2.3 PLC的基本程序指令和功能指令

所谓指令，就是一些二进制代码（也称机器码），用来告诉PLC要做什么，如何做。PLC的指令包括两部分：操作码和操作数。操作码（即指令）表示哪一种操作或运算，用符号LD、OUT、AND、OR等表示；操作数（即地址、数据）内包含执行该操作所必需的信息，告诉CPU用什么地方的东西来执行此操作，操作数用内部器件及其编号等来表示。

PLC的基本指令主要用于逻辑处理，是基于继电器、定时器、计数器等软元件的指令，包括顺序输入指令、顺序输出指令、顺序控制指令、定时器和计数器指令等。

2.3.1 PLC的助记符指令

PLC的助记符指令是最基本也是最简单的指令，它是用类似计算机的汇编语言表达的。这种语言仅使用文字符号，所使用的编程工具简单（用简单的编程器即可），所以多数PLC都配备这种指令。厂家不同，各指令的符号也有所不同，部分PLC产品的助记符指令见表2-2。

表2-2 部分PLC产品的助记符指令^[1]

2.3.2 PLC常用基本程序指令

PLC常用的基本程序指令是用类似继电器电路图的符号表达PLC实现控制的逻辑关系，这种语言与梯形图语言有对应关系，很容易互相转换，并便于电气工程师了解与熟悉，几乎所有的PLC都开发有这种指令，已成为PLC常用的基本程序指令。

PLC常用的基本程序指令（LD、AND、OR、NOT、OUT、END、ANDLD和ORLD）的功能[1]介绍如下：

1）LD指令。梯形图中的符号为，它表示启动一个逻辑行或块。当一个逻辑行用常开触点输入时，采用LD。

2）AND指令。梯形图中的符号为，它表示串行连接接常开触点输入。

3）OR指令。梯形图中的符号为，它表示并行连接接常开触点输入。

4）NOT指令。它表示逻辑非输入，用于一个常闭触点，有LDNOT、ANDNOT和OR-NOT三种形式。梯形图上用触点上加一斜杠表示。例如，ANDNOT或ANI表示为，ORNOT表示为。

5）OUT指令。用于驱动编程元件的线圈，梯形图中的符号为。其操作元件是Y（输出继电器）、M（暂存继电器）、S（状态寄存器）、T（定时器）、C（计数器）。OUT指令用于定时器T、计数器C时需后加常数K。

6）NED指令。它表示程序的结束，如果一个程序没有NED指令，程序就不能运行，并会指示编程错误。

7）ANDLD指令。它表示两个块的串行连接。这个指令在用助记符书写的程序中是必需的，其梯形图与助记符的对照如图2-9所示。

图2-9 ANDLD指令梯形图与助记符的对照

8）ORLD指令。它表示两个块的并行连接。这个指令在用助记符书写的程序中也是必需的，其梯形图与助记符的对照如图2-10所示。

图2-10 ORLD指令梯形图与助记符的对照

除了上述基本程序指令外，PLC还有一些用功能数字键表示的基本程序指令。

2.3.3 基本程序指令控制电动机的正反转

表2-3给出了电动机正反转的I/O分配，图2-11给出了基本程序指令操作的电动机正反转运行。

表2-3 电动机正反转的I/O分配表

图2-11 基本程序指令操作的电动机正反转运行

电动机正转：图2-11a中，合上断路器QF，按下正向起动按钮SB₁；图2-11b中，由于按钮SB₁闭合，I/O单元的端子000001与COM连接，输入继电器000001通过PLC内部DC24V电源得电吸合；图2-11c中，000001常开触点闭合。由于PLC内的输入继电器000004的常闭触点闭合（因图2-11a中的热继电器FR未过热动作，图2-11b中的热继电器FR的常开触点未闭合）、输入继电器000003的常闭触点闭合、输出继电器000202的常闭触点闭合，故PLC内的输出继电器000201得电吸合并自锁，图2-11b中的输出接触器KM₁得电吸合，电动机正向起动运转。

电动机反转：图2-11a中，按下反向起动按钮SB₂；图2-11b中，由于按钮SB₂闭合，I/O单元的端子000002与COM连接，输入继电器000002通过PLC内部DC 24V电源得电吸合；图2-11c中，000002常开触点闭合。由于PLC内的输入继电器000004的常闭触点闭合、输入继电器000003的常闭触点闭合、输出继电器000201的常闭触点闭合，故PLC内的输出继电器000202得电吸合并自锁，图2-11b中的输出接触器KM₂得电吸合，电动机反向起动运转。

电动机正反向运转通过PLC内部输出继电器000201和000202的常闭触点实现电气联锁。

停机时，按下停止按钮SB₃，图2-11b中，由于按钮SB₃闭合，I/O单元的端子000003与COM连接，输入继电器000003通过PLC内部DC 24V电源得电吸合；图2-11c中，输入继电器000003的常闭触点断开，输出继电器000201或000202失电释放；图2-11b中的输出接触器KM₁或KM₂失电释放，电动机停止运行。

电动机过载时，图2-11b中热继电器FR的常开触点闭合，I/O单元的端子000004与COM连接；在图2-11c中，PLC内的输入继电器000004的常闭触点断开，输出继电器000201或000202失电释放；图2-11b中的接触器KM₁或KM₂失电释放，电动机停止运行。

2.3.4 定时器指令的功能

定时器是一种按时间动作的继电器，相当于继电器控制系统中的时间继电器。一个定时器可有多个常开触点和常闭触点，触点的数量不受限制，下面说明它的指令功能。^[1]

定时器为通电延时，当定时器的输入为OFF（断）时，定时器的输出为OFF（断）；当定时器的输入为ON（通）时，开始定时，定时时间到，定时器的输出为ON（通）。若输入继续为ON，则定时器的输出保持为ON；当定时器的输入变为OFF时，定时器的输出随之变为OFF。常见的定时单位有0.01s、0.1s和1s等几种。

定时器指令（TIM）的图形符号及说明如图2-12所示。

图2-12 TIM的图形符号及说明

图2-12中，“∗DM”表示间接DM地址，其操作数据的内容不是实际的数据，而是另一个DM的地址，该地址中的内容才表示真正的数据内容。如∗DM10的值是123，则∗DM10表示的内容实际上是DM 123中的内容。

当设定值SV为常数时，通常加前缀#号，“#”代表立即数，表示操作数据的内容就是实际的数字。如TIM00#100，表示0号定时器的设定时间参数是100，若定时单位为0.1s，则定时时间为100×0.1s=10s。

如图2-13所示，当00000为ON时，TIM000开始定时，定时时间为15s（150×0.1s=15s），定时到，位20000为ON。

2.3.5 计数器指令的功能

计数器可以作加/减计数、普通计数和高速计数。计数器有两个数据寄存器，一个为设定值寄存器，另一个为当前值寄存器。它们的数据可在运行中进行读写^[1]。下面说明它的指令功能。

图2-13 TIM梯形图及程序

计数器指令（CNT）的图形符号及说明如图2-14所示。图中，CP为计数脉冲输入端，R为复位端，SV是BCD码，取值范围为0～9999。计数器可以递减或递增计数，CPM系列为递减计数器。计数器和定时器的编号是公用的，但使用时编号不能重复。

图2-14 CNT的图形符号及说明

如图2-15所示，当计数脉冲输入端00000输入上升沿信号（OFF→ON，即输入由断变为通）时，计数1次（即计数器记录的是输入由断到通的次数）。在复位端00001输入上升沿信号，当前值返回为设定值，当复位端输入为ON时，不接受计数输入。

图2-15 CNT梯形图及程序

2.3.6 PLC定时器与计数器的级联使用

每一种PLC的计数器和定时器的设定值都有一定的范围，当实际应用中需要的设定值超出这个范围时，可通过定时器与计数器级联来解决。

图2-16所示为定时器与计数器级联的梯形图^[1]。图中，T451形成一个设定值为20s的自复位定时器。当X401接通时，T451线圈得电，经20s延时后，其常闭触点断开，T451线圈失电，自动复位，T451的常开触点闭合。T451的触点每断开、闭合1次，计数器输入1个计数脉冲，C461计数1次。当C461的计数达到100次时，其常开触点闭合，Y430线圈得电吸合。从X401接通到Y430吸合，总的延时时间为20s×100=2000s。图中，M71为初始化脉冲。

2.3.7 置位与复位指令的功能

SET为置位指令，令元件自保持为ON（接通），其操作元件为Y（输出继电器）、M（暂存继电器）和S（状态寄存器）。

RST为置位的复位指令，令元件自保持为OFF（断开），操作元件为Y、M、S及数据寄存器（D）和变址寄存器（V/Z）。

SET和RST指令可以把一个短信号变成长信号，以维持继电器的吸合状态，其使用方法如图2-17所示。^[1]当X0接通时，即使再断开，Y0仍然保持接通，直到X1接通为止，两个指令之间可以插入其他程序。

图2-16 定时器与计数器级联的梯形图

图2-17 SET和RST指令使用实例

利用RST指令也可以将定时器T、计数器C、数据寄存器D和变址寄存器V/Z的内容清零。

2.3.8 PLC的PID功能指令

在PLC的实际应用中，为满足温度、速度、压力、流量、电压、电流等工艺变量的控制要求，常常要对这些模拟量（时间上或数值上连续的物理量）进行控制。根据不同的工艺变量要求或节能要求，选用所需的PLC功能指令和模拟量控制模块。如图2-18所示，一个完整的PLC模拟量控制过程包括以下几步：

1）传感器采集信息，并将它转换成标准的电压信号，进而送给PLC的模拟量输入单元。

2）模拟量输入单元将标准电压信号转换成CPU可处理的数字信号。

3）CPU按要求对数字信号进行处理，产生相应的控制信号，并传送给模拟量输出单元。

4）模拟量输出单元接收到控制信号后，将其转换成标准信号传给执行器。

5）执行器的驱动系统对此信号进行放大和变换，产生控制作用，施加到受控对象上。

图2-18 PLC模拟量控制过程

对模拟量的实际控制中，应用PID控制技术是较好的方法之一，也最为方便。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例（P）、积分（I）、微分（D）计算出控制量并进行控制的。

比例控制器的输出与输入误差信号呈比例关系。当仅有比例控制时，系统输出存在稳态误差。

积分控制器的输出与输入误差信号的积分呈正比关系。对于一个自动控制系统，如果其进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的系统（简称有差系统）。为消除稳态误差，在控制器中必须引入积分项。积分项对误差取决于时间的积分，这样即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大，当增大到一定程度时，积分控制器使稳态误差减小，直到等于零。因此，PI控制器可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

微分控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）呈正比关系。在控制器中引入微分项，它能预测误差变化的趋势，使抑制误差作用的变化“超前”，这样，具有比例微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，PD控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

由于不同厂家生产的PID功能指令不同，下面仅简单介绍西门子S7-200 PID功能指令。它的PID回路控制指令根据输入和回路表（TBL）的组态信息，对相应的LOOP执行PID回路计算，如图2-19所示。

图2-19 S7-200 PID回路控制指令

PID回路控制指令（包括比例、积分、微分回路）可以用来进行PID运算。但是，进行这种PID运算的前提条件是逻辑堆栈的栈顶（TOS）值必须为1。该指令有两个操作数：作为回路表起始地址的“表”地址TBL和从0～7的常数回路编号LOOP，见表2-4。回路表用于存放过程变量和PID控制参数，见表2-5。

表2-4 PID回路控制指令的有效操作数

程序中最多可以用8条PID指令，如果两个或两个以上的PID指令用了同一个回路号，那么即使这些指令的回路表不同，这些PID运算之间也会相互干涉，会产生不可预料的结果。

表2-5 PID回路控制指令的回路表

为了使PID运算以预想的采样频率工作，PID指令必须用在主程序或者定时发生的中断程序中，被定时器控制并以一定频率执行，采样时间必须通过回路表输入到PID运算中。

自整定功能已经集成到PID指令中，PID整定控制面板只能用于由PID向导创建的PID回路。

在PID运算前，由于每个PID回路的两个输入量——给定值（SV）和过程变量（PV）的范围及测量单位都可能不同，故必须把它们的实际值由16位整数转换成标准的浮点型表达形式。

PID指令的控制方式是：当PID盒接通时，为“自动”运行，当PID运算不执行时，为“手动”模式。

当指令指定的回路表起始地址或PID回路号操作数超出范围，或者PID计算的算术运算发生错误，终止PID指令的执行时，PLC将报警。

除PID指令外，也可使用S7中的SFB41/FB41、SFB42/FB42、SFB43/FB43等功能模块实现PID控制。

2.3.9 PLC的通信功能指令

PLC通信的目的是数据交换。

PLC的通信功能指令具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散/集中控制。

PLC的通信程序能适应各种通信协议（见第3章内容），它的通信程序与控制程序、数据处理程序不同，具有交互性、从属性、相关性和安全性等特点。

PLC与PLC通信。多个PLC之间可用标准通信串口建立网络进行通信，或通过通信指令实现通信，也可使用有关通信模块组成通信网络进行通信。

PLC与计算机通信的功能互补。PLC不仅能完成逻辑控制、顺序控制，还能进行模拟量处理，完成少数回路的PID闭环控制。通用计算机能够连接打印机和显示器，内存量大、编程能力强，其人机界面具有良好的数据显示、过程状态显示及操作功能，这是PLC本身不具备的。将PLC与计算机连接通信，可达到两者功能的互补。

PLC与智能装置通信。智能装置是指智能仪表、智能传感器、智能执行器及其他带有串口或相关网络接口的装置。由于这些装置有通信口或相关网络接口，所以，其与PLC交换数据时可以通信的方式进行。用通信方式交换数据，有连线少、数据量大、抗干扰能力强、传送距离大等优点。PLC与智能装置通信时，一般在PLC上编程，智能装置不需要编程。通信方法包括指令通信和地址映射通信（可参考第3章有关内容），指令通信主要用于串口通信。