西门子KP900按键式面板

PLC的硬件系统由主机系统、输入/输出扩展环节及外部设备组成。1.3.1　主机系统

可编程控制器主要由CPU、存储器、基本I/O接口电路、外设接口、编程装置、电源等组成。可编程控制器的结构多种多样，但其组成的一般原理基本相同，都是以微处理器为核心的结构，。编程装置将用户程序送入可编程控制器，在可编程控制器运行状态下，输入模块接收到外部元件发出的输入信号，可编程控制器执行程序，并根据程序运行后的结果，由输出模块驱动外部设备。

.中央处理单元

中央处理单元主要由微处理器CPU和存储器组成。

（1）微处理器CPU

微处理器CPU是可编程控制器的核心，相当于人的大脑。CPU一般由控制电路、运算器和寄存器组成。这些电路通常都被封装在一个集成的芯片上。CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与存储器、输入输出接口电路连接。CPU的功能有：在系统监控程序的控制下工作，通过扫描方式，将外部输入信号的状态写入输入映像寄存区域，PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，按指令规定的任务进行数据的传送、逻辑运算、算术运算等，然后将结果送到输出映像寄存区域。

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常用的微处理器有通用型微处理器、单片机和位片式计算机等。通用型微处理器常见的如Intel公司的8086、80186、到Pentium系列芯片，单片机型的微处理器如Intel公司的MCS-96系列单片机，位片式微处理器如AMD2900系列的微处理器。小型PLC的CPU多采用单片机或专用CPU，中型PLC的CPU大多采用16位微处理器或单片机，大型PLC的CPU多采用高速位片式处理器，具有高速处理能力。

（2）存储器

存储器是PLC存放系统程序、用户程序和运行数据的单元。可编程控制器的存储器由只读存储器ROM、随机存储器RAM和可电擦写的存储器EEPROM三大部分构成。只读存储器ROM用以存放系统程序，可编程控制器在生产过程中将系统程序固化在ROM中，用户是不可改变的。用户程序和中间运算数据存放在随机存储器RAM中，RAM存储器是一种高密度、低功耗、价格便宜的半导体存储器，可用锂电池做备用电源。它存储的内容是易失的，掉电后内容丢失；当系统掉电时，用户程序可以保存在只读存储器EEPROM或由高能电池支持的RAM中。EEPROM兼有ROM的非易失性和RAM的随机存取优点，用来存放需要长期保存的重要数据。

2.输入/输出（I/O）单元及I/O扩展接口

（1）输入/输出（I/O）单元

PLC的对外功能主要是通过各类接口模块的外接线，实现对工业设备和生产过程的检测与控制。通过各种输入/输出接口模块，PLC既可检测到所需的过程信息，又可将处理结果传送给外部过程，驱动各种执行机构，实现工业生产过程的控制。通过输入模块单元，PLC能够得到生产过程的各种参数；通过输出模块单元，PLC能够把运算处理的结果送至工业过程现场的执行机构实现控制。为适应工业过程现场对不同输入/输出信号的匹配要求，PLC配置了各种类型的输入/输出模块单元。

（2）I/O扩展接口

I/O扩展接口是PLC主机用于扩展输入/输出点数和类型的部件，输入/输出扩展单元、远程输入/输出扩展单元、智能输入/输出单元等都通过它与主机相连。I/O扩展接口有并行接口、串行接口等多种形式。

3.外设I/O接口

外设I/O接口是PLC主机实现人机对话、机机对话的通道。通过外设I/O接口，PLC可以和编程器、彩色图形显示器、打印机等外部设备相连，也可以与其他PLC或上位计算机连接。外设I/O接口一般是RS232C或RS422A串行通信接口，该接口的功能是进行串行/并行数据的转换、通信格式的识别、数据传输的出错检验、信号电平的转换等。对于一些小型PLC，外设I/O接口中还有与专用编程器连接的并行数据接口。

可编程控制器采用循环扫描方式工作，完成1次扫描所需的时间叫做扫描周期。影响扫描速度的主要因素有用户程序的长度和PLC产品的类型。PLC中CPU的类型、机器字长等直接影响PLC运算精度和运行速度。

（4）指令系统

指令系统是指PLC所有指令的总和。可编程控制器的编程指令越多，软件功能就越强，但掌握应用也相对较复杂。用户应根据实际控制要求选择合适指令功能的可编程控制器。

（5）通信能力

通信有PLC之间的通信和PLC与其他设备之间的通信。通信主要涉及通信模块、通信接口、通信协议和通信指令等内容。PLC的组网和通信能力也已成为PLC产品水平的重要衡量指标之一。

厂家的产品手册上还提供PLC的负载能力、外形尺寸、重量、保护等级、适用的安装和使用环境（如温度、湿度等性能指标参数），供用户参考。1.5　可编程控制器的分类、特点、应用及发展1.5.1　可编程控制器的分类

（1）按I/O点数和功能分类

可编程控制器用于对外部设备的控制，外部信号的输入、PLC的运算结果的输出都要通过PLC输入、输出端子来进行接线，输入、输出端子的数目之和被称作PLC的输入、输出点数，简称I/O点数。

由I/O点数的多少可将PLC分成小型、中型和大型。

小型PLC的I/O点数小于256点，以开关量控制为主，具有体积小、价格低的优点。可用于开关量的控制、定时/计数的控制、顺序控制及少量模拟量的控制场合，代替继电器-接触器控制，在单机或小规模生产过程中使用。

中型PLC的I/O点数在256～1024之间，功能比较丰富，兼有开关量和模拟量的控制能力，适用于较复杂系统的逻辑控制和闭环过程的控制。

大型PLC的I/O点数在1024点以上。用于大规模过程控制、集散式控制和工厂自动化网络。

（2）按结构形式分类

PLC可分为整体式结构和模块式结构两大类。

整体式是将存储器部件等组成部分集中于一体安装在印刷电路板上PLCCPU、、I/O，，并连同电源一起装在一个机壳内，形成一个整体，通常称为主机或基本单元。整体式结构的PLC具有结构紧凑、体积小、重量轻、价格低的优点。一般小型或超小型PLC多采用这种结构。

模块式PLC是把各个组成部分做成独立的模块，如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块等。各模块作成插件式，并将组装在一个具有标准尺寸且带有若干插槽的机架内。模块式结构的PLC配置灵活，装配和维修方便，易于扩展。一般大中型的PLC都采用这种结构。

（3）按生产厂家分

PLC的生产厂家很多，国内国外都有，其点数、容量、功能各有差异，但都自成系列，比较有影响的厂家有：

日本立石（OMRON）公司的C系列可编程控制器；

日本三菱（MITSUBISHI）公司的F、F 1 、F 2 、FX 2 系列可编程控制器；

日本松下（PANASONIC）电工公司的FP 1 系列可编程控制器；

美国通用电气（GE）公司的GE系列可编程控制器；

美国艾伦—布拉德利（A-B）公司的PLC-5系列可编程控制器；

德国西门子（SIEMENS）公司的S5、S7系列可编程控制器。

可编程控制器PLC与个人计算机PC的主要差异

（1）PLC工作环境要求比PC低，PLC抗干扰能力强；

（2）PLC编程比PC简单易学；

（3）PLC设计调试周期短；

（4）PC应用领域与PLC不同；

（5）PLC的输入/输出响应速度慢（一般ms级），而PC的响应速度快（μs级）；

（6）PLC维护比PC容易。

3.PLC与继电器控制的区别

PLC与继电器控制的区别主要体现在：组成器件不同，PLC中是软继电器；触点数量不同，PLC编程中无触点数的限制；实施控制的方法不同，PLC是主要软件编程控制，而继电器控制依靠硬件连线完成。1.5.3　可编程控制器的应用

目前，可编程控制器已经广泛地应用在各个工业部门。随着其性能价格比的不断提高，应用范围还在不断扩大，主要有以下几个方面：

（1）逻辑控制

可编程控制器具有“与”、“或”、“非”等逻辑运算的能力，可以实现逻辑运算，用触点和电路的串、并联，代替继电器进行组合逻辑控制、定时控制与顺序逻辑控制。数字量逻辑控制可以用于单台设备，也可以用于自动生产线，其应用领域为普及，包括微电子、家电行业也有广泛的应用。

（2）运动控制

可编程控制器使用专用的运动控制模块，或灵活运用指令，使运动控制与顺序控制功能有机地结合在一起。随着变频器、电动机启动器的普遍使用，可编程控制器可以与变频器结合，运动控制功能更为强大，并广泛地用于各种机械，如金属切削机床、装配机械、机器人、电梯等场合。

（3）过程控制

可编程控制器可以接收温度、压力、流量等连续变化的模拟量，通过模拟量I/O模块，实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换和D/A转换，并对被控模拟量实行闭环PID控制。现代的大中型可编程控制器一般都有PID闭环控制功能，此功能已经广泛地应用于工业生产、加热炉、锅炉等设备，以及轻工、化工、机械、冶金、电力、建材等行业。

（4）数据处理

可编程控制器具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。这些数据可以是运算的中间参考值，也可以通过通信功能传送到其他的智能装置，或者保存、打印。数据处理一般用于大型控制系统，如无人柔性制造系统，也可以用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。

（5）构建网络控制

可编程控制器的通信包括主机与远程I/O之间的通信、多台可编程控制器之间的通信、可编程控制器和其他智能控制设备（如计算机、变频器）之间的通信。可编程控制器与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。

当然，并非所有的可编程控制器都具有上述功能，用户应根据系统的需要选择可编程控制器，这样既能完成控制任务，又可节省资金。1.5.4　可编程控制器的发展