算術(shù)運(yùn)算指令在PLC編程中的應(yīng)用

趙金山

（臨汾職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 臨汾 041000）

0 引 言

在PLC教學(xué)中，流水燈的控制或者彩燈的移位是一個(gè)重要內(nèi)容。傳統(tǒng)方法是利用移位指令或者移位寄存器實(shí)現(xiàn)，而實(shí)際控制中還可以利用算術(shù)運(yùn)算指令實(shí)現(xiàn)。

實(shí)際教學(xué)中，臨汾職業(yè)技術(shù)學(xué)院的實(shí)訓(xùn)室采用西門子CPU222型PLC，主機(jī)自帶8個(gè)輸入端子I0.0～I(xiàn)0.7和6個(gè)輸出端子Q0.0～Q0.5。由于輸入、輸出點(diǎn)數(shù)較少，不能滿足大多數(shù)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的要求，故又加了一個(gè)EM223擴(kuò)展模塊，擴(kuò)展出16個(gè)光電隔離型輸入端子和16個(gè)繼電器型輸出端子。主機(jī)與擴(kuò)展模塊之間用擴(kuò)展電纜連接。此PLC最多可以實(shí)現(xiàn)22組彩燈的循環(huán)或移位控制。本文將以輸出QB0和QB1實(shí)現(xiàn)循環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)14組彩燈的控制。

1 算術(shù)運(yùn)算指令

在西門子S7-200型PLC編程軟件中，算術(shù)運(yùn)算指令可以解決PLC中出現(xiàn)的各種數(shù)學(xué)運(yùn)算問題，常用的有加法運(yùn)算、減法運(yùn)算、乘法運(yùn)算和除法運(yùn)算。本課題中將使用乘（除）法指令解決流水燈的編程問題，下面將結(jié)合梯形圖講解指令的使用方法。

乘/除運(yùn)算是對符號數(shù)的乘法運(yùn)算和除法運(yùn)算，包括整數(shù)乘/除運(yùn)算、雙整數(shù)乘/除運(yùn)算、整數(shù)乘/除雙整數(shù)輸出運(yùn)算和實(shí)數(shù)乘/除運(yùn)算等[1]。

1.1 乘法指令MUL

當(dāng)使能輸入端有效時(shí)，將輸入IN1、IN2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行乘法運(yùn)算，結(jié)果存儲(chǔ)在OUT指定的數(shù)據(jù)中[2]。就其類型而言，乘法又分為整數(shù)乘法、相乘指令和雙整數(shù)乘法等，對應(yīng)的梯形圖和相應(yīng)功能如表1所示。

表1 乘法指令對應(yīng)的梯形圖和相應(yīng)功能

如圖1所示，當(dāng)I0.0有效時(shí)，將MW10和MW20相乘，送到MW30中。兩個(gè)輸入數(shù)據(jù)MW10、MW20和輸出數(shù)據(jù)MW30都是16位單字長整數(shù)。若運(yùn)算結(jié)果超歸16位二進(jìn)制數(shù)表示的有符號數(shù)的范圍，將會(huì)溢出。

1.2 除法指令DIV

當(dāng)使能輸入有效時(shí)，將輸入IN1、IN2的數(shù)據(jù)進(jìn)行除法運(yùn)算，結(jié)果存儲(chǔ)到OUT指定的數(shù)據(jù)中[2]。對應(yīng)的梯形圖和相應(yīng)功能如表2所示。

圖1 應(yīng)用舉例1

應(yīng)用舉例，如圖2所示。當(dāng)I1.0接通時(shí)，將VW100中的16位整數(shù)除以VW200中的16位整數(shù)，結(jié)果輸送給OUT所指定的數(shù)據(jù)VW300，且不保留余數(shù)。因?yàn)椴槐Ａ粲鄶?shù)，除法指令一直執(zhí)行的結(jié)果是商會(huì)變成0。

例子中的IN1、IN2和OUT的數(shù)據(jù)尋址范圍為IW、QW、MW、SMW、SW、T、C、VW、LW、AIW、AQW和常數(shù)。

表2 除法指令對應(yīng)的梯形圖和相應(yīng)功能

圖2 應(yīng)用舉例2

2 PLC的編址方式

西門子S7-200型PLC的編址有多種，如位編址、字節(jié)編址、字編址和雙字編址等都是常用的編址方式。

2.1 位編址

在用基本指令編程時(shí)，大多數(shù)采用位編址的方式。例如，I0.0、Q1.0每個(gè)位有2種狀態(tài)——“0”和“1”，“0”表示該位為“OFF”，“1”表示該位為“ON”。

2.2 字節(jié)編址

字節(jié)編址的表示方法為“編程元件+字節(jié)表示符+起始字節(jié)地址”。例如：VB1表示變量寄存器第1個(gè)字節(jié)，共8位，第7位是最高位，第0位是最低位，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 VB1結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 字編址

字編址表示為“編程元件+字表示符+起始字節(jié)地址”。比如：QW0表示輸出映像寄存器，長度包含16個(gè)位，即2個(gè)字節(jié)，分別是QB0和QB1，結(jié)構(gòu)如圖4所示。西門子編程軟件默認(rèn)字節(jié)QB0為高位字節(jié)，QB1為低位字節(jié)，即遵循“高地址、低字節(jié)”的約定。

在使用字編址給某一個(gè)變量賦值時(shí)，要注意出現(xiàn)字節(jié)重復(fù)賦值的情況。當(dāng)給同一個(gè)變量兩次賦值時(shí)，位于后邊網(wǎng)絡(luò)的輸入有效。如圖5所示，用傳送指令給VW0和VW1賦值。

圖4 QW0結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 用傳送指令 給VW0和VW1賦值

網(wǎng)絡(luò)1給VW0賦值16進(jìn)制數(shù)6c19，等于給VB0賦入初值01101100、給VB1賦入初值00011001。

網(wǎng)絡(luò)2給VW1賦值16進(jìn)制數(shù)3578，等于給VB1賦入初值00110101，給VB2賦入初值01111000。

此時(shí)，字節(jié)型數(shù)據(jù)VB1會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)數(shù)值——00011001和00110101。由于網(wǎng)絡(luò)2在后面，根據(jù)PLC逐行掃描的工作原理，第二次輸入會(huì)刷新第一次輸入的數(shù)值，故VB1的數(shù)值實(shí)際是00110101。若將兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的順序?qū)φ{(diào)，則VB1的實(shí)際值變?yōu)?0110101。

通過以上例子可發(fā)現(xiàn)，在使用字編址或雙字編址時(shí)，要防止出現(xiàn)兩個(gè)字或兩個(gè)雙字占用同一個(gè)字節(jié)的情形，否則會(huì)引起程序錯(cuò)誤。因此，使用字編址時(shí)，盡量使用VW0、VW2、VW4等偶數(shù)編號。

除了以上編址方法以外，還有雙字編址（MD10）、其他編址方法（T37、C20）等，這里不再一一贅述。

3 控制要求與實(shí)現(xiàn)方法

有一組燈14個(gè)L1～L14。當(dāng)按下按鈕SB1時(shí)，燈正序每隔2 s單個(gè)點(diǎn)亮并循環(huán)，按下SB2時(shí)，燈反序每隔2 s單個(gè)點(diǎn)亮，至L1為滅時(shí)停止。

利用乘法指令，可以實(shí)現(xiàn)彩燈的移位或循環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)原理如下。在PLC程序中，各種類型的數(shù)據(jù)都是以二進(jìn)制數(shù)字存儲(chǔ)。二進(jìn)制數(shù)字只有“0”和“1”兩個(gè)數(shù)值。如果某位置對應(yīng)的數(shù)字為“0”，則該位數(shù)字一定為0；若某位置對應(yīng)的數(shù)字為“1”，實(shí)際代表的數(shù)字是十進(jìn)制數(shù)字的2n，n=0，1，2，3…。即如果對應(yīng)的位置為1，相鄰高位所代表的十進(jìn)制數(shù)字是低位數(shù)字的2倍；如果將最低位賦值“1”，利用乘法指令乘以2，將會(huì)使相鄰的高位變?yōu)椤?”，而低位的數(shù)值變?yōu)椤?”。數(shù)字電路中，“1”對應(yīng)的位置代表高電平，“0”對應(yīng)的位置代表低電平。如果將對應(yīng)位置用輸出映像寄存器Q代替并接入彩燈，使用乘法指令前，最低位置對應(yīng)的彩燈會(huì)亮，其他位置都滅。乘以2后，1的位置將左移1位，而其他位置的彩燈都會(huì)處在滅的狀態(tài)。再乘以2，再左移1位……形成了流水燈的效果。

如圖6所示，當(dāng)給QB1賦值數(shù)字1后，QB1字節(jié)代表的十進(jìn)制數(shù)字是1，從右側(cè)算起第一個(gè)位置為1，第一盞彩燈亮，其他彩燈都處于熄滅狀態(tài)；利用乘法指令乘以2后，QB1的數(shù)值會(huì)變成十進(jìn)制數(shù)字2，對應(yīng)的第一個(gè)位置會(huì)變成0，第二個(gè)位置會(huì)變成1，彩燈第二盞亮，其他燈滅，彩燈左移1位；再乘以2，QB1的數(shù)值會(huì)變成4，第一個(gè)和第二個(gè)位置會(huì)變成0，第三個(gè)位置會(huì)變成1，此時(shí)第三盞燈亮、其余燈滅。以此類推，只要按乘法指令運(yùn)算，每次亮的彩燈會(huì)依次向左移動(dòng)1位。

圖6 實(shí)現(xiàn)原理舉例

推而廣之，給QB1乘以4，可以使彩燈左移2位；乘以8，可以使彩燈左移3位……

3.1 確定輸入/輸出地址

根據(jù)題目要求，確定I/O地址如表3所示。由于篇幅問題，L10～L13、L2～L7用省略號代替，對應(yīng)地址依次往后累加即可。

表3 I/O地址

3.2 PLC的接線

根據(jù)I/O地址分配表，確定PLC接線如圖7所示。

接線時(shí)要注意，SB1和SB2必須是自復(fù)位按鈕。另外，L1～ L8對應(yīng) Q1.0～ Q1.7，L9～ L14對應(yīng) Q0.0～Q0.5。這是根據(jù)PLC字編址的默認(rèn)高位和低位確定的。

3.3 程序編制

如圖8所示，網(wǎng)絡(luò)1的作用是系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，利用I0.0給QW0賦值，使第一盞燈亮。同時(shí)，為了能夠使系統(tǒng)正序循環(huán)，在L14熄滅后，系統(tǒng)再次進(jìn)入循環(huán)。I0.0和Q0.6都利用正跳沿指令，防止系統(tǒng)由于按壓時(shí)間較長重復(fù)賦值。網(wǎng)絡(luò)2和網(wǎng)絡(luò)3比較簡單，分別產(chǎn)生正序和反序循環(huán)。網(wǎng)絡(luò)4和網(wǎng)絡(luò)6產(chǎn)生正序和反序脈沖，脈沖間隔2 s，寬度為一個(gè)PLC循環(huán)掃描周期。網(wǎng)絡(luò)5利用乘法指令和T37的跳變使燈循環(huán)左移。網(wǎng)絡(luò)6利用除法指令和T38的跳變使燈循環(huán)右移，間隔時(shí)間為2 s。將以上程序輸入電腦并下載至PLC，運(yùn)行就可以得到前面題目要求的現(xiàn)象。

圖7 PLC接線情況

圖8 程序編制示意圖

本例中彩燈反序循環(huán)至L1后，整個(gè)系統(tǒng)停止；再次壓下SB1后，系統(tǒng)再次正向從頭開始循環(huán)。欲使彩燈反序連續(xù)循環(huán)也是可行的，只需在系統(tǒng)完成除法運(yùn)算、字QW0的數(shù)值為零時(shí)，將燈L14利用賦值的方法送入定值，然后運(yùn)行除法運(yùn)算，即可使系統(tǒng)反序循環(huán)運(yùn)行。根據(jù)整數(shù)除法運(yùn)算的規(guī)律可知，當(dāng)反序亮至燈L1時(shí)，QW0的數(shù)值為1，再對QW0進(jìn)行除2運(yùn)算，根據(jù)保留商但不保留余數(shù)的運(yùn)算規(guī)則，QW0的數(shù)值變成0；以后再運(yùn)行除法運(yùn)算，結(jié)果都是0。所以，在QW0數(shù)值為0時(shí)，利用比較指令給QW0送入16進(jìn)制數(shù)字2000即可完成循環(huán)，如圖9所示。

圖9 應(yīng)用舉例3

4 結(jié) 論

在PLC的實(shí)際應(yīng)用中，解決一個(gè)任務(wù)可以采用多種方法。實(shí)際教學(xué)中，教師負(fù)責(zé)提出問題，并給出多種解決問題的途徑，學(xué)生可以利用學(xué)過的知識(shí)找到解決問題的方法。實(shí)踐證明，大多數(shù)同學(xué)能夠利用常規(guī)指令解決問題，也有部分同學(xué)找到的方法比較新穎。