（检测技术与自动化装置专业论文）一款高性能plc及其开发平台的设计与实现.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：日期：三西6 年厂月矿日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关嬲冒库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：导师签名：钮加 日期：争唧年厂月扩日 江南大学硕士学位论文 摘要 本课题对p l c 控制系统的基本理论进行了研究，结合对国外成熟p l c 产品 的应用和实践，掌握p l c 系统的原理和基本实现方法，并且完成了一款p l c 产 品的设计。本课题开发完成的p l c 产品中包括：p l c 编程界面、p l c 编程语言 的编译器、p l c 本体。 首先，论述了对p l c 系统原理的研究成果，介绍了p l c 的国内外标准、p l c 的运行原理以及p l c 编程语言的解释原理。其次，介绍了这款p l c 的规格设计， 包括：p l c 编程模型、p l c 通讯以及p l c 特殊功能。再次，介绍了p l c 产品整 个体系的设计。最后，对p l c 编程界面、p l c 编程语言的编译器、p l c 本体的 实现进行了阐述。 ， 在p l c 编程界面的设计中，详细介绍了指令表和梯形图编程方式下的编辑、 显示等功能的实现方法；描述了m o d b u s 通讯的分层和各层次的函数接口。 在p l c 编程语言的编译器设计中，详细描述了编译的流程，重点介绍了编译 过程中的两种重要的中间代码的数据结构内部码和流程码，最后对执行代码 生成的各个环节也进行了详细描述。 在p l c 本体的设计中，首先介绍了p l c 固件的构成，其次对b 0 0 t 部分的 流程进行了详细介绍，再次介绍了p l c 通讯中m o d b u s 主端、m o d b u s 从端 和自由格式的实现，然后介绍了输入滤波和映射以及输出映射的实现。最后介绍 了p l c 的特殊功能的实现以及用户中断处理机制。 本课题所设计的p l c ，采用瑞萨公司的m 1 6 c 作为主处理器。p l c 配置参数 为：输入点3 6 个、输出点2 4 个、高速计数4 路( 其中2 路可设置为a b 相计数) 、 脉冲输出2 路、串口2 个。p l c 的性能参数为：中间线圈6 1 4 4 个、字寄存器8 0 0 0 个、1 0 0 m s 定时器2 0 0 个、l o m s 定时器2 0 0 个、l m s 定时器2 0 0 个、1 6 位计数 器3 0 0 个、3 2 位计数器3 0 0 个、1 0 k 步程序扫描时间小于8 m s 、程序容量3 0 k 步、高速计数最高频率3 0 0 k 、脉冲输出最高频率3 0 0 k 。 p l c 产品完成的测试项目包括：逻辑和运算指令测试、流程指令测试、特殊 功能测试、通讯测试。测试表明，本课题中采用的设计方法是正确的，p l c 产品 性能是可靠的。 0a b s t f a c t a b s t r a c t 【nt h i ss u b ；e c t ，w en r s tr e s e a r c ho nt h eb a s et h e o r yo fp r o g r a n u n a b l el o g i cc o n t r d l l e l t h e n ，w ea n a l y s es o m ep l cp r o d u c t sd e s i g n e db yf o r e 崦nc o r p o r a t i o n s b yt h e s ew a y ， w eg e tt ok n o wt h em e t h o do fh o wt od e s i g nap l cp r o d u c t a tl a s t ，w en n i s ho u t d e s i g no fo n ep l cp r o d u c ts u c c e s s f u l ly ，a n dp r o d u c eo u ts o m ep l ca ss 锄p l ef o r p e r f o m a n c et e s tt h ec o n t e n to ft h i sp l cp r o d u c ti n c l u d e ：p l cd e v e l o pp l a t f - o n n ， p l cc o m d i l e r a n dp l cd e v i c e i nt h j sp a p e r ，w en r s tp r e s e n to u fr e s e a r c hr e s u 】to 力t h eb a s et h e o r yo fp r o 譬r a m m a b l e l o g i cc o n t r o l l e r ，w h i c hi n c l u d ep r o g r a n l m a b l el o g i cc o n t r o l l e rs t a n d a r d s ，p l c s p e r f b m l a n c et h e o r y ，a 工1 dp l cp r o g r a r l l sc o m p i l e rt h e o r y t h e n ，w ep r e s e n tt h e s p e c i f i c a t i o no ft h en e wp l c ，w h i c hi n c i u d e ：t h em o d e lo ft h ep l cp r o g r a m ，t h e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，a n dt h es p e c i a lf u n c t i o n t h e n ，t h ea r c h i t e c m r eo ft h ep l ci s p r e s e n t e da tl a s t ，w es h o wt h ed e t a i li m p l e m e n fo fp l cd e v e l o pp l a t f o m ，p l c c o m d i l e r a n dp l cd e v i c e i nm ed e s i g no fp l cd e v e l o pp l a t f o r m ，w ep r e s e n tt h em e t h o do fh o wt 1 1 el a d d e r d i a g r a i na n dt h ei n s t r u c t i o nl i s ti se d i t e d ，d i s p l a y e de t c a n d ，w ea j s oi n t r o d u c et h e m e m o do fh o wt h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l i si r l l p i e m e n t e d i nt h ed e s i g no fp l cc 。m p i l e r ，w ep r e s e n tt h ed e t a i lp r o c e s so fc o m p i l e a n dw e i n t r o d u c et h ed a t as t r u c t u r eo ft w oi m p o r t a n tm i d d l ec o d e ( i n t e m a ic o d ea n dp r o c e s s c o d e ) a tl a s t ，w es h o wt h ep r o c e s so fh o wt h ee x e c u t ec o d ei sb u i l d i nt h ed e s i g no fp l cd e v i c e ，w ei n t r o d u c et 1 1 ec o m p o n e n to fp l cd e v i c ef i n n w a r e t h e n ，w ei n t r o d u c et h ep r o c e s so fb o o t ，a n dh o w t h em o d b u ss l a v ea i l dm a s t e ri s i m p l e m e n t e d ，a 1 1 dt h ep r o c e s si n p u ta n do u t p u t a tl a s t ，w ep r e s e n tt h ei i i l p l e m e n to f s p e c i a lm n c t i o na n du s e ri n t e m l p t t h e 。p l cw ed e s i g n e di nt h i ss u b i e c t ，u s et h er e n e a s a s sm 16 ca st h em c u t h e s y s t e mp a r a m e t e ro fp l c a r e3 6i m p o r t s ，2 4e x p o f t s ，4h i 叠hs p e e dc o u n t e rf2a b p h a s ec o u n t e r ) ，2p u l s eo u t p u t ，2s e r i a lp o n t h ep e r f - o m l a n c ep a r a m e t e ro ft h ep l c a r e ：6 1 4 4m i d d l ec o i l ，8 0 0 0w o r dr e g i s t e r ，2 0 0t i m e ro fl o o m s ，2 0 0t i m e ro f1 m s ，2 0 0 t i m e ro f1 m s ，3 0 0c o u n t e ro f1 6 b i t s ，3 0 0c o u n t e ro f3 2 b i t s c i r c l et i m el e s st h e n8 m s w h e nt h eu s e rp r o g r a mh a s1o ks t e p s ，t h ec a p a b i l i t yo fu s e rp r o g r a mi s3 0 k s t e p s ，t h e m a x 打e q u e n to f h i 曲s p e e dc o l u l t e ra n dp u l s eo u t p u ti s3 0 0 k 。 a tl a s t ，w et a k eat e s tf o ro u tn e wp l c t h es u b j e c to ft h et e s t i n c l u d e ：l o g i ca n d a r i t h m e t i ci n s t r u c t i o n ，p r o c e s si n s t m c t i o n ，s p e c i a lm n c t i o nt e s t ，c o m m u l l i c a t i o nt e s t t h et e s td e d i c a t e 也a to u rm e t h o do ft h ep l cd e s i g ni s s u c c e s s 如l _ t h ep l c s p e r f b 皿l c ei sr e l i a b i e 江南大学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 可编程序控制器( p r o 盯蝴a b l el o g i cc o n 廿o l l e r ) 简称p l c ，是综合了计算 机技术、自动控制技术、通讯技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。p l c 首先是基于计算机技术发展起来的，历史比计算机稍晚。 在可编程控制器问世之前，工业控制领域中是以继电器控制占主导地位。这 种由继电器构成的控制系统有明显的缺点：体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、 运行速度低、系统适应性差f 2 j 。 p l c 于2 0 世纪6 0 年代末期，首先在美国由d e c 公司研制成功，并投入到 通用汽车公司的汽车生产线中【1 】【2 】吼 7 0 年代中期，p l c 进入实用化阶段，随着微处理器技术的发展，p l c 广泛 使用微处理器，输入输出模块和外围电路采用大规模集成电路。增加了数值运算、 闭环控制功能，运算速度大大提高。 7 0 年代末期到8 0 年代中期，可编程控制器进入成熟阶段，通讯功能有了很 大发展，初步形成了分布式的通讯控制网络，数学运算功能有了很大扩充，可靠 性大大提高。 2 0 世纪8 0 年代后期，p l c 进入开放阶段，表现在通讯系统的开放和协议的 标准化，使各个企业的不同产品可以互连，增加了高级编程语言。 可编程序控制器p l c 从诞生之曰到现在，经历了日新月异的发展。它的应用 领域包括了电力、石油、汽车、化工、钢铁、矿业、建材、机械制造、交通运输、 轻纺工业、环境保护等领域，而且在一些使用其他计算机的场合也渐渐地转向使 用p l c 【4 】。 随着p l c 技术的发展，功能增强，速度加快，体积减少，成本下降，可靠 性提高，p l c 的应用推动了现代控制技术的发展，使控制规模扩大，控制水平 增强，控制效率提高。为工业自动化提供了有力的工具，加速了机电一体化的 实现【5 】【6 】。 目前，在世界先进工业国家p l c 已成为工业控制的标准设备。它易于实现数 据采集、处理、控制，可组成集散型控制系统，可充当分层式控制处理系统的中 下层设备，如生产线控制系统、设备运行控制系统、柔性加工与制造系统等等。 p l c 是工业自动化的三大支柱( p l c 技术、机器人、计算机辅助设计和分析) 之一【6 1 。 第1 章绪论 1 2 国内外研究现状 随着p l c 微处理器的发展和p l c 应用领域的不断扩大，可编程控制器也得 到迅速发展，目前呈现的发展趋势有一下几个方面 1 | 3 】6 】： 1 趋向小型化发展 随着集成电路快速发展，p l c 的硬件设计也趋向集成化，从而使p l c 体积 越来越小，速度越来越快，而价格越来越低，这也使得p l c 的应用更加广泛。 2 趋向大型化发展 目前大中型p l c 普遍采用3 2 位处理器，正向6 4 位发展，微处理器个数也有 单c p u 向多c p u 并行处理发展，同时也集成越来越强大的通讯功能，将系统控 制功能与信息管理功能融为一体。大型p l c 也开始向集散控制和计算机数控渗 透和发展，使得用户的选择更多样化和个性化。 3 模块专业化 扩展模块对p l c 功能的进行了扩展，智能扩展模块具有自己的微处理，可以 和p l c 并行工作。目前，各种功能的模块正在不断推出，使老p l c 也能焕发出 新的生命力，也使p l c 的应用更为灵活和快捷。 4 通讯网络化 加强p l c 的通讯能力，也成为p l c 的主要发展趋势。在p l c 与p l c 之间， p l c 与计算机之间，p l c 与其他设备闻构建通讯网络，成为新的需求增长。而 且通讯的媒体也正在不断变化，从以串口通讯( 包括r s 一4 8 5 ，r s 一4 2 2 ，r s 一2 3 2 ) 为主，开始向集成现场总线，甚至工业以太网发展。 5 软p l c 的发展 由于计算机软件的发展，以及i e c 6 1 1 3 1 国际标准的制定，出现了基于工业 控制计算机和通用操作系统( 如w i n d o w s ) 实现的软逻辑控制软件。近几年， 由于嵌入式系统的发展，原先的软逻辑控制软件得以在嵌入式系统的平台上移植 和运行，构成了软p l c 产品【1 2 】。 在我国，改革开放之后，就开始了对p l c 技术的开发和研究。 8 0 年代，政府部门引进p l c 技术，和生产设备，但受由于引进的技术以大 型p l c 为主，市场应用有限，且无法保证产品可靠性，己停止生产。 9 0 年代，是p l c 技术在我国真正被发展和应用的时期，国外主要p l c 厂家 开始在国内投资建厂，如：上海欧姆龙、上海松下自动化控制、无锡华光等。这 段时期，也为我国p l c 技术的发展积累一部分技术经验和人才。 进入2 0 0 0 年，国内企业开始进入p l c 行业，与国外厂家争夺市场。产品以 小型机为主，性价比高，开始赢得市场。 目前，我国p l c 市场很大，而且市场发展很快，但是长期被国外产品垄断。 江南大学硕士学位论文 虽然在引进、消化吸收等方面做了不少工作，拥有自主知识产权的p l c 系统的 国内厂家很少。近两年虽然有不少国产p l c 的推出，但性能指标上与国外产品 仍然有差距，市场份额仍然不高。 1 3 本课题的主要任务 本课题的目标是设计一款高性能的p l c 产品，设计的主要任务包括： 1 掌握p l c 运行原理 通过对p l c 控制系统的基本理论研究和实践，掌握p l c 系统的原理和基本 实现方法。通过对国外成熟产品的研究，了解p l c 产品的性能指标和用户需求。 2 p l c 指令集的设计 p l c 指令集的设计目标是为新的p l c 产品系列，设计出一套符合用户习惯和 国际规范的指令集。这个指令集作为p l c 用户的编程模型，指导整个p l c 系统 的体系设计和功能划分，以及p l c 本体固件的设计。 3 p l c 编程工具的设计 p l c 编程工具的设计也可称为上位机设计，基于p c 进行开发，目标是提供 用户开发的界面，和基于p l c 指令集的编译器。 4 p l c 本体的设计 p l c 本体的设计，也可称作下位机设计，目标是设计出符合功能特性需求的， 出售给用户的p l c 产品。这部分的设计包括：p l c 的外观磨具设计、p l c 的硬 件设计以及p l c 的固件设计。本课题在p l c 本体设计的内容主要指p l c 固件的 程序设计。 5 使用瑞萨公司的m 1 6 c 处理器设计出一款高性能的p l c 产品，使用户可 以使用本课题中开发的p l c 编程工具对此款p l c 进行用户程序的开发，并完成 对此款p l c 产品的测试。 粥2 章p l c 原理 2 1p l c 标准 第2 章p l c 原理 i e c 6 1 1 3 1 3 国际标准、国家标准国际电工技术委员会i e c ( i n t e m a t i o n a i e l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 分别于1 9 8 2 年1 1 月、1 9 8 5 年1 月、1 9 8 7 年1 月颁布了p l c 标准草案，1 9 8 8 年i e c 正式颁布p l c 标准。其定义为：“可编 程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采 用一类可编程序的存储器，用于在其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、 定时、计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式和模拟式的输入输出， 控制各种类型的机械的生产过程。可编程序控制器及其有关外围设备，都按易于 与工业控制系统联成一个整体、易于扩充功能的原则设计。”i e c 6 1 1 31 3 标 准中，绘p l c 定义了五种编程语言：梯形图( l a d d e r d i a 盯啪) 、功能块图( f u n c t i o n b l o c kd i a g r 锄) 、指令表( i n s t m c t i o n “s t ) 、结构文本( s t r u c t u r e dt e x t ) 、顺序功 能图( s e q u e n c i a lf u n c t i o nc h a n ) 。 g b t1 5 9 6 9 1 1 5 9 6 9 4 国家标准是1 9 9 5 年1 2 月发布的可编程序控制器国家 标准。其中定义了4 种标准编程语言】：梯形图( l a d d e rd i a g r 锄) 、功能块图 ( f u l l c t i o n b l o c k d i a g r a m ) 、指令表( i n s t m c t i o n l i s t ) 、结构文本( s t m c t u r e dt e x t ) 。 1 指令表 指令表( i n s t m c t i o nl i s t ) 是由一连串的指令组成，每条指令应开始新的一行 并且应包含一个带有操作符和操作数。 2 梯形图 梯形图( l a d d e rd i a g r a m ) 是一种图形化的p l c 的编程语言。梯形图中定义 的符号以一种类似于继电器梯形逻辑图的“支路”方式在网络中布出。程序作为 个网络( n e t w o r k ) 被定义为连接到左轨和右轨的图形元素的最大集，l d 网络的左轨和右轨的含义是电源轨线。梯形图中包含的基本元素包括：触电、线 圈、功能。 3 功能块图 功能块图( f u n c t i o nb l o c kd i a g r 锄) 是以信号流为基础的图形化编程语言， 元素间的组合连接，即使一个块的输出与另一个块输入的连接。功能块的输出不 应该连接到一起。在梯形图l d 编程中使用的“线或”结构在功能块图编程中是 不允许的：要求代之以一个明显的布尔块。 4 结构文本 结构文本( s c r u c t u r e dt e x t ) ，采用类似高级计算机编程语言的方式编程，文 江南大学硕士学位论文 字行的结束不是一个有意义的分界符。结构文本( s t r u c t u r e dt e x t ) 的语句如表 2 1 。 表2 1 结构文本( s t r u c t u r e dt e x t ) 的语句 序号语句类型举例 1 赋值 a ：= b 2 功能块调用和 c m d t m r ( i n ：= i x 5 ，p t ：= t 拌3 0 0 ) 功能块输出 a ：= c m d - ，m r q 3 返回 r e t u r n 4 条件语句 i fd 0 0t h e nn r o o t s ：= 0 ： i fe l s e i fd = 0 0t h e nn r o o t s ：= 1 ： e l s ee l s en r o o t s ：= 2 ： e n di f e n d _ i f 5情况语句c a s e t w o f c a s el ：n r o o t s ：= l ： e l s e n r o o t s ：= o ： e n dc a s e 6 循环语句f o ri ：= lt o1 0 0b y 2 d o f o rj ：= i ： e n df o r e n d f or ； 7 退出e x i t 8 循环语句 w h i l ej = 1 0 0d o w h 【l ej ：= j + 2 e n d w h i l ee n d w h i l e 9 循环语句 r e p e a t r e p e a t j ：= j + 2 e n d r e p e a t u n t i lj = 1 0 l e n dr e p e a t 2 2p l c 的运行 p l c 是从继电器控制电路发展来的。继电器控制电路是一种并行工作方式， 当继电器控制电路中某些梯级同时满足导通条件时，这些梯级中的继电器线圈会 同时通电。这种控制系统对被控对象控制的实现是相关逻辑关系的实现，并不一 定有时问上的先后。 第2 章p l c 原理 p l c 的本质是一种计算机系统，是基于某种微处理器用软件实现的，程序的 执行在时间上必然是串行的。p l c 的程序中各线圈状态的变化在时间上是串行 的，不会出现多个线圈同时改变状态的情况。而线圈的状态变化在时间上的不同 步，很可能会导致工业现场的灾难性后果。 为了实现继电器控制电路并行的工作方式，p l c 采用循环扫描的方法。在循 环中首先将所有的输入信号集中采集；之后执行用户程序，完成逻辑运算；在循 环的最后将所有的输出集中完成。这样就在宏观上实现了并行处理，保证了逻辑 同步。 x o x l 图2 1 扫描处理阶段 y o y 1 _ p l c 扫描过程大体可以分为：输入处理、执行程序、内部处理、通讯处理、 程序执行、输出处理几个阶段，如图2 1 所示。 p l c 在输入处理阶段，以扫描方式顺序读入所有输入端的o n o f f 状态， 以及模拟量输入的数值，并将状态和数值存入输入寄存器。在程序执行的其他阶 段，即使输入状态发生变化，输入寄存器的内容也不会改变，只有在下一个扫描 周期的输入处理阶段才被读入。 p l c 在程序执行阶段，逐条执行程序指令，从输入寄存器和其它寄存器中读 出有关元件的o n 0 f f 状态。根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入 有关的元件寄存器中。 在内部处理阶段，p l c 检查内部状态是否正常，复位监视计时器，更新p l c 的系统状态，修改p l c 的系统参数等处理。这一阶段的处理，不同p l c 的处理 会有比较大的差异。 在通信处理阶段，p l c 与其他智能装置通信。例如与运行p l c 编程工具的 p c 机通信，执行p l c 编程工具的命令。 输出处理阶段，将输出寄存器的状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器， 通过硬件向外输出控制信号，得到p l c 的实际输出。 p l c 周期性地循环执行上述步骤，完整运行一次上述步骤地时间，称为扫描 周期。扫描周期反映了p l c 对输入信号的灵敏度或滞后程度，扫描周期是p l c 系统实时性的最重要指标，一般为几毫秒至几十毫秒。 江南大学硕士学位论文 p l c 的这种循环扫描的工作方式简单、直观，简化了程序设计，为p l c 的 可靠运行提供了保障。 2 3p l c 编程语言的解释原理 i e c 6 1 1 3 1 3 国际标准规定了五种编程语言，g b 厂r1 5 9 6 9 1 1 5 9 6 9 4 国家标准 规定了其中的四种。无论哪一种编程语言编程，最终在p l c 上运行的都应是相 同的程序，所以五种编程语言最终都应可以转化成同一种逻辑表述，并且可以相 互转化。 p l c 是从继电器控制电路发展来的，而梯形图是最贴近继电器控制逻辑的编 程语言，所以也被应用的最广泛。首先以梯形图为例，编制一个最常见形式的梯 形图，如图2 2 所示。 一 图2 2 梯形图程序 图2 3 的梯形图程序可转化成对应的指令表程序和功能块图程序，三者反应 完全一致的逻辑结果，功能块图程序如2 3 所示，指令表程序如图2 4 所示。 x 0 x 1 x 2 x 3 图2 3 功能块图程序 图2 4 指令表程序 三种p l c 程序的布尔代数表达式可写成： 以逻辑来二叉树来表示上述逻辑。逻辑二叉树以输入线圈作为二叉树的叶结 点，得到的结果为二叉树的根，逻辑二叉树如图2 5 所示。 一 一 褂 孽 第2 章p l c 原理 图2 ，5p l c 程序逻辑二叉树 另外还可以执行流作为基础，构建另外一种二叉树。以输入线圈作为二叉 树的所有节点，以二叉树的左右分支分别作为由此节点流出后的两个结果：第一 种为线圈闭合，用y 来表示；另一种结果为线圈断开，用n 来表示。流从梯形 图左轨的第一个输入线圈x o 流出，所以x o 作为根节点。输入线圈x o 有两种 状态：闭合( y ) 和断开( y ) 。由x 0 流出后有两个结果：第个结果，x 0 闭 合，则执行流就可以继续向梯形图的右导轨流去，流向输入线圈节点x 2 ；第二 个结果，x o 断开，则执行流向梯形图的下方流去，流向输入线圈节点x 1 。最终 会有两个结果：第一个，执行流最终达到右导轨，即输出线圈y o 有输出；另一 个结果，执行流没能达到右导轨，即输出线圈无输出。执行流向的二叉树如图 2 6 所示。 图2 6p l c 程序执行流二叉树 江南大学硕士学位论文 逻辑二叉树和执行流二叉树都可以作为p l c 程序的解释结果，也都可以作 为各种p l c 程序之间相互转化的中间代码。 第3 章p l c 规格髓计 3 1 编程模型 第3 章p l c 规格设计 p l c 支持2 种编程语言：梯形图( l a d d e rd i a g r a r l l ) 和指令表( i n s t m c t i o n “s t ) 。 但需要为其他编程语言提供接口，在功能扩充时使用。连接梯形图中作电源轨线 和右电源轨线的一个链路，作为一个支路( r u n g ) 。 支路( r u n g ) 作为p l c 程序最高级单位，支路( r u n g ) 可分为条件一结果 两部分。条件部分就是输入，结果部分就是输出。条件部分的节点不可连接到右 导轨，即不可以只有输入，而没有输出。结果部分，必须连接到右导轨上。 构成支路( r u n g ) 的单元，称作指令，指令在梯形图中作为一个节点，在 指令表中作为一行语句。所有的指令必须包含在一个支路中，即从左导轨连出的 指令( 节点) 必须通过其他节点连接到右导轨上。 指令由两部分构成：操作符和操作数。 编程模型总体结构如图3 1 所示。 用户程序 丁叫 ! 一篓竺 一篓墨 图3 1 编程模型总体结构 h h 江南大学硕士学位论文 3 1 1 指令属性 p l c 指令的属性包括：指令类别、输入属性、执行类型、操作数类型。这些 属性用于确定指令在支路中的与其他指令的逻辑关系，执行特性，允许的操作数 等。 1 指令类别 不同的p l c 指令在组成一个完整的支路( r u n g ) 时，根据指令的不同类别 判断指令与指令之间的逻辑关系，从而确定一个支路( r u n g ) 的逻辑结构。所 以，指令的类别由指令的逻辑属性所决定。按照指令的逻辑属性，可将指令分为 1 0 类，分别为：l d ，a n d ，o r ，o u t ，a n d l d ，0 r l d ，m c s ，m c r ，o t h e r ， l a b e l 。 a ) l d 指令，表示连接导轨的第一条指令，或者导引一个新的指令块。导轨， 可为左导轨或者由m c s 指令新开辟的子导轨。当l d 被用作导引新的指 令块时，之后必须有a n d l d 指令或者o r l d 指令确定两个指令块之间 的关系。l d 指令在一个支路( r u n g ) 中是作为条件的一部分，不可直 接连接到右导轨。 b ) a n d 指令，表示与前一条指令的关系是与( a n d ) 的关系。a n d 指令 在一个支路( r u n g ) 中是作为条件的一部分，也不可直接连接到右导 轨。 c ) 0 r 指令，表示与前一条指令的关系是或( 0 r ) 的关系。0 r 指令在一 个支路( r u n g ) 中是作为条件的一部分，也不可直接连接到右导轨。 d ) 0 u t 指令，表示线圈输出指令。o u t 指令必须连接到右导轨上，而且输 出指令的左端必须通过其他指令或者直接到左导轨上。o u t 类的指令是 针对线圈的指令。 e ) a n d l d 指令，表示此指令之前的由l d 指令导引的两块指令部分的关系 是与( a n d ) 的关系。 f )o r l d 指令，表示此指令之前的由l d 指令导引的两块指令部分的关系 是或( o r l d ) 的关系。 g ) m c s 指令，用于开辟新的导轨，之后要用l d 指令开始。 h ) m c r 指令，用于导轨复位，即与m c s 指令配对，将导轨恢复到前一条 m c s 指令时的状态。 i ) o t h e r 指令，表示非线圈输出指令，例如：加减乘除等运算类指令。 o t h e r 指令也必须连接到右导轨上，而且输出指令的左端必须通过其他 指令或者直接到左导轨上。与o u t 类指令的不同点是，o t h e r 指令是 针对非线圈输出的指令。 j ) l a b e l 指令，表示标号指令。标号指令构成特殊的一类支路( r u n g ) ， 第3 章p l c 规格醴计 这类支路只包括一条指令，而且也不用连接到左右导轨上。 2 输入属性 指令的输入属性只有支路( r u n g ) 的条件部分的节点才有。输入属性将所 有的输入节点分成3 类：常开，常闭，比较。 a ) 常开，表示输入指令的逻辑为正逻辑。例如：指令“l dm o ”，为常开 类型的输入指令，当m 0 闭合时，指令的结果就为“是”，当m o 断开时， 指令的结果就为“否”。 b ) 常闭，表示输入指令的逻辑为反逻辑。结果与常开类正好相反。例如：指 令 “l d i m o ”，为常闭类型的输入指令，当m 0 闭合时，指令的 结果就为“否”，当m o 断开时，指令的结果就为“是”。 c ) 比较，表示两个数值的比较指令。比较类的指令包括六个子类，分别为： 等于、不等于、大于、小于、大于等于、小于等于。 3 指令执行类型 指令的执行类型表示指令执行的有效阶段，可分为四种：上升沿、下降沿、 高电平、低电平。 a ) 上升沿，表示指令在上升沿执行。对于输入类的指令，上升沿是指输入 触点的上升沿，例如：指令“l d pm o ”，当m 0 由断开状态转变成闭 合的那一个扫描周期内，这条指令的结果为“是”，在其他时候，这条指 令的结果为“否”。对于输出类指令，上升沿是指输出指令条件的上升沿。 例如：指令“p l sm o ”，当p l s 指令的条件由“否”状态转变成“是” 的那一个扫描周期内，m o 的状态为“闭合”，在其他时候，这条指令的 结果为“断开”。 b ) 下降沿，表示指令在下降沿执行，与上升沿相反。对于输入类的指令， 下降沿是指输入触点的下降沿，例如：指令“l d pm o ”，当m o 由闭 合状态转变成断开的那一个扫描周期内，这条指令的结果为“是”，在其 他时候，这条指令的结果为“否”。对于输出类指令，下降沿是指输出指 令条件的下降沿。例如：指令“p l sm 0 ”，当p l s 指令的条件由“是” 状态转变成“否”的那一个扫描周期内，m 0 的状态为“闭合”，在其他 时候，这条指令的结果为“断开”。 c ) 高电平，针对输出类指令，表示高电平时执行。 d ) 低电平，针对输出类指令，表示低电平时执行。 4 指令操作数类型 指令操作数类型，表示指令带的操作数的类型，可分为：位指令、单字指令 和双字指令。 a ) 位指令，位指令表示指令带的是位操作数。 江南大学硕士学位论文 b ) 单字指令，单字指令表示指令带的是单字操作数 c ) 双字指令，双字指令表示指令带的是双字操作数 3 1 2p l c 操作数 p l c 操作数为指令的组成部分，不同指令带的操作数个数会不同。操作的种 类可分为8 类：常数、软元件、带偏移的软元件、位软元件合成的字、字软元件 的位、带偏移的位软元件合成的字、带偏移的字软元件的位、标号。 a ) 常数，直接输入的数值，允许的常数类型有两种：第一种，1 0 进制常数， 前缀为k ，例如：k 1 0 表示1 0 进制数l o ：第二种，1 6 进制常数，前缀 为h ，例如：h 1 0 表示1 6 进制数1 0 ，即1 6 。 b 1 软元件，软元件是直接以p l c 中的软元件作为操作数的类型。软元件的 类型见3 1 2 。例如：指令“l dm o ”中的操作数m o 的操作数类型即 软元件类型。 c ) 带偏移的软元件，带偏移的软元件是以p l c 中的软元件再经过偏移后， 作为操作数。其中，用于表示偏移量的必须是d 软元件。例如：指令 “l d m o d o 】”中，m o d o 是指令的操作数。m 0 【d 0 的操作数类型即 带偏移的软元件类型，如果指令执行时d o 的值为5 ，则那时m o d o 】表 示的含义为“m o + d o n 即m 5 。如果指令执行时d o 的值变为6 ，则 那时m o d 0 】表示m 6 。 d ) 位软元件合成的字，在位类型的软元件之前加上前缀d ，即表示位软元 件合成的字类型。例如：“d x l ”，表示x l x 2 1 这1 6 个x 位合成的一 个字的值。 e ) 字软元件的位，在字类型的软元件之后加上“$ ”，即表示字软元件的位 类型。例如：“d 1 5 ”，表示软元件d l 的第5 个位。 f ) 带偏移的位软元件合成的字，在位类型的带偏移软元件之前加上前缀d ， 即表示带偏移的位软元件合成的字类型。例如：“d x l d o 】”，如果指令 执行时d 0 的值为5 ，表示x 6 x 2 6 这1 6 个x 位合成的一个字的值。 g ) 带偏移的字软元件的位，在字类型的带偏移软元件之后加上“ ”，即表 示带偏移的字软元件的位类型。例如：“d 1 d o 5 ”，如果指令执行时d o 的值为5 ，表示软元件d 6 的第5 个位。 h ) 标号，类型分为两类：p 和i 。p 类型为普通标号类型，前缀位p ，i 类型 为中断标号类型，表示用户中断程序的开始，前缀为i 。 3 1 3p l c 的软元件 p l c 的软元件，是用户指令中构成操作数的基本元素。 第3 章p l c 规格设汁 表31p l c 的软元件 名称符号编号说明 x o x 7 7 本体 x 】0 0 x 1 7 7 # 】模块扩展 输入线圈 x x 7 0 0 x 7 7 7 # 7 模块扩展 y o y 7 7 本体 y 1 0 0 y 1 7 7 # 1 模块扩展 输出线圈 y y 7 0 0 y 7 7 7 # 7 模块扩展 中间线圈 mm o m x ) ( 步进状态 s s o s 1 0 2 31 0 2 4 个 系统线圈s ms m 0 s m 51 1共5 1 2 个 定时器tt o t 6 3 9 共6 4 0 个 计数器cc 0 c 6 3 9 共6 4 0 个 内部寄存器 dd o d 7 9 9 9 8 0 0 0 个 定时器当前值t d，t d 0 t d 6 3 9 对应每个定时器 计数器当前值c dc d o c d 6 3 9 对应每个计数器 系统寄存器 s ds d 0 s d 5 1 i 共有5 1 2 个 扩展内部寄存器 e de d 0 f l a s h 寄存器 f d f d 0 5 k 个寄存器 系统f l a s h 寄存器s f ds f d 0 s f d l 0 2 31 0 2 4 个 i d 0 0 0 j d 0 3i b d 板扩展 i d l 0 0 i d l 3 1 # l 模块扩展 扩展输入寄存器 1 d i d 7 0 0 i d 7 31 # 7 模块扩展 扩展输出寄存器 o d q d 0 0 0 q d 0 3j 3 2p l c 硬件结构和组成 p l c 本质上是用于控制的专用计算机系统，因此它与一般的嵌入式计算机系 统在结构上有很大的相似性。 p l c 系统由如下几个部分组成：主处理器、存储器、串口、数字量输入、数 字量输出、模拟量输入、模拟量输出、扩展总线。 江南大学硕士学位论文 1 中央处理器 图32 p l c 硬件结构 中央处理器( c e n 仃a ip r o c e s s i n gu t l i t ) 是可编程控制器的核心部件，整个p l c 的工作过程都是在c p u 的统一指挥和协调下进行的。目前，p l c 采用的微处理 器可分为：8 位，1 6 位和3 2 位。本课题采用的微处理器是瑞萨公司的m 1 6 c 处 理器，m 1 6 c 包含的主要功能有：“个1 6 位多功能定时器5 个带定时，3 个为 a b 相，3 个u 舢时钟同步型串行接口：1 0 路1 0 位a ，d 转换器，2 路8 位 d a 转换器。m 1 6 c 是一款c i s c 架构的微处理器，m 1 6 c 的指令集中包含位操 作指令，所以比较适合用来处理p l c 中的线圈操作，m 1 6 c 所提供的丰富的硬 件资源也使p l c 具备强大的功能。 2 存储器 p l c 中的存储器可分为断电保存存储器和断电不保存存储器。断电保存存储 器，用来保存p l c 参数设置、用户程序、断电保存的寄存器。断电保存存储器， 则用来保存断电不保存的寄存器以及被用作系统程序数据区。目前，断电保存存 储器通常使用f l a s h 存储器，本课题中使用的f l a s h 存储器容量为2 5 6 k ，其 中1 8 0 k 用作存储p l c 用户程序，所以用户程序容量可达到3 0 k 步。断电不保 存存储器一般使用静态r a m 存储器，本课题中使用的r a m 容量为6 4 k ，其中 用作寄存器的有5 6 k ，所以中间线圈个数可达到6 1 4 4 个，而寄存嚣的个数有8 0 0 0 个。 3 开关量输入输出 开关量输入输出要实现中央处理器与外设之问的开关量的联系，完成电平转 换t 电气隔离，提供具有足够驱动能力的各种数字驱动信号等工作。由于p l c 第3 章p l c 规格设计 一般对开关量的点数要求比较多，p l c 微处理器的i 0 通常不够，所以需要扩展。 一般扩展的方式有：通过