1.1 PLC的硬件结构

1.1.1 PLC的基本概念

现代社会要求制造业能对市场需求迅速做出反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，PLC正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。

PLC的应用面广、功能强大、使用方便，已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中。PLC在其他领域，例如在民用和家庭自动化的应用中也得到了迅速的发展。目前PLC仍然处于不断的发展之中，其功能在不断增强，而且更为开放，它不但是单机自动化中应用最广的控制设备，在大型工业网络控制系统中也占有不可动摇的地位。PLC应用面之广、普及程度之高，是其他计算机控制设备所无法比拟的。

国际电工委员会（IEC）在1985年对PLC作了如下定义：“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指令，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，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”从上述定义可以看出，PLC是一种用程序来改变控制功能的工业控制计算机，除了能完成各种各样的控制功能外，还有与其他计算机通信连网的功能。

本书以西门子公司的S7-200系列小型PLC为讲授对象。S7-200具有极高的可靠性、丰富的指令集和内置的集成功能、强大的通信能力和品种丰富的扩展模块。S7-200可以单机运行，用于代替继电器控制系统，也可以用于复杂的自动化控制系统。由于它有极强的通信功能，在网络控制系统中也能充分发挥其作用。

1.1.2 PLC的硬件组成

可编程序控制器是基于微处理器技术的通用工业自动化控制设备。它采用了计算机的设计思想，实际上就是一种特殊的工业控制专用计算机，只不过它的最主要的功能是数字逻辑控制。因此，PLC具有与通用的微型个人计算机相类似的硬件结构。PLC由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出接口、智能接口模块和编程器构成，其结构如图1-2所示。

1．中央处理器（CPU）

中央处理器是整个PLC的核心组成部分，是系统的控制中枢。它的主要功能是实现逻辑运算、数学运算，协调控制可编程序控制器内部的各部分工作。PLC的CPU内部结构与微型计算机的CPU结构基本相同，PLC的整体性能取决于CPU的性能，因此，常用的CPU主要是通用的微处理器、单片机或工作速度较快的双极型位片式微处理器。

2．存储器

存储器主要用于存放系统程序、用户程序以及工作时产生的数据。系统程序是指控制PLC完成各种功能的系统管理程序、监控程序、用户逻辑解释程序、标准子程序模块和各种系统参数，由PLC生产厂家编写并固化在只读存储器（ROM）中。用户程序指由用户根据工业现场的要求所编写的控制程序，允许用户修改，最终固化并存储于PLC中。

PLC的存储空间根据存储的内容可分为：系统程序存储区、系统RAM存储区和用户程序存储区。

3．输入/输出接口

输入/输出接口是可编程序控制器与现场各种信号相连接的部件，要求它能够处理这些信号并具有抗干扰能力。因此，输入/输出接口通常配有电子变换、光电隔离和滤波电路。输入/输出接口可分为数字量输入、数字量输出、模拟量输入和模拟量输出。

数字量（开关量）输入信号类型有直流和交流两种，均采用光电隔离器件实现现场电信号与PLC内部在电气上的隔离，同时转换成系统内统一的信号范围。输出接口除了具有光电隔离外，还具有各种输出方式：有的采用直流输出方式，有的采用交流输出方式，也有的采用继电器输出方式等。

模拟量有各种类型，包括0～10V、-10～10V、4～20mA。它们首先要进行信号处理。将输入模拟量转换成统一的电压信号，然后进行模拟量到数字量的转换，即A/D转换。通过采样、保持和多路开关的切换，多个模拟量的A/D转换就可以共用一个A/D转换器来完成。转换为数字量的模拟量就可以通过光电隔离、数据驱动输入到PLC内部。

模拟量的输出是把可编程序控制器内的数字量转换成相应的模拟量输出，因此，它是与输入相反的过程。整个过程可分为光电隔离、D/A转换和模拟信号驱动输出等环节。PLC内的数字量经过光电隔离实现两部分电路上的电气隔离，数字量到模拟量的转换由数/模转换器（即D/A转换器）完成，转换后的模拟量再经过运算放大器等模拟器件进行相应的驱动，形成现场所需的控制信号。

4．智能接口模块

为了进一步提高PLC的性能，各大PLC厂商除了提供以上输入/输出接口外，还提供各种专用的智能接口模块，用以满足各种控制场合的要求。智能接口模块是PLC系统中的一个较为独立的模块，它们具有自己的处理器和存储器，通过PLC内部总线在CPU的协调管理下独立地进行工作。智能接口模块既扩展了PLC可处理的信号范围，又可使CPU能处理更多的控制任务。

智能接口模块包括高速脉冲计数器、定位控制智能单元、PID调节智能单元、PLC网络接口、PLC与计算机通信接口、传感器输入智能单元等。

5．编程器

编程器用来生成用户程序，并用它来编辑、检查、修改用户程序，监视用户程序的执行情况。手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又称为指令编程器。它的体积小，价格便宜，一般用来给小型PLC编程，或者用于现场调试和维护。

使用编程软件可以在计算机屏幕上直接生成和编辑梯形图或指令表程序，并且可以实现不同编程语言之间的相互转换。程序被编译后下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，还可以通过网络或电话线实现远程编程和传送。

现在的发展趋势是用编程软件取代手持式编程器，西门子PLC只用编程软件编程。对S7-200进行编程时，应配备一台安装有STEP 7-Micro/WIN编程软件的计算机，和一根连接计算机和PLC的RS-232/PPI通信电缆或USB/PPI多主站电缆。现在的笔记本电脑一般都没有RS-232C通信接口，可以选用USB/PPI电缆，用USB接口与PLC通信。

6．电源

PLC使用AC 220V电源或DC 24V电源。内部的开关电源为各模块提供不同电压等级的直流电源。小型PLC可以为输入电路和外部的电子传感器（如接近开关）提供DC 24V电源，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。

1.1.3 PLC的工作原理

PLC的工作方式采用循环扫描，其扫描过程如图1-3所示。扫描时有两个状态：处于停止（STOP）状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容；处于运行（RUN）状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行到程序输出，一直在循环扫描进行工作。

PLC执行程序有三个阶段：输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段，如图1-4所示。

1．输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描工作方式顺序对所有的输入端进行采样，并存入输入映像寄存器中，这时输入映像寄存器被刷新。接着进入程序执行阶段，在程序执行阶段或其他阶段，即使输入状态发生变化，输入映像寄存器的内容也不会改变，输入状态的改变只有在下一个扫描周期的输入采样阶段才能被采样到。

2．程序执行阶段

在程序执行阶段，PLC对程序按顺序进行扫描。如果程序用梯形图表示，应按先上后下、先左后右的顺序执行。当遇到程序跳转指令时，根据是否满足跳转条件来决定程序是否跳转。当指令中涉及输入/输出状态时，PLC从输入映像寄存器和元件映像寄存器中读出，根据用户程序进行运算，运算的结果再存入元件映像寄存器中。对于元件映像寄存器来说，其内容会随程序执行的过程而变化。

3．输出刷新阶段

当所有程序执行完毕后，进入输出处理阶段。在这一阶段里，PLC将输出映像寄存器中与输出有关的状态（输出继电器状态）转存到输出锁存器中，通过隔离电路输出，驱动外部负载。

4．工作过程

PLC在输入采样阶段只对输入端进行扫描。当PLC进入程序执行阶段后，输入端将被封锁，直到下一个扫描周期的输入采样阶段才对输入重新进行采样。这种方式称为集中采样。

PLC在程序循环扫描中采用“串行”方式工作，这种串行工作方式避免了继电器-接触器控制系统中触点竞争和时序失配的问题。同时，扫描周期是PLC的一个很重要的指标，小型PLC的扫描周期按用户程序的长短而论，一般为十几到几十毫秒。

PLC在输出刷新阶段，如果在用户程序中对输出结果多次赋值，则最后一次有效。在一个扫描周期内，只在输出刷新阶段才将输出映像寄存器中的内容输出，对输出接口进行刷新。在其他阶段输出状态一直保存在输出映像寄存器中。这种方式称为集中输出。

对于小型PLC，其I/O点数较少，用户程序较短，一般采用集中采样、集中输出的工作方式，虽然在一定程度上降低了系统的响应速度，但使得PLC工作时大多数时间与外部I/O设备隔离，从而提高了系统的抗干扰能力，增加了系统的可靠性。而大中型PLC，其I/O点数较多，控制能力强，用户程序较长，为了提高系统响应速度，可以采用定期采样、定期输出方式，或中断输入/输出方式以及采用智能I/O接口等多种方式。

1.1.4 PLC的操作模式

1．操作模式

PLC有两种操作模式，即RUN（运行）模式与STOP（停止）模式。在CPU模块的面板上用 "RUN" 和 "STOP" LED显示当前的操作模式。

在RUN模式，通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。

在STOP模式，CPU不执行用户程序，可以用编程软件创建和编辑用户程序，设置PLC的硬件功能，并将用户程序和硬件设置信息下载到PLC。

如果有致命错误，在消除它之前不允许从STOP模式进入RUN模式。PLC操作系统存储非致命错误供用户检查，但是不会从RUN模式自动进入STOP模式。

2．用模式开关改变操作模式

CPU模块上的模式开关在STOP位置时，将停止用户程序的运行；在RUN位置时，将启动用户程序的运行。模式开关在STOP或TERM (Termianal，终端）位置时，电源通电后CPU自动进入STOP模式；在RUN位置时，电源通电后自动进入RUN模式。

3．用STEP7-Micro/WIN编程软件改变操作模式

用编程软件控制CPU的操作模式必须满足下面的两个条件：

● 在编程软件与PLC之间建立起通信连接；

● 将PLC的模式开关放置在RUN模式或TERM模式。

在编程软件中单击工具条上的运行按钮或执行菜单命令 "PLC/RUN"，将进入RUN模式。单击停止按钮或执行菜单命令 "PLC/STOP"，将进入STOP模式。

4．在程序中改变操作模式

在程序中插入STOP指令，可以使CPU由RUN模式进入STOP模式。