网（即挂在现图形组态，可以联网（即挂在PLCPLC网络上）网络上）。有有些编程器还可以使用高级语言些编程器还可以使用高级语言。8/17/202218 除了专用编程器外，很多除了专用编程器外，很多PLCPLC可以使用通用的笔记可以使用通用的笔记本电脑实现编程，开发一些专用软件，充分利用个本电脑实现编程，开发一些专用软件，充分利用个人计算机的能力，完成各种高级的编程功能，省却人计算机的能力，完成各种高级的编程功能，省却了专用编程器，既便于推广又节省投资随着技术了专用编程器，既便于推广又节省投资随着技术的进步，的进步，PLCPLC的功能越来越强，应用范畴越来越广，的功能越来越强，应用范畴越来越广，与其它工业控制机，例如，分散型控制系统（与其它工业控制机，例如，分散型控制系统（DCSDCS）的界限已经不十分明显，很多以往必须由分散型控的界限已经不十分明显，很多以往必须由分散型控制系统来完成的控制，现在用制系统来完成的控制，现在用PLCPLC都能实现，因此都能实现，因此在应用上交错已经成为普遍现象在应用上交错已经成为普遍现象8/17/202219 根据根据IECIEC标准，给标准，给PLCPLC下的定义：下的定义：它是在工业环境中使用的数字操作的电子系统，它是在工业环境中使用的数字操作的电子系统，它使用可编程存储器内部储存用户设计的指令，它使用可编程存储器内部储存用户设计的指令，这些指令用来实现特殊的功能，诸如逻辑运算，这些指令用来实现特殊的功能，诸如逻辑运算，顺序操作，定时，计数以及算术运算和通过数顺序操作，定时，计数以及算术运算和通过数字或模拟输入输出来控制各种类型的机械或字或模拟输入输出来控制各种类型的机械或过程过程。8/17/202220 1.1.控制程序可变，具有很好的柔性，在生产工艺流程改控制程序可变，具有很好的柔性，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变变或生产设备更新的情况下，不必改变PLCPLC的硬设备，只需的硬设备，只需改变程序就可满足要求因此，除单机控制外，改变程序就可满足要求因此，除单机控制外，PLCPLC在柔性在柔性制造单元（制造单元（FMCFMC）,柔性制造系统（柔性制造系统（FMSFMS），以致工厂自动化），以致工厂自动化（FAFA）中也被大量采用）中也被大量采用 2.2.具有高度可靠性，适用于工业环境，具有高度可靠性，适用于工业环境，PLCPLC产品的平均故产品的平均故障间隔时间（障间隔时间（MTBFMTBF）一般可达到）一般可达到5 5年以上，因此是一种高度年以上，因此是一种高度可靠的工业产品，大大提高了生产设备的运行效率可靠的工业产品，大大提高了生产设备的运行效率PLCPLC不不要求专用设备的机房，这为工业现场的大量直接使用提供要求专用设备的机房，这为工业现场的大量直接使用提供了方便了方便8/17/202221 3.3.功能完善现代功能完善现代PLCPLC具有数字和模拟量输入输出，具有数字和模拟量输入输出，逻辑和算术运算，定时，计数，顺序控制，逻辑和算术运算，定时，计数，顺序控制，PIDPID调节，调节，各种智能模块，远程各种智能模块，远程I/OI/O模块，通信，人机对话，自模块，通信，人机对话，自诊断，记录和图形显示，组态等功能除了适用于离诊断，记录和图形显示，组态等功能除了适用于离散型开关量控制系统外，现在也能应用于连续的流程散型开关量控制系统外，现在也能应用于连续的流程控制系统，从而使设备的控制水平大大提高。控制系统，从而使设备的控制水平大大提高。8/17/202222 4.4.易于掌握，便于维修，由于易于掌握，便于维修，由于PLCPLC使用编程器进行编程使用编程器进行编程和监控，使用人员只需掌握工程上通用的梯形图语言（或和监控，使用人员只需掌握工程上通用的梯形图语言（或语句表，流程图）就可进行用户程序的编制和测试因此，语句表，流程图）就可进行用户程序的编制和测试因此，即使不太懂得计算机的操作人员，也能掌握和使用即使不太懂得计算机的操作人员，也能掌握和使用PLCPLC也也由于由于PLCPLC有完善的自诊断功能，输入输出均有明显的指示，有完善的自诊断功能，输入输出均有明显的指示，在线监控软件的功能很强，因此，很容易进行维修，能很在线监控软件的功能很强，因此，很容易进行维修，能很快查找出故障的原因快查找出故障的原因PLCPLC本身高可靠性也保证了故障的几本身高可靠性也保证了故障的几率是很低的体积小，省电，与传统的控制系统相比，率是很低的体积小，省电，与传统的控制系统相比，PLCPLC的体积很小，一台收录机一样大小的的体积很小，一台收录机一样大小的PLCPLC具有相当于三个具有相当于三个1.8m1.8m高继电器控制柜的功能高继电器控制柜的功能PLCPLC消耗的电能只是传统控制消耗的电能只是传统控制系统的系统的1/31/3至至1/2 1/2。8/17/202223 5.5.价格低廉随着集成电路芯片功能的提高，价格价格低廉随着集成电路芯片功能的提高，价格的降低，可编程控制器硬件的价格也一直不断地在下的降低，可编程控制器硬件的价格也一直不断地在下降根据最近市场统计，国外小型降根据最近市场统计，国外小型PLCPLC平均每一个平均每一个I/OI/O点为点为14-2014-20美元，中型美元，中型PLCPLC折算每个折算每个I/OI/O点为点为20-3520-35美元，美元，大型大型PLCPLC折算每个折算每个I/OI/O点为点为40-8040-80美元虽然美元虽然PLCPLC的软件的软件价格在系统中所占的比重在不断提高，但由于缩短了价格在系统中所占的比重在不断提高，但由于缩短了整个工程项目的设计，编程和投运费用以及缩短了整整个工程项目的设计，编程和投运费用以及缩短了整个投运周期，因此，使用个投运周期，因此，使用PLCPLC的总造价是低廉的，而且的总造价是低廉的，而且还呈不断下降的趋势还呈不断下降的趋势8/17/202224执行机构执行机构过程或机械过程或机械传感器传感器HMI OP操作面板操作面板打印机打印机通信接口通信接口连接其它PLC连接其它PLC或或上位计算机上位计算机编程单元编程单元键盘键盘显示器显示器外部存外部存储单元储单元中央处理单元中央处理单元CPUCPU外部设备接口外部设备接口输出输出接口接口输入输入接口接口为永久性连线为永久性连线为暂时性连线为暂时性连线为选择性连线为选择性连线图2.1PLC及其外部设备联系框图图2.1PLC及其外部设备联系框图8/17/202225 PLCPLC控制的对象是控制的对象是“过程过程”或或“机械机械”，由传感器采集，由传感器采集“过程过程”或或“机械机械”的信息，送入的信息，送入PLC的输入单元，经的输入单元，经PLC的中央处理单元处理，结果通过的中央处理单元处理，结果通过PLC的输出单元驱的输出单元驱动执行机构，由执行机构控制动执行机构，由执行机构控制“过程过程”或或“机械机械”达到达到预期的目的图预期的目的图2.12.1还表示了还表示了PLC的外部设备接口与外部的外部设备接口与外部设备之间的联系主要的外部设备有编程器（编程器上设备之间的联系主要的外部设备有编程器（编程器上配置有显示单元），配置有显示单元），HMI人机接口，并行打印机，其人机接口，并行打印机，其它它PLC或上位计算机或上位计算机从原理上讲，从原理上讲，PLC是计算机的一种，因此，它也由中央是计算机的一种，因此，它也由中央处理器，中央存储器和接口三部分组成处理器，中央存储器和接口三部分组成8/17/202226程序1程序1程序j程序j中央存储器中央存储器输入变量Ui输入变量Ui输出变量Yi输出变量Yi中间变量Xi中间变量Xi监控监控指令计数器指令计数器 O.C.O.A.O.C.O.A.变址或基址变址或基址寄存器寄存器累加器累加器通用寄存器通用寄存器输入接口输入接口输出接口输出接口过程过程输入输出输入输出CPUCPU总线总线指令寄存器指令寄存器和和地址寄存器地址寄存器程序程序数据数据操作数操作数当前当前指令指令（正在执行）（正在执行）图2.2 PLC的CPU结构框图图2.2 PLC的CPU结构框图中央处理器中央处理器8/17/202227中央处理单元的核心是中央处理器中央处理单元的核心是中央处理器中央处理器包含指令计数器，指令存储器和地址中央处理器包含指令计数器，指令存储器和地址 寄存器，变址和基址寄存器，累加器和通用寄存寄存器，变址和基址寄存器，累加器和通用寄存器器除了中央处理器外，还有中央存储器，中央存储器除了中央处理器外，还有中央存储器，中央存储器划分成数据，程序和监控三部分数据部分包含有划分成数据，程序和监控三部分数据部分包含有输入变量，中间变量和输出变量的映像区监控部输入变量，中间变量和输出变量的映像区监控部分存放分存放PLC的监控程序，用户程序区存放若干个用的监控程序，用户程序区存放若干个用户的应用程序块户的应用程序块8/17/202228 PLC中的中的CPU是用来完成对某些不同类型的信息是用来完成对某些不同类型的信息进行操作的单元这些操作包括信息的转移，信息进行操作的单元这些操作包括信息的转移，信息的转换（码的转换，数字的转换），计算，同步，的转换（码的转换，数字的转换），计算，同步，译码等译码等中央处理器中央处理器（Processor）是是CPU中的智能机构（电中的智能机构（电脑）它是用来控制程序指令的操作的，处理器本脑）它是用来控制程序指令的操作的，处理器本身由若干种寄存器组成寄存器是由逻辑电路组成身由若干种寄存器组成寄存器是由逻辑电路组成的高速半导体存储器（暂存器），它用来暂时存放的高速半导体存储器（暂存器），它用来暂时存放数据，外部信息或中间运算结果和对它们进行操作。数据，外部信息或中间运算结果和对它们进行操作。8/17/2022291.1.内部寄存器只能在计算机内部进行存取，允许内部内部寄存器只能在计算机内部进行存取，允许内部的管理和控制操作的管理和控制操作程序计数器有时也称做程序计数器有时也称做“程序指针程序指针”，它始终包含有，它始终包含有当前正在执行指令的地址，在每一条指令执行结束时，当前正在执行指令的地址，在每一条指令执行结束时，指针的值将被修改，自动地加指针的值将被修改，自动地加1 1只有在执行跳转指令时只有在执行跳转指令时是例外指针将被放置新的下一条执行指令的地址是例外指针将被放置新的下一条执行指令的地址2.2.指令存储器由指令存储器由“程序指针程序指针”所指向的中央存储器中所指向的中央存储器中的当前指令的操作码（的当前指令的操作码（Operation code），被送至指令寄），被送至指令寄存器经过译码，在时钟脉冲控制下，指令寄存器将执存器经过译码，在时钟脉冲控制下，指令寄存器将执行指令：从中央存储器转移信息到通用寄存器或取相反行指令：从中央存储器转移信息到通用寄存器或取相反过程对于执行的是跳转指令，如果命令是正向跳动过程对于执行的是跳转指令，如果命令是正向跳动n，则执行指令的结果是强迫程序计数器增量加则执行指令的结果是强迫程序计数器增量加n8/17/2022303.3.地址寄存器在指令寄存器取得操作码地址寄存器在指令寄存器取得操作码（OC）的同时，地址寄存器取得同一指令的操）的同时，地址寄存器取得同一指令的操作数地址（作数地址（Operand address）在一般情况下，）在一般情况下，地址寄存器涉及的就是操作数的地址，但在转地址寄存器涉及的就是操作数的地址，但在转移指令的情况下，由它决定信息转移的途移指令的情况下，由它决定信息转移的途径例如，在执行向前跳动径例如，在执行向前跳动n n的指令时，地址的指令时，地址寄存器就包含数据值寄存器就包含数据值n n，执行指令是将程序计，执行指令是将程序计数器的内容与地址寄存器的内容相加，再送回数器的内容与地址寄存器的内容相加，再送回程序计数器程序计数器8/17/2022314.4.状态寄存器状态寄存器是用来设置状态位状态寄存器状态寄存器是用来设置状态位的某个状态位决定于处理器对某一事件将予以考的某个状态位决定于处理器对某一事件将予以考虑或不予考虑，例如，对中断优先权的禁止或屏虑或不予考虑，例如，对中断优先权的禁止或屏蔽蔽5.5.通用寄存器通用寄存器是用户在编制应用程序通用寄存器通用寄存器是用户在编制应用程序时可以使用的一组寄存器，它们中的某些是非常特时可以使用的一组寄存器，它们中的某些是非常特殊的，另一些则是一般的寄存器，它的数量和组织殊的，另一些则是一般的寄存器，它的数量和组织取决于取决于PLCPLC设计者的选择设计者的选择8/17/2022326.6.变址寄存器变址寄存器包含一潜在的基地址，当采用变址寄存器变址寄存器包含一潜在的基地址，当采用变址寻址方式时，是将预先存放在变址寄存器中的绝对基地变址寻址方式时，是将预先存放在变址寄存器中的绝对基地址，与地址寄存器中存放的操作数地址（址，与地址寄存器中存放的操作数地址（OA）部分相加，）部分相加，得到指令中所要存取信息的地址这样一种技术可以扩展寻得到指令中所要存取信息的地址这样一种技术可以扩展寻址的范围与地址寄存器有限的地址长度相比可扩展至更大址的范围与地址寄存器有限的地址长度相比可扩展至更大的范围，但执行指令时间较长的范围，但执行指令时间较长7.7.累加器寄存器它是用来执行累加器寄存器它是用来执行CPU的指令的，对的指令的，对PLC来来说，这些指令典型的有按位执行和按字执行对某说，这些指令典型的有按位执行和按字执行对某些些PLC类型，只有单一的累加器，位是作为字的一类型，只有单一的累加器，位是作为字的一个位来处理的，对另一些个位来处理的，对另一些PLC系统，逻辑运算和数字运算是系统，逻辑运算和数字运算是分开在不同的累加器进行的分开在不同的累加器进行的8/17/202233PLC的存储器系统的存储器系统处理处理PLC系统信息的存储器通常分为两大部分：中系统信息的存储器通常分为两大部分：中央存储器和大容量存储器（硬盘，软磁盘，磁带，央存储器和大容量存储器（硬盘，软磁盘，磁带，Flash memory等）大容量存储器一般作为等）大容量存储器一般作为PLC的外部设备中央存储器有很高的存取速度，但由的外部设备中央存储器有很高的存取速度，但由于价格较昂贵，限制了它的使用容量；大容量存储于价格较昂贵，限制了它的使用容量；大容量存储器虽然存取速度较慢，但由于价格相对便宜，适于器虽然存取速度较慢，但由于价格相对便宜，适于储存大容量数据储存大容量数据中央存储器在中央存储器在PLC的的内部，一般由三部分组成由内部，一般由三部分组成由于对存取速度有要求，所以都采用半导体存储器，于对存取速度有要求，所以都采用半导体存储器，常用的半导体存储器有静态常用的半导体存储器有静态RAM，EPROM和和E2PROM8/17/202234PLC的存储器系统的存储器系统1.1.中央存储器的数据部分主要用作输入变量，输出变量，中央存储器的数据部分主要用作输入变量，输出变量，中间变量的映像区，因为在中间变量的映像区，因为在PLCPLC的运行过程中，这部分变量的运行过程中，这部分变量是不断变化的，所以都是采用随机存取存储器（一般为静态是不断变化的，所以都是采用随机存取存储器（一般为静态RAMRAM）构成的）构成的2.2.监控程序或操作系统，是监控程序或操作系统，是PLC设计者为了给用户使用设计者为了给用户使用PLC提供方便，其功能是对提供方便，其功能是对PLC及其外设进行资源管理，同时使及其外设进行资源管理，同时使PLC的用户编制应用程序时，可以使用级别较高的语言（例的用户编制应用程序时，可以使用级别较高的语言（例如，语句表，梯形图或如，语句表，梯形图或SFC控制图形语言等）一般监控程控制图形语言等）一般监控程序或操作系统都是驻留在中央存储器中的，例如，固化在中序或操作系统都是驻留在中央存储器中的，例如，固化在中央存储器的央存储器的EPROM上，有一些上，有一些PLC使用较大的操作系统，使用较大的操作系统，则除了驻留在中央存储器上的软件外，还有一部分软件放在则除了驻留在中央存储器上的软件外，还有一部分软件放在外设的大容量存储器中外设的大容量存储器中8/17/202235PLC的存储器系统的存储器系统3.3.中央存储器中的用户应用软件是用户针对不同的中央存储器中的用户应用软件是用户针对不同的控制任务，用控制任务，用PLC编程语言编制的应用程序，放置编程语言编制的应用程序，放置在中央存储器的用户存储器区有些用户存储区可在中央存储器的用户存储器区有些用户存储区可以放置若干个应用程序块由于应用程序在调试过以放置若干个应用程序块由于应用程序在调试过程中要不断修改，又希望在掉电或正常关机时，这程中要不断修改，又希望在掉电或正常关机时，这部分程序不会丢失，因此，在中央存储器中常用带部分程序不会丢失，因此，在中央存储器中常用带后备电池的后备电池的CMOSRAM作用户存储器区也可以用作用户存储器区也可以用E2PROM存放应用程序如果应用程序经调试后，存放应用程序如果应用程序经调试后，不再需要改变，这部分程序可以固化在不再需要改变，这部分程序可以固化在EPROM中中8/17/202236PLC 的寻址方式的寻址方式在在CPU与中央存储器交换信息的过程中，很重要的一点是存与中央存储器交换信息的过程中，很重要的一点是存储器的寻址，发展寻址技术的目的是在键入数据时增加灵活性，储器的寻址，发展寻址技术的目的是在键入数据时增加灵活性，使更为安全和得到更大地址范围使更为安全和得到更大地址范围PLC系统中使用的寻址方式系统中使用的寻址方式有以下几种：有以下几种：1.1.立即数寻址：这种寻址方式的操作数直接放置在指令的地址立即数寻址：这种寻址方式的操作数直接放置在指令的地址场中这种寻址方法，对简单的计算，例如，计算用户程序的场中这种寻址方法，对简单的计算，例如，计算用户程序的地址是很方便的地址是很方便的2.2.相对寻址：在指令的地址场中包含的是正的或负的整数，用相对寻址：在指令的地址场中包含的是正的或负的整数，用它与现行地址（例如，程序计数器的值）代数相加，得到指令它与现行地址（例如，程序计数器的值）代数相加，得到指令的操作数的有效地址这种寻址方式在执行转移指令，条件转的操作数的有效地址这种寻址方式在执行转移指令，条件转移指令或循环指令（移指令或循环指令（LOOP）时是非常有用的）时是非常有用的8/17/202237PLC 的寻址方式的寻址方式3.3.间接寻址：这种寻址方式的指令的地址场包含的间接寻址：这种寻址方式的指令的地址场包含的是操作数所在单元的地址（即指令的操作数有效地是操作数所在单元的地址（即指令的操作数有效地址的地址），用这种寻址方式，可以扩展可寻址存址的地址），用这种寻址方式，可以扩展可寻址存储器的范围储器的范围4.4.变址或基址寻址：在变址寄存器或通用寄存器中，变址或基址寻址：在变址寄存器或通用寄存器中，预先放置一基地址，将此与指令操作数地址场的内预先放置一基地址，将此与指令操作数地址场的内容（偏移量）代数相加得到指令操作数的有效地容（偏移量）代数相加得到指令操作数的有效地址址5.5.组合寻址：上面所提到的某些寻址方式可组合起组合寻址：上面所提到的某些寻址方式可组合起来形成新的寻址方式，例如，相对变址寻址等来形成新的寻址方式，例如，相对变址寻址等8/17/202238与寻址方法有关的指令的结构与寻址方法有关的指令的结构 操作码O C操作码O C操作数操作数类型类型寻址寻址方式方式操作数地址场操作数地址场0123456789101112131415图2.3 与PLC的寻址方式有关的指令结构图2.3 与PLC的寻址方式有关的指令结构8/17/202239PLCPLC中的中的堆栈堆栈 在中央存储器中，还有一种特殊的应用区，称为在中央存储器中，还有一种特殊的应用区，称为“堆栈堆栈”“堆栈堆栈”是中央存储器中的一个特殊是中央存储器中的一个特殊区域，用来存放程序执行过程中的结果或者在子区域，用来存放程序执行过程中的结果或者在子程序调用过程中用来保护程序调用过程中用来保护“现场现场”信息，以便子信息，以便子程序结束时能正确地返回在程序结束时能正确地返回在PLC中使用的中使用的“堆堆栈栈”主要有两种形式：一种称后进先出堆栈主要有两种形式：一种称后进先出堆栈（LIFOlast in first out）,另一种称先进先出堆另一种称先进先出堆栈栈（FIFOFirst in first out）图）图2.42.4表示了这两种表示了这两种 “堆栈堆栈”在进行栈操作时的数据位置在进行栈操作时的数据位置8/17/202240PLCPLC中的堆栈结构中的堆栈结构bacx占有空间占有空间自由空间自由空间压栈前压栈前压栈指令压栈指令（push指令）（push指令）出栈指令出栈指令（pop指令）（pop指令）bac出栈后出栈后bac压栈后压栈后x.A)LIFO 堆栈操作堆栈操作8/17/202241PLCPLC中的堆栈结构中的堆栈结构bacx占有空间占有空间自由空间自由空间压栈前压栈前压栈指令压栈指令（push指令）（push指令）出栈指令出栈指令（pop指令）（pop指令）ba出栈后出栈后bac压栈后压栈后x.xB)FIFO 堆栈操作堆栈操作8/17/202242PLC I/OPLC I/O扩展结构扩展结构 1.1.整体形非总线结构整体形非总线结构:8080年代，年代，PLCPLC的结构的结构多为组件式，由多为组件式，由CPUCPU，I/OI/O及备用模块等组合而及备用模块等组合而成现在的小型，微型成现在的小型，微型PLCPLC结构则趋向于将结构则趋向于将CPUCPU，存储器与存储器与I/OI/O做成一体形结构，整体做成平板做成一体形结构，整体做成平板薄形，以追求低价格和便于安装这种结构的薄形，以追求低价格和便于安装这种结构的PLCPLC往往采用非总线结构，追求低价格和小型往往采用非总线结构，追求低价格和小型化，其安装方法也与过去不同，大多安装到配化，其安装方法也与过去不同，大多安装到配电盘或机械之中，有的不用外壳，作成插件，电盘或机械之中，有的不用外壳，作成插件，以降低售价以降低售价8/17/202243PLC I/OPLC I/O扩展结构扩展结构 2.2.总线形结构大，中型以及一部分小型总线形结构大，中型以及一部分小型PLCPLC通常采用总线形方式，可视用户要求进行组合通常采用总线形方式，可视用户要求进行组合以满足不同要求，见图以满足不同要求，见图2.52.5这种总线结构有多这种总线结构有多种形式，有采用微机总线，例如种形式，有采用微机总线，例如VMEVME总线，总线，PCPC总线，或开发商的专用总线，例如总线，或开发商的专用总线，例如SiemensSiemens公公司的司的S5S5总线等，总线等，PLCPLC的的I/OI/O总线扩展可以有多种总线扩展可以有多种结构方式，主要采用：结构方式，主要采用：并行本地总线并行本地总线串行远程通信连接串行远程通信连接8/17/202244 并行本地总线的并行本地总线的PLCPLC结构结构电源电源PS 307CPUIM360360CP通信通信摸板摸板FM功能功能摸板摸板FM功能功能摸板摸板FM功能功能摸板摸板SMI/OI/O摸板摸板SMI/OI/O摸板摸板SMI/OI/O摸板摸板SMI/OI/O摸板摸板电源电源PS 307IM361361SMI/OI/O摸板摸板FM功能功能摸板摸板FM功能功能摸板摸板FM功能功能摸板摸板FM功能功能摸板摸板SMI/OI/O摸板摸板SMI/OI/O摸板摸板SMI/OI/O摸板摸板电源电源PS 307IM361361SMI/OI/O摸板摸板FM功能功能摸板摸板FM功能功能摸板摸板FM功能功能摸板摸板FM功能功能摸板摸板SMI/OI/O摸板摸板SMI/OI/O摸板摸板SMI/OI/O摸板摸板8/17/202245 串型远程通信结构的串型远程通信结构的PLCPLC8/17/202246PLC PLC 的的I/OI/O模板模板 中央处理器和中央存储器通过总线与输入输出（中央处理器和中央存储器通过总线与输入输出（I/OI/O）交换信息交换信息PLCPLC以输入输出接口从被控过程采集信息和以输入输出接口从被控过程采集信息和用来控制被控过程因此用来控制被控过程因此I/OI/O在在PLCPLC中起重要作用工业中起重要作用工业控制机通常使用在比较恶劣，苛刻的现场环境，这就对控制机通常使用在比较恶劣，苛刻的现场环境，这就对I/OI/O提出比较高的要求提出比较高的要求尽管尽管I/OI/O摸板的电路并不十分复摸板的电路并不十分复杂，但杂，但PLCPLC用的用的I/OI/O，工艺都十分考究，对于抑制工业环，工艺都十分考究，对于抑制工业环境带来的干扰都采取了许多有效措施境带来的干扰都采取了许多有效措施(要符合要符合EMCEMC 电磁兼电磁兼容性标准容性标准)此外，为了用户接线和检查的方便，所有此外，为了用户接线和检查的方便，所有I/OI/O摸板都带有端子或方便可靠的接插座，以及标志状态摸板都带有端子或方便可靠的接插座，以及标志状态的指示灯的指示灯 8/17/202247本节用一个最简单的本节用一个最简单的PLCPLC来说明其工作原理设有一来说明其工作原理设有一台台PLCPLC（型号为（型号为LEMLEM）,它有它有6 6种基本指令，指令见表种基本指令，指令见表2.42.4。表。表2.42.4 LEM PLC 的的6 6种指令：种指令：8/17/2022488/17/202249 从指令格式中可以看出指令的地址场包含从指令格式中可以看出指令的地址场包含9 9位位2 2进制数，允许进制数，允许寻址寻址2 29 9=512=512位在位在LEMLEMPLCPLC中设置中设置128128位输入变量位输入变量UiUi和和128128位输出变量位输出变量YjYj，剩下，剩下256256位保留作为中间变量位保留作为中间变量XkXk因此因此LEMLEM的的数据存储器（便笺式存储器）具有数据存储器（便笺式存储器）具有512512位，以位，以8 8进制表示时，进制表示时，地址为地址为0(0(O O)至至777(777(O O)图图2.122.12表示了表示了LEMLEM的数据存储器组态的数据存储器组态 8/17/202250 LEM LEM的中央处理器包含一个程序计数器（的中央处理器包含一个程序计数器（P P）或称指令指针）或称指令指针（1010位寄存器），一个位寄存器），一个1313位指令寄存器（位指令寄存器（I I）和一个逻辑累加）和一个逻辑累加器器(A),(A),最后还有一个最后还有一个4 4位后进先出的堆栈位后进先出的堆栈LIFDLIFD图图2.132.13表示执表示执行指令的过程指令指针执行完当前指令后把指针数加行指令的过程指令指针执行完当前指令后把指针数加1 1，指，指向下一条将执行的指令现在指令指针中的内容为向下一条将执行的指令现在指令指针中的内容为1000(1000(O O)（2 2进制码为进制码为001 000 000 000001 000 000 000）,在程序存储器（用户存在程序存储器（用户存储区）中地址为储区）中地址为1000(1000(O O)单元处放置有指令单元处放置有指令IFU3IFU3，中央处理，中央处理器将这条指令取入指令寄存器（器将这条指令取入指令寄存器（I I）,这时这时(I)(I)寄存器的内容为：寄存器的内容为：8/17/2022518/17/202252 其地址场的内容为其地址场的内容为000 000 011000 000 011转入地址寄存器转入地址寄存器（S S），并取数据存储器第），并取数据存储器第3 3单元（输入变量单元（输入变量U3U3）的）的内容送至累加器（内容送至累加器（A A）这一过程是中央处理器根据）这一过程是中央处理器根据指令中的操作码指令中的操作码00010001，经译码器译码后在时钟的控，经译码器译码后在时钟的控制下进行的以上仅仅是执行一条指令的过程制下进行的以上仅仅是执行一条指令的过程 下面说明下面说明PLCPLC怎样使用怎样使用LIFOLIFO堆栈来完成一个梯形图堆栈来完成一个梯形图的梯节或一个布尔代数方程的表达式：的梯节或一个布尔代数方程的表达式：8/17/202253 将上述逻辑方程或梯节写成将上述逻辑方程或梯节写成LEM PLCLEM PLC能执行的程序，其程序表见表能执行的程序，其程序表见表2.52.5。8/17/2022548/17/2022558/17/202256输入变量，中间变量和输出变量在数据储器中的位置如输入变量，中间变量和输出变量在数据储器中的位置如表表2.82.8所示。所示。上面说明了上面说明了PLCPLC执行一条指令或一个逻辑方程（用梯形图执行一条指令或一个逻辑方程（用梯形图表示时是一个梯节）的过程表示时是一个梯节）的过程 8/17/202257PLCPLC与普通办公用计算机有一个很大的不同点，就是与普通办公用计算机有一个很大的不同点，就是PLCPLC的程序是自动循环执行的，而普通计算机是按照命令执的程序是自动循环执行的，而普通计算机是按照命令执行程序，程序结束后等待新的命令后一种工作方式称行程序，程序结束后等待新的命令后一种工作方式称异步工作方式因此，对异步工作方式因此，对PLCPLC说来循环是一个十分重要的说来循环是一个十分重要的概念大部分概念大部分PLCPLC采用这样的循环方式，程序一开始，扫采用这样的循环方式，程序一开始，扫描和采集输入摸板上各输入变量的数据，然后转移到中描和采集输入摸板上各输入变量的数据，然后转移到中央存储器的数据区（有时称为便笺式存储器或输入映像央存储器的数据区（有时称为便笺式存储器或输入映像区），接着执行用户的应用程序，把逻辑运算的结果送区），接着执行用户的应用程序，把逻辑运算的结果送到便笺式存储器的输出映像区，最后将输出映像区的值到便笺式存储器的输出映像区，最后将输出映像区的值送到输出摸板去控制具体的物理过程在处理完输出转送到输出摸板去控制具体的物理过程在处理完输出转移后，要进行通信程序处理，来完成编程命令或监视命移后，要进行通信程序处理，来完成编程命令或监视命令然后又回到循环的起始点，扫描和采集输入摸板令然后又回到循环的起始点，扫描和采集输入摸板 8/17/202258下面以一个逻辑控制器为例，进一步说明循环的概念，该控下面以一个逻辑控制器为例，进一步说明循环的概念，该控制器的配置如下：制器的配置如下：1616块输入摸板，每块摸板块输入摸板，每块摸板1616个输入点，总共个输入点，总共256256个输入点个输入点1616块输出摸板，每块摸板块输出摸板，每块摸板1616个输出点，总共个输出点，总共256256个输出点个输出点程序存储器程序存储器4KB4KB一块输入板或输出板的存取时间为一块输入板或输出板的存取时间为2929 s s，执行，执行1K1K字程序指令字程序指令的时间为的时间为1.85ms1.85ms这样，整个的循环时间是这样，整个的循环时间是8.3ms8.3ms它是由两它是由两个部分组成的：一部分的输入输出循环时间为个部分组成的：一部分的输入输出循环时间为32X2932X29928928 s=0.928mss=0.928ms；另一部分的执行程序存储器用户程序的时间，；另一部分的执行程序存储器用户程序的时间，最长为最长为4X1.85=7.4ms4X1.85=7.4ms图图2.152.15为为PLCPLC循环举例图循环举例图2.162.16表示了表示了摸板之间信息交换的过程。图摸板之间信息交换的过程。图2.172.17表示了循环的控制信号定表示了循环的控制信号定时图。时图。8/17/2022598/17/2022608/17/2022618/17/202262图图2.172.17上的各种信号说明如下：上的各种信号说明如下：S1S1：输入输出信号的有效周期。：输入输出信号的有效周期。B1B1：输入输出地址总线信号。：输入输出地址总线信号。S2S2：来自输入摸板的应答信号。：来自输入摸板的应答信号。B2B2：转移输入状态到便笺式存储器（输入输出映像）的总：转移输入状态到便笺式存储器（输入输出映像）的总 线信号。线信号。B3B3：从便笺式存储器中输出状态转移到缓冲存储器的总线信：从便笺式存储器中输出状态转移到缓冲存储器的总线信 号缓冲存储器能保证即使在输出板的电源发生故障的号缓冲存储器能保证即使在输出板的电源发生故障的 情况下，也能保持住应输出的信息。情况下，也能保持住应输出的信息。8/17/202263S3S3：来自中央处理单元允许转移到输出摸板的时钟信号。：来自中央处理单元允许转移到输出摸板的时钟信号。S5S5：逻辑处理信号。：逻辑处理信号。B4B4：程序存储器地址总线信号。：程序存储器地址总线信号。S6S6：开始执行指令周期的信号。：开始执行指令周期的信号。B5B5：指令的总线信号。：指令的总线信号。有三种基本因素会影响到有三种基本因素会影响到PLCPLC的循环结构，它们是：的循环结构，它们是：输入输出采集战略。输入输出采集战略。跳转指令的应用。跳转指令的应用。有可能存在数值计算。有可能存在数值计算。8/17/202264 还有一种更复杂的情况，就是多处理器结构的还有一种更复杂的情况，就是多处理器结构的PLCPLC，在循环过程中要分配