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,单击此处编辑母版样式,单击此处编辑幻灯片母版样式,第二层,第三层,第四层,第五层,*,*,*,第1讲可编程控制器的基本原理,第2讲STEP 7编程软件,第3讲PLC 指令系统介绍,第4讲IEC 61131-3编程语言标准,第5讲现场总线,第6讲WinCC组态软件,培 训 计 划,8/29/2024,1,第1讲可编程控制器的基本原理培 训 计 划9/5/2023,PLC的发明和发展过程,PLC,（可编程控制器）是上个世纪,60,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，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“,Programmable Logic Controller”,，简称,PLC,，中文称“可编程逻辑控制器”。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，其名称也就改为“,Programmable Controller”,，简称,PC,。但,PC,又容易与个人计算机“,Personal Computer”,的简称,PC,产生混淆，所以近年来人们又倾向于使用,PLC,这一简称，中文仍然称“可编程控制器”。,8/29/2024,2,PLC的发明和发展过程 PLC （可编程控制器）是,PLC的发明过程,上个世纪,60,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,DEC（,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,MODICON,公司也研制出,084,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，日本等工业发达国家，也相继研究开发出类似的产品,8/29/2024,3,PLC的发明过程 上个世纪60年代，由于美国汽车,PLC的发展过程,由于,PLC,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，,PLC,均担当着重要角色。,PLC,技术代表了当今电气程序控制的最先进水平。通过,PLC,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、计算机网络系统，构成了车间和工厂自动化的完整体系。,8/29/2024,4,PLC的发展过程 由于PLC吸取微电子技术和计算机技,PLC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调查，在各个领域应用分布大致如下：,钢铁和有色冶金 35,汽车和机械制造 20%,轻工，食品，包装，造纸16%,化工，石油，工艺过程13%,交通运输，矿山7%,能源，电站，泵站，水处理7%,科研试验，教学2%,8/29/2024,5,PLC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,PLC发明之前传统控制装置的缺点,在PLC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：,动作缓慢,，,寿命短，可靠性差,，,体积大，耗电多，,设计制造周期长，程序修改费时,，,不能实现与计算机对话,8/29/2024,6,PLC发明之前传统控制装置的缺点 在PLC发明之前，在工业控,在工业控制领域需要一种新的控制器,到60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，又显然存在着大马拉小车的状态，这是由于小型计算机：,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过高，功能过剩，机器资源未能充分利用，,造价高昂。,8/29/2024,7,在工业控制领域需要一种新的控制器 到60年代后期，虽然,PLC适合于新的控制要求,需要与可能，促使人们寻求新的出路，PLC即应运而生它首先应用于美国的汽车工业，这时的PLC，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I/O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机构,8/29/2024,8,PLC适合于新的控制要求 需要与可能，促使人们寻求新的,PLC控制器具有一些新的特点,这时的PLC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,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,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,8/29/2024,9,PLC控制器具有一些新的特点 这时的PLC系统已开始具有如,微处理器开始引入PLC领域,自1976年以来，微处理器开始引入PLC领域，大大加强了PLC的作用，使PLC由简单地代替继电器电路，而发展为先进的控制装置当今PLC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，以及具有先进的人机对话手段（如键盘，CRT和语音对话）,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， PLC成为现场总线的一个重要组成部分，进一步扩大了PLC的应用领域,8/29/2024,10,微处理器开始引入PLC领域 自1976年以来，微处理器,PLC的应用迅速得到扩大,由于PLC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CIMS（计算机集成制造系统）的发展，PLC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,8/29/2024,11,PLC的应用迅速得到扩大 由于PLC同时提高了功能和柔,PLC的发展经历了三个阶段,第一阶段：开发的PLC容量较小，I/O点数小于120点用户存储区容量在2KB左右，扫描速率为2050ms/KB,指令较为简单，只有逻辑运算，计时，计数等，编程语言采用简单的语句表语言使用上，主要用来作开关量控制,第二阶段：PLC的容量有所扩展，I/O点数从512点至1024点，用户程序存储区扩展到8KB以上，速率也有提高，扫描速率达到56ms/KB,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，以及模拟量处理指令等，输入输出类型也由纯开关量I/O，扩展为带模拟量的I/O编程语言除了使用语句表外，还可以使用梯形图编程语言,8/29/2024,12,PLC的发展经历了三个阶段 第一阶段：开发的PLC容量较小,PLC的发展经历了三个阶段,第三阶段：进入80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16位和32位微处理器构成的PLC得到惊人的发展，其功能远远超出了上述两阶段的产品使PLC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和小型两个方向发展大型产品的I/O点数，超出4000点，有些产品达到8000个I/O点，用户存储区容量超过32KB，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，扫描速率也大大提高，达到0.47ms/KB,。,8/29/2024,13,PLC的发展经历了三个阶段 第三阶段：进入80年代以来，,PLC的发展经历了三个阶段,第三阶段PLC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，PID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GRAFCET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超小型化和加强型功能发展，有16点I/O，24点I/O的整体型小型PLC，在小型PLC上配置模拟量I/O，通信口，高速计数，指令上也设置有算术运算，比较指令以及PID调节指令小型PLC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GRAFCET语言进行编程,8/29/2024,14,PLC的发展经历了三个阶段 第三阶段PLC的指令功能，除了基,PLC的软件也得到进一步的改进,这一阶段PLC的软件设计也有很大改进，普遍实现了软件模块化设计，在PLC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，实现图形组态，可以联网（即挂在PLC网络上）,。,有些编程器还可以使用高级语言,。,8/29/2024,15,PLC的软件也得到进一步的改进 这一阶段PLC的软件设,PLC已经成为控制领域的最重要手段,除了专用编程器外，很多PLC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的进步，PLC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（DCS）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PLC都能实现，因此在应用上交错已经成为普遍现象,8/29/2024,16,PLC已经成为控制领域的最重要手段 除了专用编程器外，,PLC,的定义和硬件、软件的基本构成,根据IEC标准，给PLC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，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过程,。,8/29/2024,17,PLC的定义和硬件、软件的基本构成 根据IEC标准，给,PLC控制器的特点,1. 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PLC的硬设备，只需改变程序就可满足要求因此，除单机控制外，PLC在柔性制造单元（FMC）,柔性制造系统（FMS），以致工厂自动化（FA）中也被大量采用,2. 具有高度可靠性，适用于工业环境，PLC产品的平均故障间隔时间（MTBF）一般可达到5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PLC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了方便,8/29/2024,18,PLC控制器的特点 1. 控制程序可变，具有很好的柔性,PLC控制器的特点,3.功能完善现代PLC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，PID调节，各种智能模块，远程I/O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。,8/29/2024,19,PLC控制器的特点 3.功能完善现代PLC具有数字和,PLC控制器的特点,4. 易于掌握，便于维修，由于PLC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PLC也由于PLC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，能很快查找出故障的原因PLC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，PLC的体积很小，一台收录机一样大小的PLC具有相当于三个1.8m高继电器控制柜的功能PLC消耗的电能只是传统控制系统的1/3至1/2 。,8/29/2024,20,PLC控制器的特点 4. 易于掌握，便于维修，由于PL,PLC控制器的特点,5. 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降根据最近市场统计，国外小型PLC平均每一个I/O点为14-20美元，中型PLC折算每个I/O点为20-35美元，大型PLC折算每个I/O点为40-80美元虽然PLC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PLC的总造价是低廉的，而且还呈不断下降的趋势,8/29/2024,21,PLC控制器的特点 5. 价格低廉随着集成电路芯片功,PLC,的硬件体系,8/29/2024,22,PLC的硬件体系9/5/202322,PLC的工作原理,PLC控制的对象是“过程”或“机械”，由传感器采集“过程”或“机械”的信息，送入,PLC,的输入单元，经,PLC,的中央处理单元处理，结果通过,PLC,的输出单元驱动执行机构，由执行机构控制“过程”或“机械”达到预期的目的图2.1还表示了,PLC,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（编程器上配置有显示单元），,HMI,人机接口，并行打印机，其它,PLC,或上位计算机,从原理上讲，,PLC,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,8/29/2024,23,PLC的工作原理 PLC控制的对象是“过程”或“机械”，由传,PLC,的中央处理单元（,CPU,）的结构,8/29/2024,24,PLC的中央处理单元（CPU）的结构 9/5/202324,PLC,的中央处理单元（,CPU,）的结构,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 寄存器，变址和基址寄存器，累加器和通用寄存器,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输入变量，中间变量和输出变量的映像区监控部分存放,PLC,的监控程序，用户程序区存放若干个用户的应用程序块,8/29/2024,25,PLC的中央处理单元（CPU）的结构中央处理单元的核心是中央,CPU,和中央存储器,PLC,中的,CPU,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，信息的转换（码的转换，数字的转换），计算，同步，译码等,中央处理器,（Processor）,是,CPU,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），它用来暂时存放数据，外部信息或中间运算结果和对它们进行操作。,8/29/2024,26,CPU和中央存储器 PLC中的CPU是用来完成对某些不,PLC CPU 内部的,主要的寄存器,1. 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,程序计数器有时也称做“程序指针”，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，指针的值将被修改，自动地加1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,2. 指令存储器由“程序指针”所指向的中央存储器中的当前指令的操作码（,Operation code,），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,n,，则执行指令的结果是强迫程序计数器增量加,n,8/29/2024,27,PLC CPU 内部的主要的寄存器1. 内部寄存器只能在计,PLC CPU 内部的,主要的寄存器,3. 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作数地址（,Operand address,）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n的指令时，地址寄存器就包含数据值n，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，再送回程序计数器,8/29/2024,28,PLC CPU 内部的主要的寄存器3. 地址寄存器在指令寄,PLC CPU 内部的,主要的寄存器,4. 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虑或不予考虑，例如，对中断优先权的禁止或屏蔽,5.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殊的，另一些则是一般的寄存器，它的数量和组织取决于PLC设计者的选择,8/29/2024,29,PLC CPU 内部的主要的寄存器4. 状态寄存器状态寄存,PLC CPU 内部的,主要的寄存器,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（,OA,）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,7. 累加器寄存器它是用来执行,CPU,的指令的，对,PLC,来说，这些指令典型的有按位执行和按字执行对某些,PLC,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,PLC,系统，逻辑运算和数字运算是分开在不同的累加器进行的,8/29/2024,30,PLC CPU 内部的主要的寄存器6. 变址寄存器变址寄存,PLC的存储器系统,处理,PLC,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，,Flash memory,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，适于储存大容量数据,中央存储器在,PLC的,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，常用的半导体存储器有静态,RAM，EPROM,和,E,2,PROM,8/29/2024,31,PLC的存储器系统处理PLC系统信息的存储器通常分为两大部分,PLC的存储器系统,1. 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PLC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RAM）构成的,2. 监控程序或操作系统，是,PLC,设计者为了给用户使用,PLC,提供方便，其功能是对,PLC,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（例如，语句表，梯形图或,SFC,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，固化在中央存储器的,EPROM,上，有一些,PLC,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外设的大容量存储器中,8/29/2024,32,PLC的存储器系统1. 中央存储器的数据部分主要用作输入变量,PLC的存储器系统,3. 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,PLC,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,CMOSRAM,作用户存储器区也可以用,E,2,PROM,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,EPROM,中,8/29/2024,33,PLC的存储器系统3. 中央存储器中的用户应用软件是用户针对,PLC 的寻址方式,在,CPU,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，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有以下几种：,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,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，条件转移指令或循环指令（,LOOP,）时是非常有用的,8/29/2024,34,PLC 的寻址方式在CPU与中央存储器交换信息的过程中，很,PLC 的寻址方式,3. 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址的地址），用这种寻址方式，可以扩展可寻址存储器的范围,4. 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容（偏移量）代数相加得到指令操作数的有效地址,5. 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,8/29/2024,35,PLC 的寻址方式3. 间接寻址：这种寻址方式的指令的地址场,与寻址方法有关的指令的结构,8/29/2024,36,与寻址方法有关的指令的结构 9/5/202336,PLC中的,堆栈,在中央存储器中，还有一种特殊的应用区，称为,“堆栈”“堆栈”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程序调用过程中用来保护“现场”信息，以便子程序结束时能正确地返回在,PLC,中使用的“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栈,（,FIFOFirst in first out,）图2.4表示了这两种 “堆栈”在进行栈操作时的数据位置,8/29/2024,37,PLC中的堆栈 在中央存储器中，还有一种特殊的应用区，称为9,PLC中的堆栈结构,8/29/2024,38,PLC中的堆栈结构9/5/202338,PLC中的堆栈结构,8/29/2024,39,PLC中的堆栈结构9/5/202339,PLC I/O扩展结构,1. 整体形非总线结构:80年代，PLC的结构多为组件式，由CPU，I/O及备用模块等组合而成现在的小型，微型PLC结构则趋向于将CPU，存储器与I/O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PLC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，大多安装到配电盘或机械之中，有的不用外壳，作成插件，以降低售价,8/29/2024,40,PLC I/O扩展结构 1. 整体形非总线结构:80年代，,PLC I/O扩展结构,2. 总线形结构大，中型以及一部分小型PLC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2.5这种总线结构有多种形式，有采用微机总线，例如VME总线，PC总线，或开发商的专用总线，例如Siemens公司的S5总线等，PLC的I/O总线扩展可以有多种结构方式，主要采用：,并行本地总线,串行远程通信连接,8/29/2024,41,PLC I/O扩展结构 2. 总线形结构大，中型以及一部分,并行本地总线的PLC结构,8/29/2024,42,并行本地总线的PLC结构9/5/202342,串型远程通信结构的PLC,8/29/2024,43,串型远程通信结构的PLC9/5/202343,PLC 的I/O模板,中央处理器和中央存储器通过总线与输入输出（I/O）交换信息PLC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I/O在PLC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I/O提出比较高的要求,尽管I/O摸板的电路并不十分复杂，但PLC用的I/O，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(要符合,EMC,电磁兼容性标准)此外，为了用户接线和检查的方便，所有I/O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,8/29/2024,44,PLC 的I/O模板 中央处理器和中央存储器通过总线与输入,PLC的工作原理,本节用一个最简单的PLC来说明其工作原理设有一台PLC（型号为LEM）,它有6种基本指令，指令见表2.4。表2.4,LEM PLC,的6种指令：,8/29/2024,45,PLC的工作原理本节用一个最简单的PLC来说明其工作原理设,PLC的工作原理,8/29/2024,46,PLC的工作原理9/5/202346,PLC的工作原理,从指令格式中可以看出指令的地址场包含9位2进制数，允许寻址,2,9,= 512,位在LEMPLC中设置128位输入变量Ui和128位输出变量Yj，剩下256位保留作为中间变量Xk因此LEM的数据存储器（便笺式存储器）具有512位，以8进制表示时，地址为0(,O,)至777(,O,)图2.12表示了LEM的数据存储器组态,8/29/2024,47,PLC的工作原理 从指令格式中可以看出指令的地址场包含9位2,PLC的工作原理,LEM的中央处理器包含一个程序计数器（P）或称指令指针（10位寄存器），一个13位指令寄存器（I）和一个逻辑累加器(A),最后还有一个4位后进先出的堆栈LIFD图2.13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1，指向下一条将执行的指令现在指令指针中的内容为1000(,O,)（2进制码为001 000 000 000）,在程序存储器（用户存储区）中地址为1000(,O,)单元处放置有指令IFU3，中央处理器将这条指令取入指令寄存器（I）,这时(I)寄存器的内容为：,8/29/2024,48,PLC的工作原理 LEM的中央处理器包含一个程序计数器（P,PLC的工作原理,8/29/2024,49,PLC的工作原理9/5/202349,PLC的工作原理,其地址场的内容为000 000 011转入地址寄存器（S），并取数据存储器第3单元（输入变量U3）的内容送至累加器（A）这一过程是中央处理器根据指令中的操作码0001，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,下面说明PLC怎样使用LIFO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：,8/29/2024,50,PLC的工作原理 其地址场的内容为000 000 011,PLC的工作原理,将上述逻辑方程或梯节写成LEM PLC能执行的程序，其程序表见表2.5。,8/29/2024,51,PLC的工作原理 将上述逻辑方程或梯节写成LEM PLC能,PLC的工作原理,8/29/2024,52,PLC的工作原理9/5/202352,PLC的工作原理,8/29/2024,53,PLC的工作原理9/5/202353,PLC的工作原理,输入变量，中间变量和输出变量在数据储器中的位置如表2.8所示。,上面说明了PLC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,8/29/2024,54,PLC的工作原理输入变量，中间变量和输出变量在数据储器中的位,PLC的工作原理,PLC与普通办公用计算机有一个很大的不同点，就是PLC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异步工作方式因此，对PLC说来循环是一个十分重要的概念大部分PLC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,8/29/2024,55,PLC的工作原理PLC与普通办公用计算机有一个很大的不同点，,PLC的工作原理,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：,16块输入摸板，每块摸板16个输入点，总共256个输入点,16块输出摸板，每块摸板16个输出点，总共256个输出点,程序存储器4KB,一块输入板或输出板的存取时间为29,s，执行1K字程序指令的时间为1.85ms这样，整个的循环时间是8.3ms它是由两个部分组成的：一部分的输入输出循环时间为32X29928,s=0.928ms；另一部分的执行程序存储器用户程序的时间，最长为4X1.85=7.4ms图2.15为PLC循环举例图2.16表示了摸板之间信息交换的过程。图2.17表示了循环的控制信号定时图。,8/29/2024,56,PLC的工作原理下面以一个逻辑控制器为例，进一步说明循环的概,PLC的工作原理,8/29/2024,57,PLC的工作原理9/5/202357,PLC的工作原理,8/29/2024,58,PLC的工作原理9/5/202358,PLC的工作原理,8/29/2024,59,PLC的工作原理9/5/202359,PLC的工作原理,图2.17上的各种信号说明如下：,S1：输入输出信号的有效周期。,B1：输入输出地址总线信号。,S2：来自输入摸板的应答信号。,B2：转移输入状态到便笺式存储器（输入输出映像）的总,线信号。,B3：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,情况下，也能保持住应输出的信息。,8/29/2024,60,PLC的工作原理图2.17上的各种信号说明如下：9/5/20,PLC的工作原理,S3：来自中央处理单元允许转移到输出摸板的时钟信号。,S5：逻辑处理信号。,B4：程序存储器地址总线信号。,S6：开始执行指令周期的信号。,B5：指令的总线信号。,有三种基本因素会影响到PLC的循环结构，它们是：,输入输出采集战略。,跳转指令的应用。,有可能存在数值计算。,8/29/2024,61,PLC的工作原理S3：来自中央处理单元允许转移到输出摸板的时,PLC的工作原理,还有一种更复杂的情况，就是多处理器结构的PLC，在循环过程中要分配给智能摸板命令和采集信息，智能摸板是自身带CPU具有特殊功能的摸板，智能摸板的循环和主CPU的循环是并行进行的，但主CPU要向智能摸板发送命令和采集信息。,在循环过程中，遇有跳转指令时（包括无条件和条件跳转），会改变循环的方向，图2.18 表示了执行程序过程中修整循环的例子。,8/29/2024,62,PLC的工作原理 还有一种更复杂的情况，就是多处理器结构的P,PLC的工作原理,8/29/2024,63,PLC的工作原理9/5/202363,PLC 软件体系,PLC系统软件和应用软件,PLC的基本软件包括系统软件和应用软件，如果用一个示意图来表示的话（见图2.18）,PLC的硬件处在一个园的核心部分在硬件外围有三个环包围着第一个环是软件的操作系统，用它来管理各种硬件资源（存储器，软盘驱动，键盘CRT,输入，输出等）；第二个环是编程语言的编译系统；第三个环是应用程序最外围是被控制对象相对PLC讲来是外部世界,8/29/2024,64,PLC 软件体系 PLC系统软件和应用软件9/5/202,PLC 软件体系,在硬件和外部世界之间的三个环就构成了PLC的基本软件，,硬件通过基本软件实现对外部世界的控制对基本软件可以下这样一个定义：,PLC的基本软件是由一组程序组成，这组程序允许对硬件进行管理，并提供使用方便这组程序也用来生成和开发应用软件，通过应用软件实现对外部世界的控制,8/29/2024,65,PLC 软件体系 在硬件和外部世界之间的三个环就构成了PL,PLC 软件体系,8/29/2024,66,PLC 软件体系 9/5/202366,PLC 软件体系,在PLC的结构中，软件操作系统驻留在PLC的中央存储器内，并且都加以固化。PLC的语言编译系统，一般都比较大，通常是以磁盘文件的形式，放置在编程器内，最后生成的应用程序也放置在中央存储器内但是需要有后备电池支持，以保证关机时，程序不会丢失。只有在程序经确认没有错误，现场也不需改动的情况下，为了提高运行的安全性才将应用程序进行固化。,8/29/2024,67,PLC 软件体系 在PLC的结构中，软件操作系统驻留在PL,
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