《可编程控制器应用技术》-第三章

3.1可编程控制器的硬件结构与基本形式3.1.1可编程控制器的硬件结构目前PLC种类繁多，功能和指令体系也各不相同，但都是以微处理器为核心，所以其结构和工作原理大致相同，可编程控制器其本质是工业控制专用计算机。它的软、硬件配置与计算机极为类似。可编程控制器的硬件结构主要包括中央处理单元(CPU模块)、存储器RAM和ROM、输入/输出模块、电源、I/O扩展接口、外部设备接口等。如图3-1所示。下一页返回3.1可编程控制器的硬件结构与基本形式1.中央处理单元(CPU模块)CPU模块主要由微处理器和存储器组成。它是PLC的核心部件，控制所有其他部件的操作。主要功能是:诊断内部电路工作状态及编程中的语法错误;采集并存储输入信号和输入的用户程序数据;按用户程序存储器中存放的先后顺序从存储器中读取指令，进行编译后，存入CPU模块内的指令寄存器中;按规定的任务完成各种运算和操作程序;刷新PLC的输出;响应各种外部设备。可编程控制器使用CPU芯片通常有3类。①通用微处理器，如Intel公司的8086,80186,Pentium系列芯片。②单片机，如Intel公司的MCS51/96系列单片机。上一页下一页返回3.1可编程控制器的硬件结构与基本形式③位片式微处理器，如AMD2900系列位片微处理器。

2.存储器可编程控制器中存储器主要用于存放系统程序、用户程序和数据。一般配有两种存储器:系统程序存储器和用户存储器。系统程序存储器用来存放系统程序，用户存储器用来存放用户编制的控制程序。常用的存储器类型有CMOS,RAM,EPROM和EEPROM

小型可编程控制器的用户程序存储器容量一般是固定的，大中型可编程控制器的用户存储器容量可由用户选择。上一页下一页返回3.1可编程控制器的硬件结构与基本形式3.输入/输出模块输入(Input)/输出(Output)模块简称I/O模块，PLC通过此模块实现与外围设备的连接，它是可编程控制器与工业生产设备或工业生产过程连接的接口，也是联系外部现场和CPU模块的重要桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号，输入信号有两类:一类是由按钮开关、行程开关、数字拨码开关、接近开关、光电开关、压力继电器等提供的开关量输入信号;另一类是从电位器、热电、测速电机、各种变送器送来的连续变化的模拟量输入信号。输入模块还需将这些各式各样的电平信号转换成CPU能够接收和处理的数字信号。上一页下一页返回3.1可编程控制器的硬件结构与基本形式输出模块作用是接收中央处理器处理过的数字信号，并把它转换成现场的执行部件能接收的信号，控制接触器、电磁阀、调节阀、调速装置;控制的另一类负载是指示灯、数字显示器和报警装置等。数字量(包括开关量)输入/输出模块，主要的问题是隔离问题，需将现场与可编程控制器实现电气隔离，从而保持系统工作的可靠性。模拟量输入/输出模块，主要问题是模/数转换与数/模转换的问题，电气隔离也是不可缺少的。

(1)开关量I/O模块的外部接线方式开关量I/O模块输入信号只有接通和断开两种状态。电压等级有直流5V,12V,24V,48V,110V和交流110V,220V等。上一页下一页返回3.1可编程控制器的硬件结构与基本形式各输入/输出点的通/断状态用发光二极管显示，外部接线一般接在模块面板的接线端子上。某些模块使用可拆装的插座式端子板，不需断开端子板上的外部接线，即可迅速地更换模块。开关量输入/输出模块的点数一般是2的n次方，如4,8,16,32点等。开关量输入/输出模块的外部接线方式有汇点式、分组式和分隔式，如图3-2所示。汇点式模块的所有输入/输出电路只有一个公共点，且共用一个电源。分组式模块的输入/输出点分为若干组，每一组的各输入/输出电路有一个公共点，它们共用一个电源。各组之间是隔开的，可分别使用不同的电源。上一页下一页返回3.1可编程控制器的硬件结构与基本形式分隔式模块的各输入/输出点之间相互隔离，每一输入/输出点可使用单独的电源，如将它们的COM端连接起来，这几个点就可以使用同一个电源。

(2)输入模块的电路结构输入电路中设有RC滤波电路，以防止由于输入触点抖动或外部干扰脉冲引起错误的输入信号。滤波电路输入电流约5mA~10mA,滤波延迟时间的典型值为10ms~20ms(信号上升沿)和20ms~50ms(信号下降沿)。输入电路一般有3种类型，关键是电气隔离。上一页下一页返回3.1可编程控制器的硬件结构与基本形式直流输入模块的内部电路和外部接线图，如图3-3所示(为说明问题以后各图只画出一路输入和输出，COM是公共点)。图中的输入信号触点直接接在公共点和输入端X001之间，不需外接输入回路的电源(PLC内部自带24V电源)。有的可编程控制器还可以为接近开关、光电开关之类的传感器提供24V直流电源，如图3-3所示。当图3-3中的外接信号触点接通时，传感器输出信号(接通)，经电阻串联分压后形成稳定电压，使光电隔离器的发光二极管亮，光电二极管导通;外接信号触点断开时，光电隔离器中的发光二极管熄灭，光电二极管截止，信号经内部电路形成适合CPU需要的标准信息。上一页下一页返回3.1可编程控制器的硬件结构与基本形式交流/直流输入电路如图3-4所示，输入触点接通后，输入信号被限流电阻降压后，再经滤波整流，交流电压或直流电压信号被转换为直流电流，经过发光二极管送给光电隔离器。另外，交流信号输入也可采用双向发光二极管来保证信号连续，如图3-5所示，显示用的两个发光二极管也是反向并联的，但此电路只能接受交流信号。

(3)输出模块的输出方式与电路结构可编程控制器的输出方式按负载使用电源(即用户电源)来分，有直流输出、交流输出和交直流输出3种方式;按输出开关器件的种类来分，有晶体管、晶闸管和继电器3种输出方式。输出电流典型值为0.5A~2A，负载电源由外部现场提供。上一页下一页返回3.1可编程控制器的硬件结构与基本形式输出电流的额定值与负载性质有关，如某端子输出可驱动AC220V/2A的电阻性负载，但只能驱动AC220V/80VA的电感性负载和100W的自炽灯(参见表3-1)。额定输出电流还与温度有关。继电器输出方式电路如图3-6所示，它可带直流也可带交流负载，电源由用户提供。继电器同时起隔离和功率放大作用，每一路只提供一对常开触点。与触点并联的RC电路和压敏电阻用来消除触点断开时产生的电弧。晶体管输出电路如图3-7所示，只能带直流负载，直流电源由用户提供。输出信号经光电隔离器送给输出晶体管，晶体管的饱和导通和截止状态，相当于触点的接通和断开。稳压管用来消除关断过电压和外部的浪涌电压，保护晶体管。上一页下一页返回3.1可编程控制器的硬件结构与基本形式双向可控硅输出电路如图3-8所示，只能带交流负载(属于交流输出方式)，交流电源由用户提供。输出信号经光电隔离器控制双向可控硅。RC电路和压敏电阻用来消除可控硅的关断过电压和外部的浪涌电压。按输出开关器件的种类分类的性能，如表3-1所示。

4.电源模块可编程控制器中的电源，有与CPU模块合二为一的，也有分开的。电源模块将交流电源转换成CPU、存储器等所需的直流电源，是整个PLC的能源供给中心。其性能的好坏直接影响到PLC的功能和可靠性。目前大多数可编程控制器采用高质量的开关稳压电源，其工作稳定性好，抗干扰能力强，可保证可编程控制器的正常工作。上一页下一页返回3.1可编程控制器的硬件结构与基本形式多数可编程控制器的电源模块的主要用途是为了PLC各模块的集成电路供电，同时，也为输入电路提供24V的电压。根据电源输入类型可将其分为:交流220V或交流110V;直流电源，常用直流24V。

5.特殊功能模块(功能模块或智能模块)

随着可编程控制器在工业控制中的广泛应用和发展，为了增强可编程控制器的功能，扩大其应用范围。生产厂家开发了许多供用户选用的特殊功能模块。上一页下一页返回3.1可编程控制器的硬件结构与基本形式(1)模拟量输入/输出模块模拟量的输入在过程控制中的应用很广泛，如温度、压力、流量、酸碱度、位移等工业检测都是对应电压、电流的大小模拟量，再经过一定的运算(如PID)后控制生产过程，达到一定的目的(如恒温、恒压等)。模拟量经传感器和变送器转换为标准的信号(按IEC标准为4mA~20mA电流信号，或1V~5V、-10V~10V,0~10V的直流电压信号)。输入模块用A/D转换器将它们转换成数字量，送给CPU模块处理。因此，模拟量输入模块又叫A/D转换输入模块。模拟量输出模块是将CPU模块处理后的二进制数字信号转换为模拟电压或电流，再去控制执行机构。因此，模拟量输出模块又叫D/A转换输出模块。上一页下一页返回3.1可编程控制器的硬件结构与基本形式总之，模拟量I/O模块的主要任务是完成A/D转换(模拟量输入)和D/A转换(模拟量输出)。小型可编程控制器往往没有模拟量I/O模块，或者只有通道数有限的8位A/D,D/A模块。大中型可编程控制器可以配置成百上千个模拟量通道，它们的D/A,A/D转换器是12位的。模拟量I/O模块的输入/输出信号可以是电压或电流;可以是单极性的如0~5V,0~10V,1V~5V,4mA~20mA，也可以是双极性的如士5V、士10V和士20mA，模块一般可输入多种量程的电流或电压。上一页下一页返回3.1可编程控制器的硬件结构与基本形式(2)高速计数器模块高速计数器模块是工业控制中常用的智能模块之一，它可把过程控制变量(如位置信号、速度值、流量值累计等)，送入可编程控制器。这些参量的变化速度很快，脉冲宽度小于可编程控制器扫描周期，按正常扫描输入/输出信号来处理，会丢失部分参量。因此，使用脱离可编程控制器而独立计数的高速计数器对这些参量计数。高速计数模块可对几十kHz甚至上MHz的脉冲计数，当计数器的当前值等于或大于预置值时，输出被驱动(这一过程与可编程控制器的扫描过程无关，可保证负载被及时驱动)。上一页下一页返回3.1可编程控制器的硬件结构与基本形式(3)PID过程控制模块比例/积分/微分(PID)控制模块是实现对连续变化的模拟量闭环控制的智能模块。可将PID模块看成为一个过程调节器。在PID模块上有输入/输出接口和进行闭环控制运算的CPU，模块一般可以控制多个闭环。PID过程控制如图3-9所示。

(4)中断输入模块与快速响应模块中断输入模块适用于快速响应的控制系统，接收到中断输入信号后，暂停正在运行的主程序，转而执行中断程序，执行完后返回继续执行主程序。快速响应模块的功能与通用的开关量I/O模块功能相似。主要区别是在相同条件下，快速响应模块能将输入量的变化较快地反映到输出量上。上一页下一页返回3.1可编程控制器的硬件结构与基本形式可编程控制器的输入量与输出量之间存在因扫描工作方式引起的延迟(输入量的变化，一般要在一个扫描周期后，才能反映到输出上)，这种延迟最长可达两个多扫描周期。用快速响应模块可实现快速输入/输出控制。模块输出响应的延迟仅受电路中的硬件影响，不受可编程控制器扫描周期影响。即模块的输出由输入量直接控制，同时还受用户秩序的控制。

(5)运动控制模块运动控制模块通过输出脉冲控制位置移动量和移动速度。可分为单坐标控制和双坐标控制，双坐标控制可实现两坐标运动协调，这实际上是通过可编程控制器运动控制模块实现的数控(NC)技术。上一页下一页返回3.1可编程控制器的硬件结构与基本形式位置控制一般采用闭环控制，用伺服电动机作驱动装置。如果用步进电动机作驱动装置，即可采用开环控制，也可用闭环控制。模块用存储器来存储给定的运动曲线，模块从位置传感器得到当前的位置值，并与给定值相比较，比较的结果用来控制伺服电动机或步进电动机的驱动装置。

(6)通信模块可编程控制器的通信模块相当于局域网中的网络接口，通过通信数据模块总线和可编程控制器的主机连接，用硬件和软件一起来实现通信协议。可编程控制器的通信模块一般配有几种接口，可以通过通信模块上的选择开关进行接口选择，实现与别的可编程控制器智能控制设备或计算机之间的通信。上一页下一页返回3.1可编程控制器的硬件结构与基本形式3.1.2可编程控制器的基本类型

1.按硬件外形和安装结构来分可编程控制器根据硬件外形和安装结构分为整体式、模块式和迭装式。

(1)整体式(基本单元式结构)

整体式(又叫箱体式)，即CPU模块、I/O模块和电源3大部分都装在同一机体内，结构紧凑。其特点是:体积小、成本低、安装方便;输入/输出点数固定，实现的功能和控制规模固定，灵活性较低。小型可编程控制器一般采用整体式结构，如图3-10所示。上一页下一页返回3.1可编程控制器的硬件结构与基本形式整体式可编程控制器某一系列的产品，通常提供多种不同I/O点数的基本单元和扩展单元供用户选用。基本单元内有CPU模块、I/O模块和电源，扩展单元内只有I/O模块和电源。它们之间用扁平电缆连接。各单元的输入点与输出点比一般固定为3:2。整体式可编程控制器一般还配有专用特殊功能单元，如模拟量I/O单元、位置控制单元、数据输入/输出单元等，使可编程控制器功能扩展。(2)模块式模块式又叫组合式，采用搭积木的方式组成系统。模块式可编程控制器采用的是总线结构，即在一块总线底板上有若干个总线槽，每个总线槽上可安装可编程控制器的一个模块，不同的模块实现不同的功能。上一页下一页返回3.1可编程控制器的硬件结构与基本形式可编程控制器的CPU模块与电源模块在总线框架的位置一般是固定的。其他模块可根据可编程控制器规模、实现的功能选择安装在总线板(框架)的其他任一总线槽上。模块式的可编程控制器安装完成后，需进行登记，以便可编程控制器对安装在总线上的各模块进行地址确认。模块式可编程控制器的总线板又称基板。模块式可编程控制器的特点是系统构成的灵活性较高，可构成不同控制规模和功能的可编程控制器，维修时更换模块也很方便。但价格较高。大、中型可编程控制器和部分小型可编程控制器采用模块式结构。图3-11给出模块式可编程控制器外形与I/O模块的内部结构。上一页下一页返回3.1可编程控制器的硬件结构与基本形式(3)迭装式迭装式可编程控制器吸取了整体式和模块式可编程控制器的优点，其基本单元、扩展单元和扩展模块的高度和深度相同，只是宽度不同。安装不用基板，仅用扁平电缆进行连接，且各单元可一层层地迭装。紧密拼装后组成一个整齐的长方体。既达到了配置灵活的口的，又做到了体积小巧。如图3-12所示。

2.按控制规模和存储容量来分可编程控制器规模是指I/O点数，一般用开关量的点数来计算(模拟量的点数可折算成开关量点数，一般一路模拟量相当于8点~16点开关量)。可编程控制器按容量大致可分为微型机、小型机、中型机、大型机。上一页下一页返回3.1可编程控制器的硬件结构与基本形式(1)微型机控制点数100点以下，用户程序存储器容量在1Ko(2)小型机控制点数在256点以下，用户程序存储器容量在2K及以下。

(3)中型机控制点数在256点~2048点，用户程序存储器容量一般为2K~8K。

(4)大型机控制点数在2048点以上，用户程序存储器容量达8K以上。上一页下一页返回3.1可编程控制器的硬件结构与基本形式3.按生产厂家分目前全世界生产可编程控制器的厂家约200多家，但大、中、小、微型均能生产的不太多。在中国市场占有较大份额，较有影响的公司已生产的可编程控制器系列机型，简介如下。

(1)美国罗克韦尔(ROCKWeII)自动化公司所属的A一B(Allen&Bradlly)公司

A一B公司生产的PLC一5系列及SLC一500系列小型PLC(2)德国西门子(Siemens)公司西门子公司生产的SS系列，具体有S5-95U,100U,115U,135U及155U0S7系列有S7-200、S7-300、S7-400等。上一页下一页返回3.1可编程控制器的硬件结构与基本形式(3)总部设在法国的施耐德(Schneider)自动化公司所属的美国莫迪康公司。生产984型可编程控制器在大型与微型之间共有20多个型号。

(4)美国GE-Fanuc:公司(美国GE公司与日本法南克公司合资)。生产90-20系列小型机、90-30系列中型机及90-70系列大型机。

(5)日本立石电机公司(OMRON公司)OMRON公司的中小型可编程控制器在我国应用很广。其产品主要有CPMlA/2A/2C系列、C200HX/HG/HE系列、CSI系列等。上一页下一页返回3.1可编程控制器的硬件结构与基本形式(6)日本三菱(MITSUBISHI)公司三菱公司的可编程控制器是较早进入中国的，其中小型机前期在国内用得较多，后又推出FX:系列与FX系列机，其中大型机为A系列机。

(7)日本松下电工公司松下公司生产的FPO系列为微型机、FP1系列为整体式小型机，FP2,FP3,FP10，FP10SH等为模块式(组合式)机。

(8)日本东芝公司东芝公司生产EX及EX一PLUS系列小型机。上一页返回3.2可编程控制器存储器的结构与分类

1.存储器的结构存储器是由多个寄存器构成。1位寄存器只能存放1位数字(二进制的“1”或“0");如要存放4位数，则需要4个寄存器，如要存放n位数字，则需要放n个寄存器。将一个寄存器作为一个存储单元，使用n个寄存器可构成n个存储单元，计算机中将它叫做存储器。计算机中表示1位十进制数至少要用4位二进制数来表示，即寄存1位十进制数只要用4个并行的寄存器，要寄存4位十进制数则要用16个寄存器(即16位二进制数)。可见位(Bit是二进制数字系统中最小的信息单位，用数字“1”和“0”表示。下一页返回3.2可编程控制器存储器的结构与分类为了表示存储器(并行寄存器的长度)容量，通常使用“字节”或“字”表示。字节(Byte)是操作单元的二进制序号，通常1个字节等于8位。字(Word)是一个操作单元和存储器位置中的序列数位组，通常1个字等于2个字节，也就是16位二进制信息单位。位、字节和字的关系如图3-13所示。第0位为最低有效位，第15位为最高有效位。上一页下一页返回3.2可编程控制器存储器的结构与分类2.存储器的分类系统程序由可编程控制器生产厂家设计且固化在ROM中，用户不能直接读取。存放系统软件的存储器称系统程序存储器，存放应用软件的存储器称用户程序存储器，存放工作数据的存储器称数据存储器。用户程序存储器的容量一般以字(每个字由16位二进制数组成)为单位，三菱的FX系列可编程控制器的用户程序以步为单位。小型可编程控制器用户程序容量在1K左右，大型可编程控制器用户程序容量可达数百K，甚至数兆(M)。可编程控制器常用存储器有4种类型。上一页下一页返回3.2可编程控制器存储器的结构与分类(1)随机存取存储器(RAM)RAM是一种读/写存储器，读写方便，存储速度快，价格低。但是断电后存储的信息将丢失。为了在关断可编程控制器电源后保存RAM中的用户程序和数据，为RAM配备了铿电池，一般铿电池可用3~5年，需更换铿电池时可编程控制器发出信号，通知用户。目前多数可编程控制器仍用RAM来存储用户程序。

(2)只读存储器(ROM)ROM的内容只能读出，不能写入，可将系统程序固化在ROM中，掉电后其内容仍保存，其内容一般不能修改。上一页下一页返回3.2可编程控制器存储器的结构与分类(3)可擦除只读存储器(EPROM)EPROM在紫外线照射芯片上的透镜窗口可以擦除存储器中的全部内容。用可编程控制器厂商提供的EPROM写入器写入新的程序，在断电时，存储器内的内容保持不变。一般PLC厂家用ROM或EPROM存放系统程序。

(4)可电擦除的只读存储器(EEPROM

使用编程序能很容易地对EEPROM中的内容进行修改。EEPROM兼有ROM的断电保持内容和RAM的随机存取优点。但是它写入信息时间比RAM长得多，(读/写过程约需10ms~15ms，但比EPROM要短得多，其价格比RAM和EPROM价格高，执行读/写操作的次数有限，约1万次。EEPROM用来存放用户程序和需要长期保存的重要数据。上一页返回3.3可编程控制器的软件系统

可编程控制器软件系统主要由系统软件(系统程序)和应用软件(用户程序)组成。系统软件相当于计算机的操作系统，使可编程控制器具有基本智能，完成设计者规定的工作。系统程序由可编程控制器生产厂家设计且固化在ROM中，用户不能直接读取。可编程控制器的用户程序是用户运用编程语言设计编写出的程序，决定了可编程控制器的输入信号与输出信号之间的关系。下一页返回3.3可编程控制器的软件系统3.3.1可编程控制器的系统软件可编程控制器系统程序主要由3部分组成。

(1)管理程序管理程序是系统控制中心，管理可编程控制器的所有资源，控制可编程控制器各部件的操作，输入/输出、数据与代码的传送与存取、算术与逻辑运算等操作，对可编程控制器系统各部件进行自检和故障诊断。

(2)编译程序编译程序相当于一个翻译，能把用户编的梯形图程序、助记符源程序和高级语言源程序翻译成PLC能够识别的机器语言。上一页下一页返回3.3可编程控制器的软件系统(3)系统调用功能模块系统调用功能模块(专用标准程序块)由许多独立的功能模块组成，通过系统调用实现某种独立的功能，如输入/输出及特殊运算操作。PLC根据不同的控制要求，选用不同的模块完成不同的操作。3.3.2可编程控制器的应用软件可编程控制器应用程序包括:可编程控制器厂商开发的供用户使用的且能在各种平台下使用的编程软件;用户程序是用户在软件平台上运用可编程控制器的编程语言，根据控制要求设计编写出的程序。上一页下一页返回3.3可编程控制器的软件系统用户程序存储在系统程序指定的存储区内，其最大容量也是由系统程序限定的。在小型可编程控制器中其循环扫描工作方式决定了用户程序通常多为顺序结构，即从第一条指令至最后一条指令，不断循环扫描。大中型可编程控制器的用户程序庞大而复杂，一般都采用模块化结构，就是将一个大程序划分成多个功能模块，然后按功能模块来编程，最后再把各部分调试组合成一个完整的程序。

1.用户程序的编程语言可编程控制器一般备有多种编程语言，供用户选择。与个人计算机相比，可编程控制器的硬、软件体系结构是封闭的，而不是开放的。上一页下一页返回3.3可编程控制器的软件系统各厂家编程语言虽多用梯形图、指令表等，但具体的指令和表达方式有较大的区别，因此各厂家的可编程控制器互不兼容。给用户的使用带来不便。为解决这一问题，IEC(国际电工委员会)于1994年5月公布了可编程控制器标准(IEG1131，该标准由5部分组成:通用信息、设备与测试要求、编程语言、用户指南和通信。其中的第3部分(IEC1131一3)是可编程控制器编程语言标准。

IEC1131一3详细说明了句法、语义和5种编程语言的表达方式，即顺序功能图(Sequentialfunctionchart、梯形图(Ladderdiagram、功能块图(Functionblockdiagram),指令表(Instructionlist)和结构文本(Structuredtext。上一页下一页返回3.3可编程控制器的软件系统其中有两种图形语言—梯形图(LD)和功能块图(FBD)，有两种文字语言—指令表(IL)和结构文本(ST)，而顺序功能图(SFC)可以认为是一种结构块控制程序流程图。此外IEC1131一3标准还允许编程者在同一程序中使用多种编程语言，使编程者能选择不同的语言来适应特殊的工作要求。几乎所有的可编程控制器生产厂家都表示赞同IEC1131一3标准，目前也有不少厂家提供了符合IEC1131一3标准的某种或几种编程语言供用户选用，但因种种原因，各厂家自定的可编程控制器专用编程语言仍在普遍使用，(目前只停留在各厂家内部系统产品之间不同语言的相互转换上)，因此，全面实施IEC1131一3标准还需一个逐步推广应用的过程。上一页下一页返回3.3可编程控制器的软件系统(1)梯形图梯形图(LD)表达方式是在继承传统的继电器系统逻辑控制的基础上演变而来的与电气控制原理图相对应，具有直观、形象、易读的优点。当前各国生产的可编程控制器，虽然有一定差异，但在编辑语言上，都采用了梯形图编辑方式。梯形图是使用最多的可编程控制器图形编辑语言。特别适用于开关量逻辑控制。梯形图已为广大电气技术人员所应用，通常将梯形图称电路或程序，将梯形图的设计叫编程。熟悉电路工作的编程人员也习惯使用这种语言。

IEC1131一3的梯形图中除了线圈、常开触点和常闭触点，还允许增加功能和功能块。上一页下一页返回3.3可编程控制器的软件系统施耐德公司的MicroPL7编辑软件，提供了符合IEC1131一3标准的梯形图和指令表语言。如表3-2所示。(2)指令表指令表(LD)语言又称为语句表语言或助记符语言，与微型计算机的汇编语言类似但比汇编语言直观、易懂，编辑简单，指令以助记符的方式给出。每条指令由助记符(指令码)和操作数(参数如:作用元件编号)等组成。助记符(指令码)用来指定要执行的功能，指定CPU该进行什么操作;操作数(如:编程元件号)包含为执行这一操作所需的数据，指定CPU用什么地方(编程元件)的数据执行此操作。上一页下一页返回3.3可编程控制器的软件系统指令表更适应熟悉可编程控制器和逻辑编程设计的经验丰富的程序员。指令表可实现某些不能用梯形图或功能块图实现的功能。西门子公司的PLC用户手册将指令表称为语句表。

(3)功能块图功能块图(FBD)是一种类似数字逻辑电路的编程语言，基本沿用了数字逻辑电路的逻辑框图表示，一般一个框图表示一种功能，框图内符号表达了其功能，功能块图中每个框图有输入和输出端，输出与输入变量的关系使用“与”、“或”、“非”等逻辑表示，框图之间的连接方式与电路的连接方式基本相同。信号是从左向右流动的。上一页下一页返回3.3可编程控制器的软件系统在与控制元件之间的信息，数据流动有关的应用场合，功能块图是很有用的。具有数字电路基础的人员很容易掌握功能块图编程语言。

(4)结构文本结构文本(ST)是以语句和表达式为其基本术语的一种语言形式，是IEC为IEC1131一3标准创建的一种专用的高级编程语言。与梯形图及功能块图相比，结构文本有两大优点:能实现复杂的编程;结构非常简洁和紧凑。

(5)顺序功能图顺序功能图(状态转移图)是位于前4种编程语言之上的图形语言。它提供了一种组织程序的图形方法，用框图来表示程序的执行过程及输入条件与输出相应之间的关系。上一页下一页返回3.3可编程控制器的软件系统在顺序功能图中可以用别的语言嵌套编程。顺序功能图主要由步、转换和动作三元件组成(如图3-14所示)。步是一种连接块，对应特定控制任务的编程连接;动作是控制任务的独立部分;转换是一任务到另一任务的原因。

(6)梯形图格式的一般规律梯形图由多个梯级组成，每个梯级至少包含一个输出元件。每个梯级可由多个支路组成，通常每个支路由若干个编程元件组成，其中输出元件放在最右边。在用梯形图编程时，遵循从上至下绘制原则，只有在一个梯级编程完成后，才能继续对后边的进行编程。两侧的竖线类似电气控制图电源线，在梯形图中称公共母线(Busban)。上一页下一页返回3.3可编程控制器的软件系统每一行从左向右，左侧母线总是连接触点，且将并联接点(触点)多的支路靠近左侧母线。输入接点不论是外部的按钮、行程开关，还是内部继电器触点，在梯形图中只有常开触点和常闭触点两种情况，不涉及其物理属性。输出线圈用圆形或椭圆形表示。梯形图中的每一个编程元件的表示符号要按规则标注。通常由一表示该元件属性的字母再紧跟数字串构成。如Y30,Y表示输出继电器，30代表输出继电器的编号(序号)。上一页下一页返回3.3可编程控制器的软件系统2.三菱工控产品的实用编程软件

(1)三菱FX-FCS/WIN-E/-C和SWOPC-FXGP/WIN-C

这些软件是应用于FX系列可编程控制器的编程软件，可在Windows下运行。可通过梯形图、指令表来编写可编程控制器程序，创建的程序可在串行系统中与可编程控制器进行通信、文件传送、操作监控以及完成各种测试功能。

(2)GXDeveloper软件

GXDeveloper软件(GX开发器)支持对当前三菱电机所有系列可编程控制器的编程。包括Q系列、QnA系列、A系列、Motion系列及FX系列。可通过梯形图、指令表及状态转移图(SFC)来编写可编程控制器程序。上一页返回3.4可编程控制器的基本工作原理3.4.1可编程控制器的工作方式可编程控制器与普通微机在许多方面有相似之处，但其工作方式却与微机有很大的不同。计算机一般采用等待命令的工作方式，如在常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式下，有键按下或I/O有输入动作则转入相应的子程序;无键按下或I/O无输入动作则继续扫描键盘和I/O口。可编程控制器则采用循环扫描工作方式，当可编程控制器运行时，用户程序中有众多的操作需要执行。但CPU是不能同时执行多个操作的，它只能按分时操作原理每一时刻执行一个操作，即CPU从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环。由于CPU的运算处理速度很高，使得外部出现的结果从宏观来看似乎是同时完成的。下一页返回3.4可编程控制器的基本工作原理可编程控制器虽可作为继电控制盘的替代物，但它与继电器控制逻辑的工作原理有很大差别。继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果一个继电器的线圈通电或断电，该继电器的所有触点(包括常开、常闭触点)不论在继电器电路的哪个位置上都会立即同时动作。然而可编程控制器的CPU则采用顺序逐条地扫描用户程序的运行方式，如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点(常开、常闭触点)就不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。为了消除两者之间由于运行方式不同而造成的差异，要求可编程控制器扫描用户程序的时间均小于100ms，而继电器控制装置中各类触点的动作时间一般在100ms以上。这样可编程控制器与继电器控制装置在I/O的处理结果上没有什么差别。因此可编程控制器采用了一种不同于一般微型计算机的工作方式—扫描技术。上一页下一页返回3.4可编程控制器的基本工作原理3.4.2可编程控制器的扫描过程可编程控制器工作方式是在系统软件控制下，扫描输入的状态(输入刷新)，按用户程序进行运算处理，向输出端发出相应的控制信号(输出刷新)。整个过程可分为5个阶段:内部处理(自诊断);与计算机或编程器等的通信;现场输入信号的采集;用户程序执行;输出信号与驱动。如图3-15所示流程为可编程控制器的扫描过程。可编程控制器这种周而复始的循环工作方式称扫描工作方式。由于可编程控制器的CPU执行指令的速度极快，从外部输入/输出关系看处理过程几乎是同时完成的。上一页下一页返回3.4可编程控制器的基本工作原理可编程控制器有两种基本工作状态:运行(RUN)状态与待机(STOP)状态。在运行状态可编程控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制。为使可编程控制器的输出及时地响应随时变化的输入信号，不断地重复执行用户程序。在待机状态下，可编程控制器进行内部处理(自诊断)与通信处理2项工作。切换到运行状态，每次循环过程中可编程控制器要完成内部处理(自诊断)、通信处理、输入采样、程序执行、输出刷新5项工作(图3-15)，不断地循环。直到可编程控制器停机或切换到待机(停止、STOP)状态。上一页下一页返回3.4可编程控制器的基本工作原理1.内部自诊断阶段每次扫描用户程序之前都先执行故障自诊断程序。自诊断内容为:I/O存储器、CPU等是否正常。发现异常停机显示出错信息，将监控定时器复位，以及完成其他一些别的内部处理工作;如无异常，则继续向下阶段扫描。

2.通信处理阶段可编程控制器检查是否有与编程器或计算机等带微处理器的智能装置的通信请求，若有则进行相应处理，如响应编程器送来的程序、命令和数据，更新编程器的显示内容;完成与计算机的程序数据等的接收和发送任务。上一页下一页返回3.4可编程控制器的基本工作原理当可编程控制器处于待机(停止、STOP)状态时，只执行以上2个阶段的操作。当可编程控制器由停止状态切换到运行(RUN)状态时，除完成以上2个阶段扫描的工作外，还要向下阶段扫描完成(用户程序)3个阶段的操作(如图3-16所示)。可编程控制器的存储器专门设置了输入映像寄存器和输出映像寄存器，用来存放输入信号和输出信号状态。它们与输入、输出端子对应。可编程控制器梯形图中的编程元件也有对应的映像存储区，它们与输入、输出映像存储区统称为元件映像寄存器。上一页下一页返回3.4可编程控制器的基本工作原理执行用户程序所需现场信息都从输入映像寄存器取用，而不直接到外设去取。同样输出被控对象的控制信息，也不采用形成一个就输出和改变一个的控制方法，而是先将它们存放在输出映像寄存器。当用户程序扫描结束后，将所有存放在输出映像寄存器中的被控对象的控制信息集中输出，改变被控对象的状态。那些在一个扫描周期内未发生变化的变量状态，就输出一个与前一周期同样的信息，因而不会引起外设工作的变化。

3.输入处理阶段(读入现场信号)

可编程控制器以扫描方式，将输入端的信号(接通/断开，即ON/OFF或“1"/“O”)状态全部存入输入映像寄存器，称输入刷新。上一页下一页返回3.4可编程控制器的基本工作原理外部的输入触点电路接通时，对应的输入映像寄存器状态为“1"，梯形图中对应的输入继电器的常开触点接通，常闭触点断开。外部的输入触点电路断开时，是一个相反的过程。在非输入处理阶段，无论外部输入信号状态如何变化，输入映像寄存器的状态都保持不变，直到下一个扫描周期的输入处理阶段才读入新的变化了的信息。

4.程序执行阶段可编程控制器在程序执行阶段，从用户程序第一条指令开始，逐条顺序地执行程序指令，直到用户程序结束。在执行指令时，从输入映像寄存器或元件映像寄存器中将有关编程元件的数据(“0”或“1"读出，根据程序中指令的要求进行相应的逻辑运算并将结果存入相应的元件映像寄存器中，可见，各编程元件的映像寄存器(输入映像寄存器除外)内的内容随着程序的运行而发生变化。上一页下一页返回3.4可编程控制器的基本工作原理5.刷新输出阶段可编程控制器在执行完所有指令后，将输出映像寄存器中的数据("0”或“1")转存在输出锁存器，并通过隔离电路，向外输出控制信号(数据)。用户程序梯形图中某输出继电器的线圈“通电”，对应的输出映像寄存器状态为“1”。信号经输出电路隔离和功率放大后，继电器型输出电路中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电。若梯形图中输出继电器线圈“断电”，则外部负载断电。可编程控制器在每次扫描中，对输入信号采样一次，对输出刷新一次。这就保证了可编程控制器在执行程序阶段时，输入映像寄存器和输出锁存电路中的内容和数据保持不变。上一页下一页返回3.4可编程控制器的基本工作原理3.4.3可编程控制器对输入/输出的处理根据可编程控制器的工作特点，可得可编程控制器的输入/输出处理的原理。①输入映像寄存器的数据(状态)取决于输入端子板上各输入点在本扫描周期的输入处理阶段所刷新的状态("0”或“1")。②程序的执行取决于用户程序内容，输入/输出映像寄存器的内容及其他各元件映像寄存器的内容。③输出映像寄存器(包括各元件映像寄存器)的数据(状态)，由用户程序中输出指令的执行结果决定。④输出锁存器中的数据(状态)，由上一个扫描周期的输出处理阶段存入到输出锁存器中的数据确定，直到本扫描周期的输出处理阶段其数据才被刷新。上一页下一页返回3.4可编程控制器的基本工作原理⑤输出端子上的输出数据(状态)，由输出锁存器中的数据决定。下面用一个简单的例子进一步说明可编程控制器的工作过程。如图3-17所示是可编程控制器的外部接线与扫描工作过程示意图，启动按钮SB1和停止按钮SB2的常开触点分别接可编程控制器输入端子排的X0和X1端子，交流接触器KM的线圈接可编程控制器输出端子Y0。图3-17中所示可编程控制器内部是几个I/O变量对应的I/O映像寄存器。输入、输出映像寄存器之间为可编程控制器的梯形图，它与异步电动机的启动、自锁、停止的继电器控制电路的功能相同。但是应注意，梯形图是一种软件，是可编程控制器图形化的程序。上一页下一页返回3.4可编程控制器的基本工作原理梯形图中的X0,Y0等是梯形图中的编程元件。编程元件X0与接在输入端子X0的SB1的常开触点和输入映像寄存器X0相对应，编程元件Y0与输出映像寄存器Y0相对应，也与接在输出端子Y0的可编程控制器内的输出电路相对应。梯形图以指令的形式存储在可编程控制器的用户程序存储器中。图3-17所示的梯形图与下面的4条指令相对应("-”之后是该指令对应的触点或线圈注释)LDX0-接在左侧母线上的X0的常开触点。ORY0-与X0的常开触点并联的Y0的常开触点。ANIX1-与并联电路串联的X1的常闭触点。OUTY0-Y0的线圈。上一页下一页返回3.4可编程控制器的基本工作原理

所示的梯形图完成的逻辑运算为在输入扫描阶段，CPU将SB1,SB2的常开触点的数据状态读入相应的输入映像寄存器，外部触点接通时存入映像寄存器的是二进制数“1"，反之存入“0"

在执行程序阶段，执行第1条指令时，CPU从输入映像寄存器X0中取出二进制数数据并存入运算结果寄存器。执行第2条指令时，从输出映像寄存器Y0中取二进制数数据，并与运算结果寄存器中的二进制数数据相“或”(触点的并联对应“或”运算)，运算结果存入运算结果寄存器。上一页下一页返回3.4可编程控制器的基本工作原理执行第3条指令时，取出输入映像寄存器X1中的二进制数数据，因为是常闭触点，取反后与前面的运算结果相“与”(电路中的串联对应于“与”运算)，运算结果存入运算结果寄存器。执行第4条指令时，CPU将运算结果寄存器的二进制数数据送入Y0的输出映像寄存器。在刷新输出阶段，CPU将各输出映像寄存器中的二进制数数据传送给输出模块并锁存起来，并由输出端子输出(直到下个扫描周期的刷新输出为止)。如果输出映像寄存器Y0中存放的是二进制数“1"，外接的KM线圈通电，反之将断电。上一页下一页返回3.4可编程控制器的基本工作原理设按钮SB1,SB2和KM的起始状态都为“0"，按下启动按钮SB1,CPU读入输入映像寄存器X0状态为“1",X1的状态为“0"，经逻辑运算后Y0为“1”状态，在刷新输出阶段，将Y0对应的输出映像寄存器中的“1”送到输出模块，可编程控制器内Y0对应的硬件继电器的常开触点闭合，交流接触器KM的线圈通电动作，外部负载工作。反之当KM的线圈通电负载运行后，按下停止按钮SB2,CPU读入输入映像寄存器X0状态为“0",X1的状态为“1"，经过上述逻辑运算后，Y0为“0”状态，此时输出映像寄存器Y0中的状态为“0"，在刷新输出阶段，Y0对应KM的线圈断电，外部负载停止工作。上一页下一页返回3.4可编程控制器的基本工作原理3.4.4可编程控制器的扫描周期与输入/输出滞后可编程控制器经过5个阶段的工作过程，称为一个工作周期;态扫描5个阶段所需时间称为扫描周期(其典型值为1ms~100ms在运行(RUN)工作状)。完成一个扫描周期，又重新执行上述过程，扫描周而复始地进行。扫描周期是可编程控制器的重要指标之一，在可编程控制器正常工作情况下，扫描周期T为:T=(运算速度x程序步数)+I/O刷新时间+故障诊断时间

以三菱公司FX系列某型可编程控制器为例，其内部自诊断时间为1.2ms;执行编辑器等外部设备命令所需时间为1ms~2ms，没有外部设备与可编程控制器连接时该段时间为0;I/O刷新时间菠<=1ms。上一页下一页返回3.4可编程控制器的基本工作原理可见执行用户程序时间在扫描周期中占相当大的比例。因此扫描周期主要由用户程序的长短、指令的种类和CPU的运算程度决定。输入/输出滞后时间又称系统响应时间，是指可编程控制器输入信号发生变化时刻到它控制的输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔。响应时间由输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间3部分组成。输入模块的RC滤波电路主要用来消除由于输入端引人的干扰噪声和因外部输入触点动作时产生的抖动引起的不良影响，RC电路的时间常数决定了输入滤波时间的长短，其典型值为10ms。上一页下一页返回3.4可编程控制器的基本工作原理输出模块的滞后时间与模块的类型有关，继电器输出电路滞后时间一般在10ms左右;晶体管型输出电路的滞后时间小于1ms;双向晶闸管输出电路在负载接通时的滞后时间约为1ms，负载由导通到断开时的最大滞后时间为10ms。当可编程控制器的CPU接收对应于输入扫描阶段的输入信号时，用于响应的时间主要取决于扫描周期。

(1)可编程控制器的最小I/O响应时间当可编程控制器的CPU刚好在输入扫描阶段扫描读入一输入信号，则响应最快。此时响应时间等于可编程控制器的扫描周期加上输入延迟时间和输出延迟时间，如图3-18所示。上一页下一页返回3.4可编程控制器的基本工作原理

(2)可编程控制器最大I/O响应时间当可编程控制器刚好在输入扫描阶段之后收到输入信号，则响应时间最长。因为CPU要到本次扫描末尾刷新输出阶段之后才能读取输入信号，所以最大响应时间是输入延迟时间与输出延迟时间加两次扫描周期之和，如图3-19所示。

由上述可知:由扫描工作方式引起的延时时间最长可达两个多扫描周期。总之可编程控制器的响应延迟时间一般只有几十毫秒，对于一般的控制系统是适用的。而对于一些具有定时控制要求的系统或对输入/输出响应要求高的系统，可选用扫描速度快的可编程控制器或采取其他措施。上一页返回3.5特殊功能模块

现代工业控制给PLC提出了许多新的课题，仅仅用通用I/O模块来解决，在硬件方面费用太高，在软件方面编程相当麻烦，某些控制任务甚至无法用通用的I/O模块来完成。为了增强PLC的功能，扩大其应用范围，PLC厂家开发了品种繁多的特殊用途的功能模块，包括带微处理器的智能模块。特殊功能模块包括模拟量I/O模块、通信模块和功能扩展板、高速计数与运动控制模块。

1.高速计数器模块

PLC梯形图程序中的计数器的最高工作频率受扫描周期的限制，一般仅有几十赫兹。在工业控制中，有时要求PLC有快速计数功能，计数脉冲可能来自旋转编码器、机械开关或电子开关等。下一页返回3.5特殊功能模块FX系列的基本单元有高速计数功能，此外还可以使用高速计数模块，高速计数模块可以对几十千赫兹甚至上百千赫兹的脉冲计数，它们大多有一个或几个开关量输出点，当计数器的当前值等于或大于预置值时，可以通过终端程序及时地改变开关量输出的状态。这一过程与PLC的扫描过程无关，可以保证负载被及时驱动。

FX2N的高速计数模块FX2N-1HC有1个高速计数器，用于单相/双相最高50kHz的高速计数，通过外部输入信号或PLC的程序，可以使计数器复位或启动计数过程。上一页下一页返回3.5特殊功能模块单相1输入和单相2输入时计数频率小于50kHz，双相输入时可以设置为1倍频、2倍频和4倍频模式，4倍频是指在互差90。的两相信号的上升沿和下降沿都计数。计数值为32位有符号二进制数，或二进制16位无符号数(0~65535。计数方式可以选择为自动加/减计数(1相2输入或2相输入时)和加/减计数(1相1输入时)。可以用硬件比较器实现设定值与计数值一致时产生输出，或用软件比较器实现一致输出(最大延迟200us。它有两点NPN集电极开路输出，额定值为DCSV~12V,0.5A。可以监视瞬时值、比较结果和出错状态。上一页下一页返回3.5特殊功能模块2.FX2N-1PG脉冲输出模块

FX2N-1PG有定位控制的7种操作模式，一个模块控制一个轴，FX2N系列PLC可以连接8个FX2N-1PG模块，控制8个单独的轴。输出脉冲频率可达100kHz，可以选择输出加脉冲、减脉冲和有方向的脉冲。在程序中占用8个I/O点，用于FX2N和FX2NC。

3.FX2N-10PG脉冲输出模块

FX2N系列PLC可以连接8个模块，输出脉冲频率最高1MHz，最小启动时间为1ms,定位期间有最优速度控制和近似S形的加/减速控制，可以接收最高30MHz的外部脉冲输入，表格操作使多点定位编程更为方便。在程序中占用8个I/O点，用于FX2N和FX2NC。上一页下一页返回3.5特殊功能模块4.FX2N一10GM和FX一20GM定位单元

FX2N一10GM是单轴定位单位，FX-20GM是双轴定位单元，可以执行直线插补、圆弧插补，或独立双轴控制，可以脱离PLC独立工作。有绝对位置检测功能和手动脉冲发生器连接功能，具有流程图的编程软件使程序设计可视化。最高输出频率为200kHz,FX-20GM士雨补时为100