PLC梯形图中的编程元件

1、plc 的基本数据结构
三菱FX 系列 PLC 内部的编程元件从物理实质上来说是电子电路及存储器，按通俗叫法分别称为输入继电器、输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器等，鉴于它们的物理属性，称之为软继电器或软元件， 它们与真实元件之间有很大的差别。这些编程用的继电器的工作线圈没有工作电压等级、功耗大小和电磁惯性等问题，触点也没有数量限制、机械磨损和电蚀等问题。在不同的指令操作下，其工作状态可以无记忆，也可以有记忆，还可以作脉冲数字元件使用。一般情况下，这些编程元件分为位元件和字元件两种。
1. 位元件
FX 系列 PLC 有 4 种基本编程位元件，为了分辨各种编程位元件，给它们指定了专用的字母符号：
X ：代表输入继电器，用于直接输入给 PLC 的物理信号。
Y ：代表输出继电器，用于从 PLC 直接输出物理信号。
M （辅助继电器）和 S （状态继电器）： PLC 内部的运算标志。
上述的各 种元件称为 “ 位（ bit ）元件 ” ，它们只有两种不同的状态，即 ON 和 OFF ，可以分别用二进制 1 和 0 来表示这两种状态。
2. 字元件
8 个连续的位组成一个字节（ byte ）， 16 个连续的位组成一个字（ word ）， 32 个连续的位组成一个双字（ double word ）。定时器和计数器的当前值和设定值均为有符号字，最高位（第十五位）为符号位，正数的符号位为 0 ，负数的符号位为 1 。
2、输入继电器（X）与输出继电器（Y）
1. 输入继电器（ X ）
PLC 的输入端子是从外部开关接受信号的窗口， PLC 内部与输入端子连接的输入继电器（ X ） 是光电隔离的电子继电器，它通常采用八进制编码， 线圈的吸合或释放只取决于 PLC 外部触点的状态 。内部有常开/常闭两种触点供编程时随时使用，且使用次数不限。各基本单元都是八进制输入的地址，输入为 X000 ～ X007 ， X010 ～ X017 ， X020 ～ X027 ，……，最多 128 点，它们一般位于机器的上端。 图 为 PLC 系统输入继电器与输出继电器示意图。
2. 输出继电器（ Y ）
PLC 的输出端子是向外部负载输出信号的窗口。输出继电器的线圈由程序控制，且其外部输出主触点接到 PLC 的输出端子上供外部负载使用，而其余常开 / 常闭触点供内部程序使用。输出继电器常开 / 常闭触点的使用次数不限。各基本单元都是按八进制编码输出，输出为 Y000 ～ Y007 ， Y010 ～ Y017 ， Y020 ～ Y027 ，……，最多 128 点，它们一般位于机器的下端。

图 输入继电器与输出继电器示意图

3、辅助继电器（M）
PLC 内部有很多辅助继电器，其动作原理与输出继电器一样，只能由程序驱动。辅助继电器也称中间继电器，它没有向外的任何联系，只供内部编程使用，且其常开 / 常闭触点使用次数不受限制。辅助继电器不能直接驱动外部负载，外部负载的驱动必须通过输出继电器来实现。辅助继电器主要包含以下 3 类：
1 ． 通用辅助继电器
在 FX 系列 PLC 中，除了输入继电器和输出继电器的元件号采用八进制编码外，其它编程元件的元件号均采用十进制编码。
通用辅助继电器的线圈由用户程序驱动，若 PLC 在运行过程中突然断电，输出继电器和通用辅助继电器将全部变为 OFF 。若电源再次接通，除了因外部输入信号而变为 ON 的以外，其余的仍将保持为 OFF 。
FX 2N 的 PLC 内部共有通用辅助继电器 500 点，从 M0 ～ M499 。
2. 锁存（断电保持）辅助继电器
某些控制系统要求记忆电源中断瞬间时的状态，重新通电后再现其状态，锁存辅助继电器就可以用于这种场合。
FX 2N 的 PLC 内部共有锁存继电器 2572 点，从 M500 ～ M3071 。
在电源中断时， PLC 用锂电池保持 RAM 中寄存器的内容，它们只是在 PLC 重新上电后的第一个扫描周期保持断电瞬时的状态。为了利用它们的断电记忆功能，可以采用有记忆功能的电路。设图 中的 X0 和 X1 分别是起动按钮和停止按钮， M600 通过 Y0 控制外部的电动机，若电源中断时 M600 为 ON 状态，因为电路的记忆作用，重新通电后 M600 将保持 ON 状态，从而使 Y0 继续为 ON ，电动机重新开始运行。这时若断开 X1 ，则 M600 失电， Y0 为 OFF 。

图 锁存辅助继电器的保持功能

3 ．特殊辅助继电器
辅助继电器中 M8000 ～ M8255 共 256 点为特殊辅助继电器，它们用来表示 PLC 的某些状态，提供时钟脉冲和标志（如进位、借位标志），设定 PLC 的运行方式，或用于步进顺控、禁止中断、设定计数器是加计数器或是减计数器等。特殊辅助继电器可分为以下两类：
（ 1 ）触点利用型
由 PLC 的系统程序来驱动特殊辅助继电器的线圈，在用户程序中直接使用其触点，但是不能出现它们的线圈，例如：
M8000 （运行监视）：当 PLC 执行用户程序时 M8000 为 ON ，停止执行时 M8000 为 OFF ，如图 所示。
M8002( 初始化脉冲 ) ： M8002 仅在 M8000 由 OFF 变为 ON 状态时的一个扫描周期内为 ON ，如图 6.10 所示，可以用 M8002 的常开触点来使有断电保护功能的元件复位或给它们置初始值。

图 时序图

M8011 ～ M8014 分别是 10ms 、 100ms 、 1s 和 1min 时钟脉冲，见图 6.10 。
M8005 （锂电池电压降低时用）：电池电压下降至规定值时变为 ON ，可以用它的触点驱动输出继电器和外部指示灯，从而提醒工作人员更换锂电池。
（ 2 ） 线圈驱动型
由用户程序驱动其线圈，从而使 PLC 执行特定的操作，因此用户并不使用它们的触点。例如：
M8030 的线圈 “ 通电 ” 后， “ 电池电压降低 ” 发光二极管熄灭；
M8033 的线圈 “ 通电 ” 后， PLC 进入 STOP 状态后，所有输出继电器的状态保持不变；
M8034 的线圈 “ 通电 ” 后，禁止所有的输出；
M8039 的线圈 “ 通电 ” 后， PLC 以 D8039 中指定的 扫描时间工作。
4、状态继电器（S）
状态继电器是用于编制顺序控制程序的一种编程元件（状态标志），常与 STL 指令（步进梯形指令）配合使用，主要用于编程过程中顺控状态的描述和初始化。它与 STL 指令组合使用，容易编制出易懂的顺控程序。当不对状态继电器使用步进梯形指令时，可以把它们当作普通辅助继电器（ M ）使用，其地址码按十进制编码。 FX 2N 系列 PLC 的状态继电器通常分为以下几类：
初始化用： S0 ～ S9 （ 10 点）；
返回原点状态器： S10 ～ S19 （ 10 点）；
通用型： S20 ～ S499 （ 480 点）；
断电保持型： S500 ～ S899 （ 400 点）；
报警型： S900 ～ S999 （ 100 点）。
5、定时器（T）与计数器（C）
FX 1N 、 FX 2N 系列 PLC 内部可提供 256 个定时器和 256 个计数器，定时器的编号为 T000 ～ T255 ，计数器的编号为 C000 ～ C255 。定时器和计数器不能直接产生输出，必须通过输出继电器才能输出。
1. 定时器（ T ）
定时器在 PLC 中的作用相当于一个时间继电器， PLC 内的定时器是根据时钟脉冲的累积形式，将 PLC 内的 1ms 、 10ms 、 100ms 等时钟脉冲进行加法计数，当所计时间达到规定的设定值时，其输出触点动作，定时范围为 0.001 ～ 3276.7s 。定时器可以用用户程序存储器内的常数 K 作为设定值，也可以用数据寄存器（ D ）的内容作为设定值。定时器的元件号及其设定值如下：
（ 1 ） 100ms 定时器 T0 ～ T199 ，共 200 点，计时范围： 0.1 ～ 3276.7 秒；
（ 2 ） 10ms 定时器 T200 ～ T245 ，共 46 点，计时范围： 0.01 ～ 327.67 秒；
（ 3 ） 1ms 积算定时器 T246 ～ T249 ，共 4 点，计时范围： 0.001 ～ 32.767 秒；
（ 4 ） 100ms 积算定时器 T250 ～ T255 ，共 6 点，计时范围： 0.1 ～ 3276.7 秒。
定时器的定时值＝设定值×时钟，定时器指令符号和时序图如下图所示。

在上图中，当定时器线圈 T0 的驱动输入 X0 接通时， T0 的当前值计数器对 100ms 的时钟脉冲每隔 100ms 加 1 ，当该值与设定值 K100 相等时，定时器的输出触点动作，即输出触点是在驱动线圈后的 10 秒（ 100 × 100ms=10s ）时才动作， T0 的常开触点闭合后， Y0 就有输出。当驱动输入 X0 断开或发生停电时，定时器就复位，输出触点也复位。
在 FX 1N 、 FX 2N 系列 PLC 中，积算定时器一共有 10 点， 1ms 积算定时器有 4 点，从 T246 ～ T249 ； 100ms 积算定时器有 6 点，从 T250 ～ T255 。
积算定时器的指令形式和时序图如下图所示。该图中，定时器线圈 T250 的驱动输入 X0 接通时， T250 的当前值计数器开始对 100ms 的时钟脉冲进行累积计数，当该值与设定值 K100 相等时，定时器的输出触点动作。在计数过程中，即使输入 X0 断电，它也会把当前值（如图中的 6s ）保持下来，当 X0 通电时，再继续累积 4s ，当累积时间为 10s （ 100 × 100 ms =10s ）时触点动作， Y0 闭合。因为积算定时器的线圈断电时不会复位，所以需要用复位指令 RST 使其强制复位，如下图，当复位输入 X1 接通时，定时器就复位，输出触点也复位。

2. 计数器（ C ）
FX 2N 系列 PLC 的计数器是在执行扫描操作时对内部元件 X 、 Y 、 M 、 S 、 T 、 C 的触点通断次数进行积算式定时方式计数。当计数次数达到计数器的设定值时，计数器触点动作，使控制系统完成相应的控制作用。计数器的设定值可由常数 K 设定，也可以由指定的数据寄存器 D 的存储数据来设定。
计数器分为如下 5 类：
（ 1 ） 16 位通用加计数器 C0 ～ C99 ，共 100 点，设定值： 1 ～ 32767 ， 16 位是指其设定值寄存器为 16 位。
（ 2 ） 16 位锁存加计数器 C100 ～ C199 ，共 100 点，设定值： 1 ～ 32767 。
（ 3 ） 32 位通用加 / 减双向计数器 C200 ～ C219 ，共 20 点，设定值：－ 2147483648 ～ +2147483647 ， 32 位是指其设定值寄存器为 32 位，。
（ 4 ） 32 位锁存加 / 减双向计数器 C220 ～ C234 ，共 15 点，设定值：－ 2147483648 ～ +2147483647 。
（ 5 ） 32 位加 / 减双向高速计数器 C235 ～ C255 ，共 21 点，设定值：－ 2147483648 ～ +2147483647 。
C200 ～ C255 以上加 / 减双向计数器的计数方向由特殊辅助继电器 M8200 ～ M8255 设定，对应的特殊辅助继电器为 ON 时，为减计数器，反之为加计数器。
如下图所示，当 X3 为 OFF 时， M8200 为 OFF ，此时由 M8200 将计数器 C200 设定为加计数器。计数输 入X0 每次驱动 C200 线圈时，计数器的当前值加 1 ，当第 5 次执行线圈指令时，计数器 C200 的输出常开触点闭合， Y0 为 ON ，之后即使计数器输入 X0 再给计数器线圈送信号，计数器的当前值也保持不变。当复位输入 X1 接通（ ON ）时，执行 RST 指令，计数器的当前值为 0 ，输出接点 C200 也复位， Y0 为 OFF 。应注意的是，对于计数器 C100 ～ C199 ，即使 PLC 断电，当前值与输出触点的动作状 态或复位状态也能保持。

6、数据寄存器（D）
数据寄存器主要用来存储参数及工作数据，包括模拟量控制、位置控制、数据输入 / 输出等工作中所用到的数据。 FX 系列中每一个数据寄存器都是 16 位（最高位为符号位）二进制数或一个字，可以用两个相邻数据寄存器合并起来存储 32 位（最高位为符号位）二进制数或两个字。数据寄存器分为 4 种类型：
1. 通用数据寄存器
FX 2N 可编程控制器中的 D0 ～ D199 是通用数据寄存器，共 200 点。
数据寄存器中数据的写入一般采用传送指令，只要不往通用数据寄存器写入新数据，已写入的数据就不会变化。但是， PLC 运行状态由 RUN → STOP 时，全部数据均清零。（若特殊辅助继电器 M8033 已被驱动，则数据不被清零。）
2. 锁存数据寄存器
FX 2N 可编程控制器中的 D200 ～ D7999 为锁存数据寄存器，共 7800 点（不同机型，该点数不同）。
锁存数据寄存器有断电保持功能， PLC 由 RUN 状态进入 STOP 状态时，锁存数据寄存器中的值保持不变。
3. 文件寄存器
FX 2N 可编程控制器中的 D1000 ～ D7999 为文件寄存器，共 7000 点。
文件寄存器是用户程序存储器（ RAM 、 EEPROM 、 EPROM ）内的一个存储区，以 500 点为一个单位，最多可在参数设置时达到 7000 点。它只能用外部设备进行写入操作，在 PLC 运行时，可用 BMOV 指令将其读到通用数据寄存器中，但是不能用指令将数据写入文件寄存器。用 BMOV 将数据写入 RAM 后，再从 RAM 中读出。将数据写入 EEPROM 盒时，需要花费一定的时间，请务必注意。
4. 特殊数据寄存器
FX 2N 可编程控制器中的 D8000 ～ D8255 为特殊数据寄存器，共 256 点。
特殊数据寄存器用来监控 PLC 内部的各种工作方式和元件，例如电池电压、扫描时间等。其内容是在 PLC 上电时，写入的初始化值（一般先清零，然后由系统 ROM 来写入）。如 D8000 用来存放警戒监视时钟，其时间是由系统 ROM 设定的。若需要改变，应用传送指令将目的时间送入 D8000 。该值在由运行转为停止时，保持不变。
此外， FX 系列 PLC 内部的编程元件还有变址寄存器（ V 、 Z ）。
变址寄存器（ V 、 Z ）除了和普通的数据寄存器有相同的使用方法外，还常用于修改器件的地址编号。变址寄存器由 V0 ～ V7 及 Z0 ～ Z7 共 16 点 16 位的数据寄存器构成，可进行数据的读写，当进行 32 位操作时，将 V 和 Z 合并，其中 Z 为低 16 位。
7、内部 指针与常数
内部指针（ P/I ）包括分支和子程序用的指针（ P ）和中断用的指针（ I ）。在梯形图中，指针放在左侧母线的左边。
内部指针（ P/I ）是在程序执行到内部时用来改变执行流向的元件。分支指令有 P0 ～ P127 ，它们可用来指定条件跳转、子程序调用等，其中 P63 表示跳转结束。中断指令有 I0 ～ I8 ，输入中断 I △ 0 □，△表示输入号，取值范围为 0 ～ 5 ，□ =0 表示下降沿中断，□ =1 表示上升沿中断，每个输入只能用一次，以接受来自对应的输入编号（ X0 ～ X5 ）的输入信号。定时器中断 I △□□，△表示定时器中断号，取值范围为 6 ～ 8 ，□□表示定时时间，取值范围为 10 ～ 99ms ，中断指令根据 IRET 指令返回。
常数 K 用来表示十进制常数， 16 位常数的范围为－ 32768 ～＋ 32768 ， 32 位常数的范围为－ 2147483648 ～＋ 2147483647 。
常数 H 用来表示十六进制常数， 16 位常数的范围为 0 ～ FFFF ， 32 位常数的范围为 0 ～ FFFFFFFF 。
PLC 内部的编程元件都有确定的地址编号，不同厂家，不同型号的 PLC ，其编程元件的数量、种类、地址编号都不一样，这对编程者是很重要的，下表 以 FX 2N 系列 PLC 为例，列出了其相关的编程元件。

表 FX 2N 系列 PLC 内部各继电器的编号