表1  LEM PLC的6种指令

    图1给出了指令格式，每一条指令由13位组成。

图1  LEM PLC的指令格式

    从图1指令格式中可以看出指令的地址场包含9位2进制数，允许寻址29 = 512位。在LEM－PLC中设置128位输入变量Ui和128位输出变量Yj，剩下256位保留作为中间变量Xk。因此LEM的数据存储器（便笺式存储器）具有512位，以8进制表示时，地址为0(O)至777(O)。图2表示了LEM的数据存储器组态。

图2  LEM的数据存储器组态

    LEM的中央处理器包含一个程序计数器(P)或称指令指针（10位寄存器），一个13位指令寄存器(I)和一个逻辑累加器(A)，最后还有一个4位后进先出的堆栈LIFO。图3表示执行指令的过程。指令指针执行完当前指令后把指针数加1，指向下一条将执行的指令。现在指令指针中的内容为1000(O)（2进制码为001  000  000  000），在程序存储器（用户存储区）中。地址为1000(O)单元处放置有指令IFU3，中央处理器将这条指令取入指令寄存器(I)，这时(I)寄存器的内容为：
　　

图3  LEM PLC执行指令的过程

    其地址场的内容为000  000  011转入地址寄存器(S)，并取数据存储器第3单元（输入变量U3）的内容送至累加器(A)。这一过程是中央处理器根据指令中的操作码0001，经译码器译码后在时钟的控制下进行的。以上仅仅是执行一条指令的过程。

    下面说明PLC怎样使用LIFO堆栈来完成一个梯形图的梯节或一个布尔代数方程的表达式： 

   

    用梯形图来表示上述逻辑方程的梯节如图4所示：

图4  用梯形图表示的例子 

    将上述逻辑方程或梯节写成LEM  PLC能执行的程序，其程序表见表2。

    表2中的指令助记符在程序存储器中的编码见表3。

    在表4中列出了程序执行过程中，累加器A和堆栈的内容。

    输入变量，中间变量和输出变量在数据储器中的位置如表5所示。

    上面说明了PLC执行一条指令或一个逻辑方程（用梯形图表示时是一个梯节）的过程。但是PLC与普通办公用计算机有一个很大的不同点，就是PLC的程序是自动循环执行的，而普通计算机是按照命令执行程序，程序结束后等待新的命令。后一种工作方式称异步工作方式。因此，对PLC说来循环是一个十分重要的概念。大部分PLC采用这样的循环方式，程序一开始，扫描和采集输入摸板上各输入变量的数据，然后转移到中央存储器的数据区（有时称为便笺式存储器或输入映像区），接着执行用户的应用程序，把逻辑运算的结果送到便笺式存储器的输出映像区，最后将输出映像区的值送到输出摸板去控制具体的物理过程。在处理完输出转移后，要进行通信程序处理，来完成编程命令或监视命令。然后又回到循环的起始点，扫描和采集输入摸板。

表2   LEM PLC内的用户程序表（执行本例子的程序表）

表3  程序表在存储器中的编码

表4  程序执行过程中累加器A和堆栈的内容

表5  程序执行过程中各个变量在存储器中的位置

    下面以PHILIPS Proscon逻辑控制器为例，进一步说明循环的概念，该控制器的配置如下：

    16块输入摸板，每块摸板16个输入点，总共256个输入点；
    16块输出摸板，每块摸板16个输出点，总共256个输出点；
    程序存储器4KB。

 图5   PLC循环举例

图6   PLC摸板之间信息交换的过程

    一块输入板或输出板的存取时间为29μs，执行1K字程序指令的时间为1.85ms。这样，整个的循环时间是8.3ms。它是由两个部分组成的：一部分的输入／输出循环时间为32×29＝928μs=0.928ms；另一部分的执行程序存储器用户程序的时间，最长为4×1.85=7.4ms。图5为PLC循环举例。图6表示了摸板之间信息交换的过程。 图7表示了循环的控制信号定时图。

    图7上的各种信号说明如下：

    S1：输入／输出信号的有效周期；
    B1：输入／输出地址总线信号；
    S2：来自输入摸板的应答信号；
    B2：转移输入状态到便笺式存储器（输入／输出映像）的总线信号；
    B3：从便笺式存储器中输出状态转移到缓冲存储器的总线信号．缓冲存储器能保证即使在输出板的电源发生故障的情况下，也能保持住应输出的信息；
    S3：来自中央处理单元允许转移到输出摸板的时钟信号；
    S5：逻辑处理信号；
    B4：程序存储器地址总线信号；
    S6：开始执行指令周期的信号；
    B5：指令的总线信号。

    有三种基因素会影响到PLC的循环结构，它们是：
    ?  输入／输出采集战略；
    ?  跳转指令的应用；
    ?  有可能存在数值计算。

    还有一种更复杂的情况，就是多处理器结构的PLC，在循环过程中要分配给智能摸板命令和采集信息，智能摸板是自身带CPU具有特殊功能的摸板，智能摸板的循环和主CPU的循环是并行进行的，但主CPU要向智能摸板发送命令和采集信息。

图7   PLC循环的控制信号定时图

    在循环过程中，遇有跳转指令时（包括无条件和条件跳转），会改变循环的方向，图8 表示了执行程序过程中修整循环的例子。

?  PLC 软件体系　
　　　　　　　　　　　　　　
    PLC系统软件和应用软件
 
    PLC的基本软件包括系统软件和应用软件，如果用一个示意图来表示的话（见图9），PLC的硬件处在一个园的核心部分。在硬件外围有三个环包围着。第一个环是软件的操作系统，用它来管理各种硬件资源（存储器，软盘驱动，键盘。CRT，输入，输出等）；第二个环是编程语言的编译系统；第三个环是应用程序。最外围是被控制对象。相对PLC讲来是外部世界。在硬件和外部世界之间的三个环就构成了PLC的基本软件，硬件通过基本软件实现对外部世界的控制。对基本软件可以下这样一个定义：PLC的基本软件是由一组程序组成，这组程序允许对硬件进行管理，并提供使用方便。这组程序也用来生成和开发应用软件，通过应用软件实现对外部世界的控制。

    在PLC的结构中，软件操作系统驻留在PLC的中央存储器内，并且都加以固化。PLC的语言编译系统，一般都比较大，通常是以磁盘文件的形式，放置在编程器内，最后生成的应用程序也放置在中央存储器内．但是需要有后备电池支持，以保证关机时，程序不会丢失。只有在程序经确认没有错误，现场也不需改动的情况下，为了提高运行的安全性才将应用程序进行固化。

(a) 根据程序中的跳转指令，循环的时间是变化的

(b) 子循环的建立
图8  程序执行时循环时间修改的例子

图9  PLC的软件结构