可编程控制器应用技术教案

可编程控制器应用技术教案内容摘要：

可编程控制器是一种工业控制计算机， 其 工作原理是建立在计算机工作原理基础上的，而 CPU 是以分时操作方式来处理各项任务的，计算机在每一瞬间只能做一件事，所以程序的执行是按程序顺序依次完成相应各电器的动作，便 成为时间上的串行 （即 串行工作方式 ）。 由于 CPU 运算速度极高，各 继电器（软元件） 的动作似乎是同时完成的，但实际输入 / 输出的响应是有滞后的。 PLC 的工作方式是一个 不断循环的顺序扫描工作方式 ， 如 图 27 所示。 每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。 CPU 从第一条指令开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。 PLC 就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。 图 27 可编程控制器 工作方式流程图 执 行用户程序时，需要各种现场信息。 PLC 采集现场信息即采 样 输入信号有两种方式：一是 采样输入方式。 一般在扫描周期的开始或结束将所有输入信号（输入元件的通 / 断状态）采集并存放到输入映像寄存器中 ， 执行用户程序所需输入状态均在输入映像寄存器中取用，而不直接到输入端或输入模块去取用 ；二是 立即输入方式。 随着程序的执行需要那一个输入信号就直接从输入端或输入模块取用这个输入状态，如 “ 立即输入指令 ” 就是这样，此时输入映像寄存器的内容不变，到下一次集中采样输入时才变化。 同样， PLC 对外部的输出控制也有 集中输出 和 立即输出 两种方式。 集中输出方式在执行用户程序时不是得到一个输出结果就向外输出一个，而是把执行用户程序所得的所有输出结果，先后全部存放在输出映像寄存器中，执行完用户程序后所有输出结果一次性向输出端口或输出模块输出，使输出设备部件动作 ； 立即输出方式是在执行用户程序时将该输出结果立即向输出端口或输出模块输出，如 “ 立即输出指令 ” 就是这样，此时输出映像寄存器的内容也更新。 PLC 对输入输出信号的传送还有其他方式。 如有的 PLC 采用输入 /输出刷新指令 ， 在需要的地方设置这类指令，可对此电源 ON 的全部或部分输入点信号读入 上电一次，以刷新输入映像寄存器内容 ， 或将此时的输出结果立即向输出端口或输出模块输出。 有的 PLC 上有输入、输出的禁止功能，实际上是关闭了输入、输出传送服务，这意味着此时的输入信号不读入、输出信号也不输出。 可编程控制器整个 工作过程可分 三部分： 第一部分是 上电处理。 可编程控制器上电后对 PLC 系统进行一次初始化工作，包括硬件初始化， I/O 模块配置运行方式检查，停电保持范围设定及其他初始化处理等。 第二部分是 扫描过程。 可编程控制器上电处理完成以后进入扫描工作过程。 先完成输入处理，其次完成与其他外设的通 信处理，再次进行时钟、特殊寄存器更新。 当 CPU 处于 STOP 方式时，转入执行自诊断检查。 当 CPU 处于 RUN 方式时，还要完成用户程序的执行和输出处理，再转入执行自诊断检查。 第三部分是 出错处理。 PLC 每扫描一次，执行一次自诊断检查，确定 PLC 自身的动作是否正常，如 CPU 、电池电压、程序存储器、 I/O 、通信等是否异常或出错，如检查出异常时， CPU 面板上的 LED 及异常继电器会接通，在特殊寄存器中会存入出错代码。 当出现致命错误时， CPU 被强制为 STOP 方式，所有的扫描 停止。 PLC 运行正常时，扫描周期的长短与 CPU 的运算速度 、 I/O 点的情况 、 用户应用程序的长短及编程情况等有关。 通常用 PLC 执行 1K 指令所需时间来说明其扫描速度 （ 一般 1~10ms/K）。 值得注意的是，不同指令其执行是不同的，从零点几微秒到上百微秒不等，故选用不同指令所用的扫描时间将会不同。 若用于高速系统要缩短扫描周期时，可从软硬件上考虑。 可编程控制器的工作过程 PLC 的工作过程如图 28 所示。 1．输入映像存储器及其刷新 —— 对应于输入端子状态的数据区 PLC 中的 CPU 是不 能直接从与外部接线端子打交道的。 在输入采样阶段，首先扫描所有输入端子，经过输入调理电路（光电隔离、电平转换、滤波处理等）后进入输入缓冲器等待采样。 没有 CPU 的采样“允许” ，外界的输入信号是不能进入内存的。 当 CPU 采样时，输入信号便进入输入映像存储器 —— 刷新。 接着进入程序的执行阶段，直至信号的输出。 在此期间，输入映像存储器将现场与 CPU 隔离，无论输入信号如何变化，输入映像存储器中的内容保持到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新采样新的信号，即：输入映像存储器每周期刷新一次。 这样，是否会影响对现场信息的反应 速度。 由于， PLC 扫描周期一般仅几十 ms ，两次采样之间的间隔时间很短，对一般的开关量而言，可以认为采样是连续的。 Y0 Y1 Yn 输入映像寄存器 ①① 采样 元件映像寄存器 ③③ 写 ⑤⑤ 写 ④④ 读 X0 Y0 Y0 M0。 输出锁存电路 输出端子 输入端子。 ②② 读。 X0 X1 Xn ⑥⑥ 刷新 28 可编程控制器 的工作过程 2．输出映像存储器及其刷新 —— CPU 数据处理的中间结果和最终结果的存放区域 同理， CPU 不能直接驱动负载，处理的结果存放在输出映像存储器中，直至所有程序执行完毕，才将输出映像区的内容经输出锁存器（称为输出状态刷新）送到输出端子上驱动外部负载。 即： 输出映像存储器 —— 随时刷新 输出锁存器 —— 每周期刷 新一次 （刷新后的输出状态一直保持到下一次刷新） 同样，两次刷新的间隔仅几十 mS，即使考虑电路的电气惯性（延迟）时间，仍可认为输出是及时的。 3．输入 /输出状态表 —— 状态 RAM 表 I/O 映像存储器的内容，在 CPU 中构成 I/O 状态表，其内容是 CPU 处理用户程序及数据的依据。 注意 ：输入状态表 —— 采样时刷新 输出状态表 —— 随时刷新（中间值和最终结果） 输出端子的接通或开断 —— 输出锁存器决定 4．监控定时器 WDT（ WATCH DOG TIMER） —— 即监控定时器 t1 正常：执行完用户程序所需的时间应不超过 t1。 执行 程序前，复位 t1，执行程序开始t1 计时，完毕后立即复位 t1，表示程序执行正常。 异常：因某些原因，程序进入死循环，执行程序时间超出 t1 值， WDT 发出警告，程序重新开始执行，同时复位 t1。 若因偶然因素，则重新执行程序将正常，否则，系统自动停止执行用户程序，切断外部负载，并发出故障信号等待处理。 5．执行用户程序 执行用户程序 执行 监视 6．执行外设命令 每次执行完用户程序，输出后，就进入服务外设命令的操作，如没有外设命令，自动循环扫描。 可编程控制器的 中断处理 根据以上所述，外部信号的输入总是通过可编程控制器扫描由 “ 输入传送 ” 来完成，这就不可避免地带来了 “ 逻辑滞后 ”。 PLC 能不能像计算机那样采用中断输入的方法，即当有中断申请信号输入后，系统会中断正在执行的程序而转去执行相关的中断子程序；系统若有多个中断源时，它们之间按重要性是否有一个先后顺序的排队；系统能否由程序设定允许中断或禁止中断等等。 PLC 关于中断的概念及处理思路与一般微机系统基本是一样的，但也有特殊之处。 1. 响应问题 一般微机系统的 CPU ，在执行每一条指令结束时去查询有无中断申请。 而 PLC 对中断的响应则是在相关的程序块结束后查询有无中断申请和在执行用户程序时查询有无中断申请，如有中断申请，则转入执行中断服务程序。 如果用户程序以块式结构组成，则在每块结束或实行块调用时处理中断。 2. 中断源先后顺序及中断嵌套问题 在 PLC 中，中断源的信息是通过输入点而进入系统的， PLC 扫描输入点是按输入点编号的先后顺序进行的，因此中断源的先后顺序只要按输入点编号的顺序排列即可。 系统接到中断申请后，顺序扫描中断源，它可能只有一个中断源申请中断，也可能同时有多个中断源申请中断。 系统在扫描 中断源的过程中，就在存储器的一个特定区建立起 “中断处理表 ”，按顺序存放中断信息，中断源被扫描过后，中断处理表亦已建立完毕，系统就按该表顺序先后转至相应的中断子程序入口地址去工作。 必须说明的是，多中断源可以有优先顺序，但无嵌套关系。 即中断程序执行中，若有新的中断放生，不论新中断的优先顺序如何，都要等执行中的中断处理结束后，再进行新的中断处理。 所以在 PLC 系统工作中，当转入下一个中断服务子程序时，并不自动关闭中断，所以也没有必要去开启中断。 3. 中断服务程序执行结果信息输出问题 PLC 按巡回扫描方式 工作，正常的输入 / 输出在扫描周期的一定阶段进行，这给外设希望及时响应带来了困难。 采用中断输入，解决了对输入信号的高速响应。 当中断申请被响应，在执行中断子程序后有关信息应当尽早送到相关外设，而不希望等到扫描周期的输出传送阶段，就是说对部分信息的输入或输出要与系统 CPU 的周期扫描脱离，可利用专门的硬件模块（如快速响应 I/O 模块）或通过软件利用专门指令使某些 I/O 立即执行来解决。 第 3 章 可编程控制器的软件构成 教学目的要求： 通过教学，使学生明确 PLC 系统程序的作用和用户程序，掌握用户工作环境 中定时器、计数器和数据寄存器等元件的特性及应用，了解并会使用 PLC 的编程软件。 教学方式 ： 图片 展示 、 理论讲解。 展示 设备： 三菱 FX 系列 可编程控制器。 演示操作 ： 多媒体课件。 重点难点： PLC 系统软件及用户软件的功能； PLC 编程软元件的特性及用途；编程软件的使用。 问题 的 提出 ： 可编程控制器 是工业控制计算机设备，其具有计算机的属性，除了完备的硬件外，还必须有对应的软件支持其工作。 其软件有那些。 作用是什么。 将是本章要讨论的问题。 可编程控制器系统程序 系统程序又称 系统监控程序 ，是由 PLC 制造者设计的，用于 PLC 的运行管理。 系统监控程序分系统管理程序、用户指令解释程序和专用标准程序块等。 系统管理程序 系统管理程序用于整个 PLC 的运行管理，管理程序又分为三部分： 第一部分是运行管理 ，控制可编程控制器何时输入、何时输出、何时运算、何时自检、何时通讯等等，进行时间上的分配管理。 第二部分进行存贮空间的管理 ，即生成用户环境，由它规定各种参数、程序的存放地址，将用户使用的数据参数存贮地址转化为实际的数据格式及物理存放地址。 它将有限的资源变为用户可直接使用的元件。 例如，它将有限个数的 CTC 扩展为几十至上百 个用户时钟和计数器。 通过这部分程序，用户看到的就不是实际机器存贮地址和 PIO、 CTC 的地址了，而是按照用户数据结构排列的元件空间和程序存贮空间了。 第三部分是系统自检程序 ，它包括各种系统出错检验、用户程序语法检验、句法检验、警戒时钟运行等。 在系统管理程序的控制下，整个可编程控制器就能按步就班地正确工作了。 用户指令解释程序 系统监控程序的第二部分为 用户指令解释程序。 任何计算机最终都是根据机器语言来执行的，而机器语言的编制又是很麻烦的。 为此，在可编程控制器中采用梯形图编程，将人们易懂的梯形图程序 变为机器能懂的机器语言程序，即将梯形图程序逐条翻译成相应的一串机器码，这就是解释程序的任务。 事实上，为了节省内存，提高解释速度，用户程序是以内码的形式存贮在可编程控制器中的。 用户程序变为内码形式的这一步是由编辑程序实现的，它可以插入、删除、检查、查错用户程序，方便程序的调试。 标准程序模块和系统调用 系统监控程序的第三部分就是 标准程序模块和系统调用 ，这部分是由许多独立的程序块组成的，各自能完成不同的功能，有些完成输入、输出，有些完成特殊运算等。 可编程控制器的各种具体工作都是由这部分程序来完成的 ，这部分程序的多少，就决定了可编程控制器性能的强弱。 整个系统监控程序是一个整体，它质量的好坏很大程度上影响了可编程控制器的性能。 因为通过改进系统监控程序就可在不增加任何硬件设备的条件下大大改善可编程控制器的性能，所以国外可编程控制器厂家对监控程序的设计非常重视，实际售出的产品中，其监控程序一直在不断地完善。 可编程控制器用户程序 用户程序 是用户根据控制要求，用 PLC 编程的软元件和编程语言 （如 梯形图、指令表、高级语言、汇编语言等 ） 编制的应用程序， 其助记符形式随可编程控制器型号的不同而略有不同。 用户通 过编程器或 PC 机写入到 PLC 的 RAM 内存中，可以修改和更新。 当 PLC 断电时被锂电池保持。 用户程序是线性地存贮在监控程序指定的存贮区间内，它的最大容量也是由监控程序确定的。 可编程控制器用。