PLC教程理论篇之PLC-程序组织

PLC教程理论篇之PLC 程序组织关键词：程序组织、工程、硬件配置（组态）、符号编辑、初始化程序关键词：任务、循环任务、中断任务、组织块、函数块、功能块、数据块、多程序组织、多 CPU 程序组织1、 程序工程组织程序工程组织是指，怎样把各个功能不同的程序块，再加上硬件配置、相应的设定及地址分配，以至于网络配置，等等，组成一个工程的过程。所以，PLC 程序组织的目的，就是组织工程。一般讲，一个PLC的工程要包含一个或多个 PLC 的硬件配置、地址分配、有关设定及一系列程序或程序段（块）。具体的工程的内含，与 PLC 品牌、类型、型号及所用的编程软件有关。工程还是 PLC 程序、设定及其它数据的存储单位。OMRON PLC 工程文件它存储工程文件的扩展名为 CXP，是二进趾码，不可视的。还有扩展名为 CXT 的工程文件，是助记符的文本文件，未经压缩，可用文本阅读器阅读。CXT 的工程文件与 CXP 的工程文件可相互转换。如用 CXP 软件调出 CXP 工程文件，把它存成扩展名为 CXT 工程文件，即实现了前者到后者的转换。反之，也一样。OMRON 老的编程软件编的程序，也可转换为 CXT，进而转换为或直接转换 CXP 的工程文件。西门子 PLC 工程文件它 S7-200 存储工程文件的扩展名为 MWP，是二进趾码，不可视的。还有扩展名为 awl 的工程文件，是语句表的文本文件，未经压缩，可用文本阅读器阅读。当单击“File”菜单项下的“Export”项，将弹出如图 16-1 所示的对话框。在其上选择保存目录及键入文件名，再击“保存”按钮键即可进行存储。当单击“File”菜单项下的“Inport”项，将弹出类似如图 16-1 所示的打开对话框。在其上选择保存目录及键入文件名，再击“打开”按钮键即可打开 awl 文件。这时进行存贮，也可得到 MWP 文件。图 16-1 Awl 文件存贮对话框awl 文件不仅可视，还是它的程序仿真必须使用的程序输入文件。S-300、400 工程文件要用多个文件存储，并分布在多个子文件夹中，各个文件存储不同类型的数据。三菱 PLC 工程文件它存储工程文件用文件夹，含多个文件及子文件夹。各个文件存储着与工程有关的不同数据。文件夹名即为工程名。击文件夹下的 Gppw.gpj 或 Gppw.gps 文件，即可打开工厂文件夹，进入编程界面。图 16-2 示的为三种 PLC 用它的编程软件，组织的一个的工程。图 16-1 Awl 文件存贮对话框awl 文件不仅可视，还是它的程序仿真必须使用的程序输入文件。S-300、400 工程文件要用多个文件存储，并分布在多个子文件夹中，各个文件存储不同类型的数据。三菱 PLC 工程文件它存储工程文件用文件夹，含多个文件及子文件夹。各个文件存储着与工程有关的不同数据。文件夹名即工程名。击文件夹下的 Gppw.gpj 或 Gppw.gps 文件，即可打开工厂文件夹，进入编程界面。图 16-2 示的为三种 PLC 用它的编程软件，组织的一个的工程。显然，只有进行了程序组织，形成一个 PLC 工程，并对所编程序进行编译，且与 PLC 联机（本例有2 个 PLC，须分别与 2 个 PLC 联机），再把工程的中的程序、设置等全部下载给 PLC，PLC 才能正确运行这个工程中的程序。图 b 为三菱 Q 系列机工程。从图知，这个工程有 3 个程序，还有软元件注释、参数、软元件内存及 软元件初值等项目。其中参数项，可用于对 PLC 所使用的硬件进行配置，或说进行组态（Confiig）。图 c、d 为西门子 S7-300、400 机工程。从图知，这个工程有 4 个 PLC，两个 S7-400，两个 S7-300。还有两个网络，MPI 网及 Profibus 网。从图 d 知，S7-400（1）有 5 个程序块，即 OB1、OB2、FB1、DB1及 DB2。组织工程既是编程的开始。没有建立工程，也没有编程环境，无法编程。建立工程也是编程的归宿，只有通过工程进行程序编译，与 PLC 联机，并下载程序、设定等给 PLC，所编的程序才能起作用。工程还是 PLC 编程及设定等数据存储的容器，没有工程，这些数据无法保存，也无法调用。提示：如使用简易编程器编程，其所有操作，包括种种设定，全用手工实现。所以，也谈不上什么工程。PLC 程序组织的任务有：硬件配置（组态）、I/O 地址分配、符号表设计、模块工作参数设置、初始化程序或参数设计及有关程序合成。硬件配置（组态）：选定 PLC 的机型、CPU 型号；使用网络及网络通讯参数；机架及模块选定及编址；符号编辑与内部器件地址对应。所有这些，在组织程序时，都必须在软件的有关窗口中选定。具体见第 2 章关于编程软件的介绍。I/O 设计：对模块式 PLC，在程序组织时，才有 I/O 表设计问题。如 OMRON PLC，当要自行设计时，可双击工程工作区中的“I/O 表”项。击后，将弹出 I/O 表设计窗口，见图 16-3。图 16-3 I/O 表设计窗口从图知，利用该窗口，可对每一机架、槽位选用什么模块以及模块的有关参数进行选择。提供了可能的I/O 配置。你可按你的系统实际配置进行选择。该图正对机架 01 的槽位 02 进行配置。这是选定槽位 02后，在右击鼠标弹出的选择小窗口。从中可选择有关的模块。西门子 S7-300、400 机这些工作在是硬件组态窗口上进行。而三菱 PLC 则在“PLC 参数”窗口上进行。符（标）号编辑：在进行程序组织时、必须编辑符号表，务使所有的符号都有确定的实际地址与其对应。符号一般分为全局符号（变量）及局部符号（变量）。前者可在全局使用，后者则仅限于指定的程序中有效。符号（变量）一般是在符号编辑窗口上编辑，但西门子 PLC 还可在编程输入操作数时，对该操作数单独用对话框进行编辑，比较方便。设置：设置是指，在程序组织时所进行的种种项目设置，以确保 PLC 能正常工作。对 OMRON PLC 从前这些设定，都是直接在 DM 设定区中，写有关数据。而今有了 CXP 软件，可在设置窗口及弹出的窗口上进行。而这个设置的内容，又因机型不同而有所不同。对西门子、三菱 PLC 则都是在编程软件的有关设定窗口上进行。初始化程序与初始化数据：PLC 上电时，系统会对自身进行初始化。除掉电保持的数据区外，其它的内部器件全部清零。有的PLC 在 PLC 上电时会自动把内存卡中的程序装载到 CPU 的内存中，等等。故多数 PLC 自身的初始化问题，用户可不必理它，了解清楚怎么回事就可以了。而初始化程序是指，用 PLC 运行时，仅在第 1 扫描周期运行的程序，进行用户所希望的初始化。其目的主要是，实现用上述方法设置无法进行的设置及有关初始数据的赋值。初始化程序一般是通过仅第一扫描周期 ON 的特殊继电器调用。高档机也可用在第一扫描周期运行的程序（组织块）实现。但初始化程序的内容则是用户自己要编的。初始化程序有两个方面：1数据初始化主要是对要使用的数据赋初值。可用初始化程序，把要求的数直接写入相应软器件中，或用存于掉电保持的数据区中，然后再传给相应工作通道（或字）。此外，对 OMRON PLC 也可用内存窗口设定，然后联机，把设定数据下载给 PLC。由于它的 DM 区是掉电保持，其数据如不被修改，将长期保持。对西门子 PLC，可使用数据块设定数据，然后与程序一起下载给 LC。但应把该数据区设置为不是掉电保持的，这样重新运行 PLC 时，将始终为设定值。如果设定为掉电保持时，如数据有了修改，则将保留修改值，而不是初始的设定值。对三菱 PLC 还可用初始化数据块。2设定初始化如图 12-7b 程序就是初始化设定。要不要这样程序，用什么样的程序，取决于 PLC 及模块的型别。程序合成：程序合成，关键是这里的“各部分”怎么确定的。要先分，然后才有合。这就是将要讨论的程序组织方法。PLC 程序组织方法与 PLC 的品牌、类型、机型有关。大体上有，模块化组织、多任务组织及多 CPU组织。多工作模式：电路状态的设置。控制电路应使控制可处在不同的工作状态，以进行不同的控制。常见的有：手动工作状态：可对对象进行手动操作，以实现工作要求。调整状态：可使设备作空运转，以实现对设备的调整。自动工作状态：可以有若干种自动工作状态（工作方式）。这些状态、方式，可选择一个基本的进行设计，然后再考虑其它状态、方式。其间靠切换开关实现。从实用考虑，多数控制电路都是多种状态、多种方式的。所以，考虑这个问题也是设计电路的重要工作。二、多任务组织1任务关键词：任务、循环任务、中断任务、组织块、函数块、功能块、数据块、多程序组织、多 CPU 系统程序组织多任务（程序、模块）编程是针对高档 PLC 推出的编程方法。它可按要求，把大程序分成多个不同功能及不同工作方式的任务（小程序、模块）。用任务（小程序、模块）的种种调用，推进整个程序的执行，达到运行程序的目的。任务划分依 PLC 的型号不同而有所不同。大体上任务有两类：循环任务及中断任务。循环任务大体有 32 个（机型不同，可能有所不同）。任务编号从 0 到 31。循环任务 00 为起始循环任务。是首先要执行的任务，也是缺省要用的任务。如仅一个任务（最少也要有一个）则就是它。如有多个循环任务，PLC 开始运行，总是先按序号从小到大，依次周而复始不断地执行着。如被任务管理指令控制，则怎么管理，将怎么执行。中断任务较多，多达 256 个，机型不同，可能也有所不同。编号也是从 0 开始，0 到 255。中断任务由各种中断事件触发。有了中断事件，就暂时停止循环任务的执行，转去调用相应中断号的中断任务。而且，发生一次事件，仅调用一次。如果，同时有两个中断事件发生，则先调中断号小（优先级高）的任务，执行小的后，再执行大的。都执行完中断任务，再转回执行循环任务。图16-4 示的为多任务程序执行的情况。图 16-4 多任务程序执行中断任务有：电源断中断任务、定时中断任务、I/O中断任务、外中断任务。此外，有的机型还有扩充循环任务，是按循环任务处理的中断任务。编号在8000和8255之间的十进制数（值80008255定义0255扩充循环任务）。电源断中断任务优先级最高，用中断0号。中断1号、中断2号，用于内部定时中断。其定时间隔可用CXP编程软件设定。I/O中断要用到中断输入单元。其中断号与中断单元的输入点的编号相对应。如输入点为 0，则设定其中断任务号为100，其余类推。多任务编程是模块化编程的进一步发展。其好处与模块化组织还要多。如图 16-5 所示，这里任务的作了不同的组织，任务 ABC 及任务 ABD 就构成了两个不同的程序。很灵活。图 16-5 任务的不同组织构成不同的程序用多任务编程时，每一任务的最后一个指令应是END。它代表任务的结束。END指令之后的指令不执行。执行每一任务开始时，所有的标志位，如“大于”、“等于”均复位为0。每个任务可以有自己的子程序。而且，别的任务不能调用。但可以设计全局的子程序。这时，所有的任务均可调用。图16-6示的即为全局子程序使用的情况。图16-6 为全局子程序使用从图知，使用全局子程序，可减少程序代码。2任务管理任务管理，也就是任务调用及调用取消。有两种方法。由中断事件调用，针对中断任务（无需取消）；用指令调用与调用取消，针对循环任务。系统提供的指令调用指令为“任务 ON”。调用取消指令为“任务 OFF”。任务 ON：助记符号为 TKON（820），目的是 使得指定的任务执行。梯形图符号为：这里N - 循环任务号。N 应在其允许范围根据任务的类型指定。必须是十进制 00 和 31（十进制）之间的一个常数。（数值 0 31 定义任务 0 31）。对CS1-H，CJ1-H，和CJ1M CPU 单元，也可为扩充循环任务号。N 必须是一个在8000 和8255 （十进制）间的常数。（值8000 8255 定义扩充循环任务0 255）。执行本指令，可使指定的任务置于可执行状态。并把相应的任务标志（TK00TK31置ON。如果本指令指定任务号小于本任务号，指定的任务将从下一个循环开始执行。如果指定的任务号大本任务号，该任务在当前的循环执行。图16-7为以上两种调用情况的图解说明。图 16-7 两种调用情况图解任务OFF ：助记符号为TKOF（821）,目的是把指定的任务置为待机状态，即禁止任务的执行。梯形图符号为：这里N - 循环任务号。N 应在其允许范围根据任务的类型指定。必须是十进制 00 和 31（十进制）之间的一个常数。（数值 0 31 定义任务 0 31）。对CS1-H，CJ1-H，和CJ1M CPU 单元，也可为扩充循环任务号。N 必须是一个在8000 和8255 （十进制）间的常数。（值8000 8255 定义扩充循环任务0 255）。执行本指令，可使指定的任务置于待机状态，并把相应的任务标志（TK00TK31）置OFF。如果本指令指定任务号小于本任务号，指定的任务将从下一个循环开始待机。如果指定的任务号大于本任务号，该任务在当前的循环待机。情况如同图16-7对TKON指令的说明。3 OMRON PLC 任务组织任务组织包含任务的建立及调用。中断任务的建立主要是，作好有关软、硬件设定及编写中断处理程序。而它的调用不须组织，由中断事件调用。中断处理程序可按照控制或数据处理的要求编写，与以前讨论的没有本质差别。这里不再赘述。循环任务除了任务 00 外，所有的都要另行建立。调用也要组织。建立循环任务时，应在工作区中，先击“PLC 项”，再击插入“新程序”。然后，击“程序的属性”项，将弹出程序属性窗口，见图 16-8。图 16-8 程序属性窗口从图知，可从中选定本程序的任务类型及任务编号。同时，还可选定，操作开始时，是否执行本任务。如图 16-9 示的为循环任务 02，其名称为“新程序 3”，而且，操作开始时执行。任务除了一开始就让它执行，也可开始时不执行，而在某个条件下才执行。图 16-10 示的即为这样的例子。图 16-10 任务调用例子从图知，当 D0 的值增加到#50 时，才执行 TKON 1 指令，才把任务 1 调用。已调用的任务还可在一定的条件下，让其停止执行。图 16-11 示的即为这样的例子。图 16-11 使任务停止执行例子从图知，当 D2 增加到#30 时，将执行 TKOF 1 指令，将使任务 1（本例即自身这个任务）停止执行。可知，在多任务编程的情况下，编写好各任务的代码后，可很方便地，根据任务是否执行的情况进行组织。三、多模块组织西门子高档 PLC 的程序是分成模块组织的。S5 型的模块有五种：组织块（OB）、顺序块（SB）、程序块（PB）、功能块（FB）及数据块（DB）。而每种模块都应有不同的编号。S7 型机则分成三种，即组织块（OB）、程序块（FC、不带参数或 FB、带参数）及数据块（DB）。这些块与 OMRON 的任务有相同，而又有不同。在这几块程序中，OB1 块是重复地被扫描。即执行一次之后，又从头开始执行，始终不停。而有的组织块，只是定时或出现中断时执行，有的在 PLC 从停止到运行时执行一次等等。其它块，则由指令或事件调用。如果程序不复杂，可只在 OB1 中，编写所有用户程序，这种编程，西门子称之为线性编程。由于 OB1是重复地被扫描，故可按程序要求实现控制。如果程序复杂，其基本部分（需重复地被扫描的）放在 OB1 中。其余的，如中断工作的，初始化工作的等等，放在其它组织块中。而且组织块中的程序，可调用块的语句，如 Call 语句，调其它程序块。以 S7 型机为例，最简单的为模块编程可以这么编：在 OB1 块中，编两个调程序块的指令：即 Call FC1 及 Call FC2；在 FC1 块中，编写实现某个动作控制的一组指令；在 FC2 块中再编实现另一个动作控制的指令这样，只要这三个程序块下载给 PLC，再加上 PLC 中出厂装的其它系统程序块，PLC 运行后，即可实现对这两个动作的控制。如果要求再对第三个动作作控制，可在原有的 FC1 或 FC2 中修改程序；也可再增加一个程序块，如FC3，并在 OB1 中增加一条调 FC3 的语句；然后再下载给 PLC，即可实现。后者自然要简便得多。它不会对原已设计好的程序块产生干扰。显然，这里的 FC 块，与 CJ 机的循环任务有点类似。只是，FC 须调用，不调不工作。而循环任务，缺省是要调用。停止调用要用 TKOF 指令。FB 可设参数，可带参数调用。为面向对象编程提供方便。FB 设有参数，所以，使用应定义一个数据块与其绑定，并供其使用。除了 OB1，还有其它编号组织块。标号不同，功能也不同。只是，它用于定时处理的很多。还有出错处理，多 CPU 管理，启动管理等。当然，外中断处理也不少。再如有的仅运行一个扫描周期的，如 OB100，在暖启动时，运行一个周期，OB101，在热启动时，运行一个周期，OB102，在冷启动时，运行一个周期。等等。S7-300、400 无类似 OMRON PLC 那样启动时 ON 一个周期的特殊继电器，故用这几个组织块处理。前已提及，S7-300、400 机还有数据块，DB。数据块有两种：共享数据块及专用数据块（与 FB 绑定）。这些数据块也都是程序的一个不可分割的组成模块。在任一组织块或函数块中，可用 OPEN 指令打开共享数据块。打开后，可直接使用该块所定义变量。如未打开也可使用，只是在使用时，要指明使用的数据块编号。除了以上用户的编程模块。S7-300、400 机的编程软件，STEP 7 还提供有系统函数块及系统功能块。如第 4 章介绍的 PID 控制用的功能块 FB40，即为系统功能块。厂家开发的这些函数块及功能块，既增强了PLC 的功能，又简化的编程。并为面向对象编程创造了条件。西门子高档 PLC 是最早使用多模块组织它的程序的。其技术比较成熟。它不仅可多模块编程，还可分模块下载程序、调试程序。下载时，PLC 还可不停机，使用起来也比较方便。四、多程序组织三菱 Q 型机的多程序三菱高档 PLC 的程序是多程序组织的。一个（大）程序可分解为若干（小）程序。而各个（小）程序又可设定为种种不同的执行方式。这些执行方式有：初始执行（在 PLC 进入运行状态时，第一周期运行）、扫描执行（在 PLC 进入运行状态后的第二周期开始，每扫描周期均运行）、固定扫描执行（按设定时间间隔执行）、低速执行（在盈余的时间执行）及待机执行（调用它时才执行）。所设计的程序的执行方式可以用如图 16-12 所示的，PLC 编程软件的“参数设置”窗口设定。图 16-12 程序执行方式设定示例如图所示，这个工程有 5 个程序，其执行类型分别指定为扫描、初始化、待机、固定周期及低速。实际还可增加程序，执行方式也可与上述的重复。这些程序执行方式可运用相应指令予以改变。这些指令见表 16-1表 16- 1 三菱高档机改变程序执行方式所用指令提示：这里的（小）程序都是主程序的一部分，不是一般的子程序，也不是中断子程序。它可在编程时设定或在运行时改变其执行方式。图 16-13 示的为它的程序执行方式变化的图解。图 16-13 三菱高档机程序执行方式变化图解要提及的是，不同执行方式的（小）程序可以有多个。这时，除待机外，相同方式程序的执行，将按其编号升序执行。图 16-14 所示的即为，有多个初始执行方式程序的执行情况。图 16-14 多个初始执行方式程序的执行情况。图 16-15 所示的即为，有多个扫描执行方式程序的执行情况。图 16-15 多个扫描执行方式程序的执行情况。五、多 CPU 组织多 CPU 配置，指一个机架安装多个 CPU 模块。这可扩大 PLC 的控制控制规模，增强 PLC 的控制功能，加快 PLC 的响应速度，提高 PLC 的信息处理能力。是当今高档 PLC 发展的方向。不少 PLC 厂家一推出此类的 PLC 系统。西门子多 CPU 系统程序组织：它的一个主机架最多可安装 4 个 CPU 模块的。图 16-16 示的即为 S7-400 多 CPU 配置的例子。图 16-16 多 CPU 系统1 CR2 - ER从图知，它的主机架上配备有 4 个 CPU。这 4 个 CPU 相互通讯，同步工作，但各独立执行各的程序，各与各的信号模块（SM）、功能模块（FM）、通信模块（CP）及 I/O 模块相连。故控制任务可并行处理。而什么时候需要多 CPU 模块呢？程序量太大，一个 CPU 与内存难以处理，用多 CPU 分担处理；或系统中个别要求用特别快的速度处理，可另配置相应的 CPU。如果任务分工明确，用多 CPU 也好管理。三菱多 CPU 系统程序组织：三菱高档 Q 系列机，在主机板上可配置多达 4 个 CPU，组成多 CPU 的多元（各 CPU 可指定各控制模块）控制系统。而在 CPU 间，又可通过公用内存或相应指令，进行数据交换，以实现整个系统的工作协调。图 16-17 示的为两个 CPU 系统配置的简图。图 16-17 两 CPU 系统简图从图知，由软件设定，这里 QCPU1 控制模块 1、2、3、4，而 QCPU2 则控制模块 5、6、7。至于这两个 CPU 间的数据可通过公用