第三章 PLC 概述

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第三章 PLC 概述

定义分类

应用领域 国内外状况

发展趋势

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3.1 PLC 的产生与定义 在 PLC 的发展历程中，有过几个不同的名

称： 可编程序矩阵控制器 PMC

（ Programmable Matrix Controller）• 可编程序顺序控制器 PSC

（ Programmable Sequence Controller）• 可编程序逻辑控制器 PLC

（ Programmable Logic Controller）

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PLC 的定义 PLC 的历史• 1968 年，美国最大的汽车制造商通用汽车公

司（ GM），为了适应汽车型号不断更新的需要，提出了十条技术指标在社会上公开招标，制造一种新型的工业控制装置。

3.1 PLC 的产生与定义

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• （ 1 ）容易编程，可现场修改程序；• （ 2 ）维修方便，采用模块式结构；• （ 3 ）可靠性高于继电器控制装置；• （ 4 ）体积小于继电器控制盘；• （ 5 ）能与管理计算机进行数据通讯；• （ 6 ）价格便宜，可与继电器控制盘竞

争；•

3.1 PLC 的产生与定义

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•（ 7 ）输入电源使用市电 115V （美国标准）；•（ 8 ）输出电源为交流 115V ，容量为 2A ，可• 驱动接触器、电磁阀等设备；• （ 9 ）扩展时原系统改变最小；• （ 10 ）存储设备可扩充至 4K 个存储字节。•“GM” 十条要求提出了将传统的继电接触控制的简单•易懂，使用方便，价格低的优点，与计算机的功能•完善、灵活性、通用性好的优点结合起来，将继电•控制的硬连接逻辑转变为计算机的软件逻辑编程的•设想。

3.1 PLC 的产生与定义

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1969 年美国数字设备公司（ DEC ）根据招标的要求，研制出世界上第一台可编程序控制器，并在 GM 公司汽车生产线上首次应用成功。

1980 年美国电气制造商协会（ NEMA ）正式将其命名为编程序控制器（ Programmable Controller），简称 PC。

3.1 PLC 的产生与定义

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国际电工委员会（ IEC ）于 1982 年 11 月 1985 年 1 月对可编程序控制器作了如下的定义：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的命令，并通过数字式模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原则而设计”。

3.1 PLC 的产生与定义

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3.2 PLC3.2 PLC 的分类的分类 （ 1 ）按 I／ O 点数分类• I／ O 点数小于 32 为微型 PLC；• I／ O 点数在 32 ～ 128 为微小型 PLC；• I／ O 点数在 128 ～ 256 为小型 PLC；• I／ O 点九在 256 ～ 1024 为中型 PLC；• I／ O 点数大于 1024 为大型 PLC；• I／ O 点数在 4000 以上为超大型 PLC。 以上划分不包括模拟量 I／ 0 点数，且划分界

限不是固定不变的。

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PLC的分类 （ 2 ）按结构形式分类• 整体式 PLC ： 又称单元式或箱体式。整体式 PLC 是将电源、 CPU、 I／ 0 部件都集中装在一个机箱内。一般小型 PLC 采用这种结构。

• 模块式PLC：将 PLC 各部分分成若干个单独的模块，如 CPU 模块、 I／ 0 模块、电源模块和各种功能模块。模块式 PLC由框架和各种模块组成。模块插在插座上。一般大、中型 PLC 采用模块式结构，有的小型 PLC也采用这种结构。

• 有的 PLC 将整体式和模块式结合起来，称为叠装式 PLC。

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模块式

Power in a Small Package!!Power in a Small Package!!

电源模块

CPU 模块 IO 模块

底 板

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3.3 PLC3.3 PLC 的特点的特点

1 、可靠性高 (平均无故障时间 3--5万小时）；

2 、编程简单；3 、通用性强；

4 、体积小、结构紧凑、安装、维护方便； 5 、功能完善； 6 、施工、设计、调试周期短。

优点

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PLCPLC 的缺点的缺点• 主要是 PLC 的软、硬件体系结构是封闭而不是

开放的：如专用总线、专家通信网络及协议， I/O 模板不通用，甚至连机柜、电源模板亦各不相同。

• 编程语言虽多数是梯形图，但组态、寻址、语言结构均不一致，因此各公司的 PLC互不兼容。

• SIEMENS 等公司已经开发出以个人计算机为基础，在 Windows平台下，结合 IEC1131－ 3 国际标准的新一代开放体系结构的 PLC 。

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3.4 PLC3.4 PLC 的应用领域的应用领域• PLC 在工业自动化中起着举足轻重的作用，

在国内外已广泛应 用于机械、冶金、石油、化工、轻工、纺织、电力、电子、食品、 交通等行业。经验表明， 80 ％以上的工业控制可以使用 PLC 来完成。

• 在日本，凡 8 个以上中间继电器组成的控制系统都已采用 PLC 来取代。

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发展趋势国内外状况 品牌

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3.5 PLC3.5 PLC 的国内外状况的国内外状况• 1969 年美国研制出世界上第一台 PLC

以后，日本、德国、法国等国相继研制了各自的 PLC 。

• 70 年代中期， PLC 进入了实用化阶段。

• 70 年代末和 80 年代初， PLC 进入了成熟阶段。

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3.5 PLC3.5 PLC 的国内外状况的国内外状况 美国 PLC 发展得最快：• 1984 年有 48家，生产 150多种 PLC；• 1987 年有 63家，生产 243种 PLC；• 1996 年有 70余家，生产近 300种 PLC。• 著名厂家有 A—B（ Allen－ Bradley ）艾伦

一布拉德利公司， MODICON莫迪康公司， GE－ FSNUC 公司， TI（ Texas Instrument ）德州仪器公司， WESTHOUSE Electric西屋电气公司， IPM（ International Parallel Machines ）国际并行机器公司等。

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3.5 PLC3.5 PLC 的国内外状况的国内外状况 欧洲 PLC 的厂家有 60余家 :

西门子（ Siemens ）于 1973 年研制出第一台 PLC。

• 金钟默勒 （ Klockner Moeller Gmbh ）， AEG，

• 法国的 TE(Telemecanique） (施耐德）• 瑞士的 Selectron 公司等。

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3.5 PLC3.5 PLC 的国内外状况的国内外状况 1971 年，日本从美国引进 PLC 技术，由日立公司研制成功日本第一台 PLC。

日本生产 PLC 的厂家有 40余家：• 三菱电机 (MITSUBISHI),欧姆龙 (OMRON),• 富士电机（ Fuji Electric） ,东芝（ TOSHIBA） ,

• 光洋（ KOYO),松下电工（ MEW） ,• 和泉（ IDEC） ,夏普 (SHARP） ,• 安川等公司。

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3.5 PLC3.5 PLC 的国内外状况的国内外状况 我国在 70 年代末和 80 年代初开始引进 PLC 。我国早期独立研制 PLC 的单位有：

• 北京机械工业自动化研究所，• 上海工业自动化仪表研究所，• 大连组合机床研究所，• 成都机床电器研究所，• 中科院北京计算机所及自动化所，• 长春一汽，• 上海起重电器厂，• 上海香岛机电公司，• 上海自力电子设备厂等单位。 以上诸单位都没有形成规模化生产。

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3.5 3.5 PLC的国内外状况

• 辽宁无线电二厂引进德国西门子技术生产 PLC；

• 无锡电器和日本光洋合资生产的 PLC;

• 中美合资的厦门 A—B 公司生产的PLC；

• 上海香岛机电公司引进技术生产的 PLC;

• 上海 OMRON 公司 ;

• 西安 Siemens 公司等。

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PLC的发展趋势• （ 1 ）向高速度、大存储容量方向发展

（ CPU处理速度 nS级；内存 2M 字节）• （ 2 ）向多品种方向发展和提高可靠性

（超大型和超小型）• （ 3 ）产品更加规范化、标准化

（硬件、软件兼容的 PLC）• （ 4 ）分散型、智能型、与现场总线兼容的 I／ 0• （ 5 ）加强联网和通信的能力• （ 6 ）控制的开放和模块化的体系结构

OMAC（ open Modular Architecture for Control）

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PLCPLC 著名品牌著名品牌 1993 年中国 PLC 市场排行榜上的世界十大厂家：• 美国 A－ B 公司 （ Allen－ Bradley）• 德国西门子公司（ Siemens）• 美国 GE－ Fanuc 公司• 美国的莫迪康（ Modicon ）和法国的 TE 电器公司• 日本欧姆公司（ OMRON）• 日本三菱电机株式会社（ MITSUBISHI）• 日本富士电机株式会社（ Fuji Electric）• 日本东芝公司（ TOSHIBA）• 日本的光洋电子（ KOYO ）和中国的华光电子 (CKE）• 日本松下电工株式会社（ MEW）：Matsushita

Electric Works Ltd）

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PLC著名品牌

根据美国 Automation Research Co．（ ARC ）的商情调查，在 1994年 PLC 市场上，最大的 5家 PLC 制造商是 :

SIEMENS， Allen－ Bradly，（ Rockwell) AEG Schneider， 三菱电机 , OMRON(立石电机）

（ 1996 年中国 PLC 市场）

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3.6 P LC 控制系统与电器控制系统的较 电器控制系统组成

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PLC 控制系统组成

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PLC 等效电路• 例：三相异步电动机单向运行电器控制系统

输入设备

输出设备

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PLC 等效电路• 三相异步电动机单向运行 PLC 控制系统

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PLC 控制系统与电器控制系统的区别

① 控制方法上： 硬 ： 软硬 ： 软

② 工作方式上： 并行工作方式 ： 串行工作并行工作方式 ： 串行工作

方式方式

③ 控制速度上： 速度 慢 ： 快速度 慢 ： 快

④ 定时和计数控制上： 精度 低 ： 高精度 低 ： 高

⑤ 可靠性和可维护性上： 可靠性 低 ： 高可靠性 低 ： 高

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3.7 PLC3.7 PLC 基本组成和工作原基本组成和工作原理理

● PLC 的基本组成

● ● PLCPLC 的工作原理的工作原理

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一、 PLC 的基本组成

编程器或其他编程设备

SB

SQ

SA HL

YV

KM微处理器

存储器

输入单元

输出单元

电源

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• 1. 中央处理单元（ CPU）(1) 从程序存储器读取程序指令，编译、执行指令(2) 将各种输入信号取入(3) 把运算结果送到输出端(4) 响应各种外部设备的请求

（ 1 ）通用处理器： 8086 、 80286 、 80386（ 2 ）单片机芯片： 8031 、 8096（ 3 ）位片式微处理器： AMD-2900小型 PLC 多采用 8 位微处理器或单片机作为 CPU中型 PLC 多采用 16 位微处理器或单片机作为 CPU大型 PLC 多采用高速位片式微处理器

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RAM ：存储各种暂存数据、中间结果、用户正调 试的程序。ROM ：存放监控程序和用户已调试好的程序。

2. 存储器

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3. 输入、输出接口 采用光电隔离，实现了 PLC 的内部电路与外部电路的电

气隔离，减小了电磁干扰。

输出接口作用：将主机向外输出的信号转换成可以驱动外部执行电路的信号，以便控制接触器线圈等电器通断电；另外输出电路也使计算机与外部强电隔离。

输出三种形式：继电器 -- 低速大功率 可控硅 -- 高速大功率 晶体管 -- 高速小功率

输入接口作用：将按钮、行程开关或传感器等产生的信号，转换成数字信号送入主机。

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（ 1 ）输入接口电路：采用光电耦合器，防止强电干扰。

COM 光电三极管

发光二极管

直流电源

输入端子

+ –

PLC

Xn

+24V–

内

部

电

路

3.3k

1000PF

470

内

部

电

路

3.3k

1000PF

470

发光二极管

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继电器输出（ 2 ）输出接口电路：

以继电器形式为例：

PLC内

部

电

路

内

部

电

路

J

+交流电源或

直流电源

Y

COM

-

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4. 电源单元• 把外部供应的电源变换成系统内部各单元所需的电源。

• 有的电源单元还向外提供 24v隔离直流电源，可供开关量输入单元连接的现场无源开关等使用。

可编程序控制器的电源一般采用开关式电源，其特点是输入电压范围宽、体积小、重量轻、效率高、抗干扰性能好。

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5. 各种接口、高功能模块 便于扩展

小型机：一体机。有接口可扩展。

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Power in a Small Package!!Power in a Small Package!!

电源模块

CPU 模块 IO 模块

底 板

中、大型机：模块式。可根据需要在主板上随意组合。

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编程设备可以是专用的手持式的编程器；也可以是安装了专门的编程通讯软件的个人计算机。

6. 编程设备

用户可以通过键盘输入和调试程序；另外在运行时，还可以对整个控制过程进行监控。

PCFP PROGRAMMER

(HELP)CLR WRT

FN/PFL

STKIX/IY

NOTDT/Ld

READ

OTLWL

ORRWR

ANYWY

STXWX

SRC

(-)OP

(BIN)K/H

SC

CTCEV

TMTSV

ACLR ENT

BA

FEDC

98

3 2 1 0

7 6 5 4

(DELT)CLR

手持式的编程器

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二、二、 PLCPLC 的工作原理的工作原理——建立建立 I/OI/O映像区映像区

输入点总有输入映象区的某一位与之相对应

I/O 映象区的大小与系统控制的规模有关

PLC 工作时，将采集到的输入信号状态存放在输入映象区对应的位上；将运算的结果存放到输出映象区对应的位上。 PLC 在执行用户程序时所需“输入继电器”、“输出继电器”的数据取用于 I/O 映象区，而不直接与外部设备发生关系 。

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PLC 工作过程初始化

CPU自诊断

通信信息处理

与外设交换信息

执行用户程序

输入输出信息处理

定期检查用户程序存储器、 I/O 单元的连接、 I/O 总线是否正常，定期复位监控定时器WDT

PLC 之间以及 PLC与 PC 之间； PLC 与其他带微处理器的智能装置通信

编程器、终端设备、彩色图形显示器、打印机

以扫描的方式按顺序逐句扫描处理，运算结果存入输出映象区对应位中

扫描的方式输入信号的状态存入输入映象区；结果存入输出映象区，直至传送到外部被控设备。

清除内部继电器区，复位定时器等，并进行自诊断，对电源、 PLC 内部电路、用户程序的语法进行检查。

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用户程序的循环扫描过程

输入映象寄存器

（）

（）

输入端子

用户程序执行 输出映象寄存器

输出锁存器

输出端子

输入采样阶段 程序执行阶段 输出刷新阶段

（集中输入） （集中输出）

输出

可编程序控制器对用户程序进行循环扫描可分为三个阶段进行，即输入采样阶段，程序执行阶段和输出刷新阶段。

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输入、输出延迟响应① 输入电路滤波时间，它由 RC滤波电路的时间常数决定。改变时间常数可调整输入延迟时间。

③ PLC循环扫描的工作方式

⑤ 用户程序中语句的安排

④ PLC 对输入采样、输出刷新的集中处理方式

② 输出电路的滞后时间，它与输出电路的输出方式有关。继电器输出方式的滞后时间为 10ms左右；双向晶闸管输出方式，在接通负载时滞后时间约为 1ms ，切断负载时滞后时间小于 10ms ；晶体管输出方式的滞后时间小于 1ms 。

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一个扫描周期

输入端子

输入滤波电路输出

输出端子 I /O最短 响应时间

执行指令 执行指令

一个扫描周期

输入延迟时间

输出延迟时间CPU 读 输

入

输入输出延迟时间——最短响应时间输 入 / 输

出 刷 新 时间

最短响应时间 = 输入延迟时间 + 一个扫描周期 + 输出延迟时间

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一个扫描周期

输入端子

输入滤波电路输出

输出端子

I /O最长 响应时间

执行指令 执行指令

一个扫描周期

输入延迟时间

输出延迟时间CPU 读 输入

输 入 / 输

出 刷 新 时间

输入输出延迟时间——最长响应时间

最长响应时间 = 输入延迟时间 +两个扫描时间 + 输出延迟时间

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输出刷新

Q0. 0 M2. 1

输入采样

输出刷新

程序执行

输入采样

程序执行

输入采样

程序执行

输出刷新

输入采样

程序执行

输出刷新

3第 周期1第 周期 2第 周期

I 0. 2输入端子

I 0. 2输入映象寄存器

Q0. 0输出映象寄存器

Q0. 0输出端子

M2. 0位存储器

M2. 1位存储器

I 0. 2 Q0. 0

M2. 0Q0. 0

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　一、编程语言

• 1. 语句表 • 2. 梯形图 • 3. 功能块图 • 4. 其他编程语言

　 3.8 PLC 编程语言和程序结构

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1. 语句表 •语句表（ STL ）语言类似于计算机的汇编语言，特别适合于来自计算机领域的工程人员。用指令助记符创建用户程序，属于面向机器硬件的语言，STEP 7 Micro/Win32 的语句表如图所示。

语句表举例

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2. 梯形图

梯形图举例

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3. 功能块图 • 功能块图（ FBD ）的图形结构与数字电

子电路的结构极为相似，如图所示。

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4. 其他编程语言 • SIMATIC 工业软件中的工程工具中为大

型或中型 PLC 提供了许多高级编程工具，以下简要其中的几种：

• （ 1） S7-SLC 和 M7-Pro C/C++

• （ 2） S7-GRAPH

• （ 3） S7-HiGraph

• （ 4） CFC

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（ 1 ） S7-SLC 和 M7-Pro C/C++

SLC语言

S7-SLC 的语言与 PASCAL非常相似，如图所示。

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（ 2 ） S7-GRAPH

S1

S2

S8

S3

T0

S

S

T8

T3

T2

T1

S

T9

　顺序流程

图

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（ 3 ） S7-HiGraph

• 它借助于状态图来描述异步过程。用于装置和过程，以及可能的转移状态的图形描述。

• 本工具可基于系统框图和流程图直接进行编程，程序结构和过程清晰。 S7-HiGraph 如图所示。

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1AINIT_SD;?

0Init

1

4

1

2

3

1

1

1

1

? A Top ; A IM_Lower;?

A Bottom;?A M_Raise;?

Movement down

C = Down;

Movement up

C = Up;

Top

C = OM_Top;

Bottom

C = OM_Bottom;

状态图

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（ 4 ） CFC • CFC （ 连续功 能图） 是 在 原 来 的

CSF （控制系统流程图）的基础上发展起来的，它通过绘制过程控制流程图，将各程序块在版面上布置，然后将它们相互连接即可。

• 控制系统流程图如图所示。

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Process

SAMP_AVESliding averag

OB 35 2/-

BO BNR INI N

ENO BOOUT R

ControllerCONT_CContinuous PID

OB 35 1/-

R PV_INR SP_INTBO MAN ON LMN R

TI TNR GAINR MAN

TI TVTI TV

ControllerCONT_CContinuous PID

OB 35 7/-

R PV_INR SP_INTBO MAN ON LMN R

TI TNR GAINR MAN

TI TVR DEADB_W

1

30

20.00

0.02.0

20S10S0.0

0.02.0

20S10S0.0

0

连续功能图

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二、程序结构

• 1. 用户程序 • （ 1 ）主程序 • （ 2 ）子程序 • （ 3 ）中断处理程

序 • 2. 数据块 • 3. 参数块