金华西门子PLC模块CPU供应商

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实现空压站无人值守

1．应用背景
在冶金，化工，电力，制药等许多大型工程中，空压站建设是一项重要的辅助工程。空压站的主设备为空气压缩机，空气干燥器，配套过滤器，储气罐，连接管道和阀门等组成一供气系统。大型空压站通常拥有多套设备，以保证不同负荷的需求。确保合格的供气品质，满足稳定的气源压力，供气的自动调节等是空压站自动化的基本任务。随着自动化水平的不断提高，建设无人值守空压站的要求已是一个发展趋势。
本案例应用于大型空压站。该站有6台每分钟供气200立方的螺杆式空压机，6台200立方处理量的冷冻式干燥器，另有两台80立方处理量的吸附式干燥器，采用母管制连接方式生产压缩空气。用户要求：
1） 每台设备应有自动控制和联锁保护装置，并配有触摸屏供现场观察各工艺参数和设备状态，可手动/自动切换操作及紧急停机；
2） 现场控制室应有计算机操作站，通过建立设备网络，监控整个生产过程；
3） 空压房的操作站应与厂区控制联网，由控制的实时远程监控，实现空压站无人值守。
2．系统构成
2.1．控制网络结构的确立
由于空压房的操作站应与厂区控制联网，由控制的实时远程监控，实现空压站无人值守。为保持一致性，空压站自控设备全部选用硕人时代公司的STEC—2000系列模块化可编程控制器，其带有1个RJ45以太网接口，1个RS232接口，1个485接口，支持标准的TCP/IP、PPP和MODBUS协议。仔细分析了生产实际情况和各设备的特点，以及可能存在的问题，综合各方面因素后确立了“监测，统一调度，现场控制”的实施方案。其基本理由是：
1） 技术性考虑，单一结构网络在节点数量较大时性不够理想。因为各设备控制器均挂在同一网络上，任何一台出现通信故障都可能影响整个网络，严重时会引起网络瘫痪，无法实现远程监控。虽然本案例的设备总数并不算很多，但考虑到对无人值守的高标准要求，将设备网确定为分散控制网络，以达到分散危险，提高网络有效性和性的目的，同时要实时远程监控，实现无人值守。
2） 经济性考虑，满足基本要求的前提下，采用可扩展的STEC控制器，根据不同需要选用不同模块，大节约成本。
监测，统一调度，现场控制的特点：
a) 通讯层——工业以太网络连接控制通讯服务器与各空压站控制器1#STEC2000—6#STEC2000，以及各干燥器控制站7#STEC2000—14#STEC2000和现场控制室15#STEC2000，传输空压站系统和干燥器的重要信息参数及各设备运行状态，并实现控制的远程控制操作。
b) 监控——通讯服务器：负责所有控制器的远程通讯，以及相应的指令下发。数据库服务器：负责承担所有子站的数据存储和数据处理。WEB服务器：负责现场控制室应有计算机操作站，通过建立设备网络，监控整个生产过程；以及厂区控制的实时远程监控，实现空压站无人值守。
c) 现场设备层——和控制器子站采集现场各种信号，并且通过以太网传到监控， STEC和彩色操作面板均可通过面板通信接口直接相连，现场智能仪表可以通过RS232和RS485相连。
硕人时代公司推出的STEC模块化以太网控制器，它为可编程序控制器提供远程编程支持的产品。它可以在可编程序控制器、操作员界面系统、个人计算机、主计算机、数字控制设备、可编程的具有以太网/RS-232 /RS-485接口的设备之间提供通信。它采用以太网线和双绞线连接。
2.2 硬件配置
现场控制室——操作站计算机PC，15#STEC2000配置模拟量输入/输出模块，开关量输入/输出模块，共计128点，所有开关量输出均采用继电器隔离。15#STEC2000控制各设备子站以外的系统测点和阀门。
空压机子站——1#STEC2000—6#STEC2000可编程控制器，分别配有包括模拟量输入在内的64点I/O模块。
干燥器子站——7#STEC2000—14#STEC2000可编程控制器，分别配有包括模拟量输入在内的36点I/O模块。彩色操作面板均可通过面板通信接口直接相连。
2.3．软件组成和工作程序
编程软件SRDev2.0 可使用户在自己的电脑上组态开发，并且通过以太网线对控制器（STEC2000）进行编程，网络上的任一个工业终端可以用来对网络上的所有控制器编程。用户既可以将程序下载到有关设备中，又可以从设备上载已有的程序，调试程序，的运行。
HOMS5.0 安装在监控的服务器上，现场控制室的操作站可以根据权限来监视和操作整个生产过程，为控制系统提供通讯、显示及报表管理等功能，以及相应的指令下发，数据的处理及存储。

各设备控制器自成一子系统，其应用程序功能包括：信息，设备控制，故障报警，联锁保护，以及数据处理和通信传输。

3．控制主要功能

1）自动轮换运行。STEC控制器根据采集的信号进行综合判断，然后发出启动、停机、加载、卸荷、报警等控制指令，监控空压机组自动运行，使用权得总管压力维持在设定的压力下限值和上限值之间。若风压压力下限值就增加空压机运行的台数，若风压压力上限值则减少空压机运行的台数，达到既满足用风需要、又可以降耗节能的目的。

空压机连续运行8小时后机身温度会很高，需要停机休息，用于散发自身的执量，以保证机器不受损伤。因此，空压机需要进行轮换工作，以保证空压机运行，延长设备使用寿命。STEC控制器根据运行时间将受控于STEC控制器的空压机进行排序，建立开机序列和停机序列，当需要增加空压机的运行台数时，控制器将启动总运行时间短的空压机；当需要减少空压机的运行台数时，控制器将停止本次运行时间长的空压机。

2）延时启动和延时停机。STEC控制器自身有较强的搞干扰能力，但现场条件、电网、用风量等各种复杂因素的影响，电机电流、电机电压等受到干扰将产生误报警；如果总管压力的扰动发生在压力下限值或者压力上限值附近，将它们作为一般工状处理就会出现频繁启动、停机现象，影响设备的性和使用寿命。因此，需要对发出动作指令的起因信号作适当的延时处理，以振动，防止误动作。

3）智能保护。空压机主电机在启动时，启动电流为额定电流的5~7倍，对电网和其它用电设备冲击很大，同时也会影响空压机的使用寿命。所以，空压机不宜频繁启动。为了使系统能够对用风状况进行准确判断，并据此控制空压机的启动，在用风高峰期空压机启动较频繁，当两次启动时间间隔小于的值时，将保持空压机持续运转而不停机，当连续两次加载间隔时间较长时，可认为用风高峰期已过，空压机投入间段运行状态。另外，对电机电流、电机电压、排气压力、进气负压、运行温度、油温、油滤压差等重要参数进行实时监控，出现异常及时进行故障报警，并作出处理。

0.引言
目前建筑陶瓷行业普遍采用的是隧道窑烧成工艺，在使用隧道窑进行陶瓷烧制的过程中，除了严格控制各被控点（车位）的温度和压力等物理参数外，、准时地完成车、回车等循环过程，也是保证烧成质量的必要环节，随着计算机技术的发展，特别是可编程逻辑控制器（PLC）技术的广泛应用，使车工艺的控制实现了PLC自动控制，从而大大提高了系统的性，保证了产品质量的稳步提高。本文以唐山陶瓷厂建筑陶瓷隧道窑的车工艺的控制为例，对PLC在隧道窑顺序控制中的应用进行探讨。
1.车工序的工艺过程
隧道窑是连续烧成的生产装置，通过有序的车操作与窑内各个被控点的严格控制相配合，使每个毛坯（半成品）在从窑头到窑尾的“流动”过程中，完成烧成曲线所要求的烧成过程。也就是说对于隧道窑的控制来讲，从宏观上看，每个被控点的参数是不变的，但对于窑内被烧制的毛坯来讲，严格按照烧成曲线的要求，准时经过每个被控点，才能达到理想的烧成制品。
综上所述，为了保证烧制的毛坯能够按烧成曲线的要求，准时地通过所有被控点，就要求窑内的窑车按时、有序地进行循环和流动，目前普遍采用的是基于逻辑控制的定时车控制工艺。隧道窑车工序的示意图如图1所示。

图1：隧道窑车工序示意图
由于窑尾与窑头的控制方式相同，为节省篇幅，本文仅就窑头的控制进行讨论，并设窑尾能够满足窑头控制所需要的各种控制信号的要求。车工序的工艺过程为：
设：车定时时间到T0↑→托车前有窑车到位13XK↑→托车在回车线方向准确定位1XK↑→9XK、10XK同时↑→油泵启动→托车上无窑车11XK↓→夹紧装置为松开状态12XK↓→1DT↑→推车机启动推动窑车上托车→13XK↓→当窑车到位后11XK↑→2DT↑→推车机返回→推车机返回到位14XK↑→推车机停止→电磁夹紧装置将窑车夹紧→夹紧到位后12XK↑→托车电机低速正向启动，托车低速向窑头方向移动→2XK↑→托车电机转为正向高速→在接近窑头的时候3XK↑→切换为正向低速，继续向窑头方向移动→当4XK↑进入定位对轨状态→对轨成功后9XK、10XK同时↑→托车电机停止→窑门电机正向启动打开窑门→打开到位后7XK↑→窑门电机停止并抱闸→夹紧装置松开12XK↓→3DT↑→车机前进，将窑车入窑内→当车到位后6XK↑→3DT↓→4DT↑→车机返回→当返回到位后5XK↑→4DT↓→车机停止→窑门电机反向启动关闭窑门→关闭到位后8XK↑→窑门电机停止→托车电机反向高速启动→托车快速返回→2XK↑→转换为反向低速→1XK↑→进入反向对轨定位→9XK、10XK同时↑，定位结束，托车停止→人工将窑车推到13XK处→等待下一次定时时间到。
2.系统的硬件设计
本系统仅涉及开关量的控制，故采用日本公司的EX40-PLUS作为控制器。EX40具有基本I/O点40个，其中输入24点，输出16点，大继电器方式输出电流可达2A，能够满足本系统的控制要求。系统的硬件原理图如图2所示。
为系统地工作，除在梯形图实现互锁之外，在硬件接线中也对上升、下降，高速、低速，前进、后退等接触器实现硬件互锁。

该系统有输入、控制运算和输出三大部分组成。
1）输入部分包括操作按钮和信号检测两部分。
a.操作按钮用来人工设置参数或进行手动操作，处理紧急情况。
b.信号检测是由传感器自动监测生产线上机床的工作情况，一旦出现异常情况，马上报警提示操作者，以进行相应的故障处理，如紧急停机处理等，从而避免事故的发生。
2）控制运算部分
控制运算部分主要由PLC来完成，由控制系统的应用软件来完成信号的输入、处理、控制输出的主要功能。
3）输出部分包括报置、输送和动力装置、固定装置
a.报置由闪烁的红、黄、绿三种颜色灯和报警铃声构成，三种颜色分别对应三种不同报警级别。表示系统正常，黄色表示系统参数范围，但仍能工作，需要进行处理;红色报警并伴随报警声音，紧急停机处理。
b.输送装置由PLC输出的信号控制主电路，给电机发送指令，让其自动完成原料的传送与动力传送。
c.液压装置是固定装置，由PLC控制器给定的信号，经电磁阀控制液压设备，将原料固定在某一位置，为原料加工服务。
4.系统软件设计
4.1 PLC软件设计考虑的问题
利用梯形图编制控制程序，在 PLC软件设计中要考虑以下几个问题：
（1） 强电关断原则：在铣床软件设计中，只要控制信号中有强电关断的信号，则不管其它信号如何都要关断强电。如图2所示，只要关断信号XO2=1，则中间继电器 M100 都要被关断。 （2） 动作互锁原则：有些控制不能同时动作，就要进行互锁。如主轴正、反转控制，图 3为主轴互锁控制示意图，任何一个回路启动后同时关断另一 个回路，从而保证两者不能同时动作。

本系统共有260点：数字量输入162点，数字量输出98点。控制系统采用OMRON公司的C200HG-CPU43，属于中型PLC，内有RS232通讯口，它能满足较的要求。基板多10个槽，这样每个槽26点，需要使用32点的模块，所以输入选用高密集型的C200H-ID216，输出选用组2高密度晶体管输出单元C200H-OD215，由此可知6个输入模块，4个输出模块。再者在该系统中增加一块串性通信板C200HW-COM06，通过RS232口与触摸屏通讯，达到人机交换。在监控方面采用的是digital公司的GP577R-TC41-24VP，实现手动控制和监控报警。其系统硬件配置如下：

温控柜面板上的控温器控制低封炉炉温，具有PID调节功能，与加热柜内的SCR电力调整器配合使用，可实现加热器的电压在0～**范围内调节，根据设定温度与当前温度的差值，自动调节输出到加热器上的电压值，从而使炉内温度获得控制。

加热柜为低封炉的加热器提供电源，内装有电力调整器，由温度控制柜内的温控来自动调节其输出功率，达到控温的目的。该部分别控制新增1～14区加热。柜中，装有空气开关为新增1～14区电力调整器SCR提供电源。SCR调整器上装有能够显示各相电压，电流大小，输出功率大小等的显示面板。此面板还可以显示出SCR调整器的异常状态。

风机动力部分为低封炉的RC风机，以及排风机、冷风机提供电源，其电源通断也由空气开关控制。通过交流接触器在给定电流范围内输出到各风机，控制其运行与停止。

为了节约篇幅在此不再给出梯形图，下面对流程图给予解释。PLC上电后，判定各风机是否全开，只有风机全开才能使加热丝工作。进行模式选择，主要有自动和手动两种状态。在自动模式，按动面板上自动启动按钮，自动灯亮，这样风机自动开移位寄存器运行，各区风机自动逐次开。当所有风机全部工作后，加热块1自动启动，这样1～5区加热移位寄存器运行，使得1～5区加热丝开始工作。随后加热块2自动启动，6～14区加热移位寄存器运行，使得6～14区加热丝开始工作。从而根据工艺要求各区设定温度进行PID自动调节，直至满足要求。当需要停止生产时，则要使热丝和风机停止工作。这样按动控制柜上自动停止按钮，这样各区热丝逐次停止工作。此时进行自动停计时，时间到自动停止各区风机。

在手动模式下，按动面板上风机启动按钮，使得各区风机逐次开。当所有风机全部正常工作后，再按动面板上的加热块1启动按钮，1～5区热丝开始工作。同样按动加热块2启动按钮，6～14区热丝也开始工作。系统稳定后，工件可以进行陪烧。当需要停止时，则要按动加热块1停止按钮，1～5区热丝开始停止。按动加热块2停止按钮，6～14区热丝也开始停止加热。当热丝全部停下来时，按动风机停止按钮，则各区风机依次停止运转。直到下一次启动。

如果在生产过程中工件出现异常情况，按动非常停止按钮，网带停止转动，进行紧急处理。并且任何区热丝或风机出现异常情况，在控制柜上或触摸屏上都有对应的显示，及其相应的声光报警，通知操作人员。

4 监控系统说明

本系统使用DIGITAL公司GP577R-TC41-24VP型触摸屏作为上位监控，可以实时的显示现场信号、实时报警并对控制点进行控制。监控系统由5个窗口组成：系统主画面窗口、加热区RC风机运转画面、加热区热丝运转画面、冷却阀运转画面、设备故障履历画面。五个窗口之间建立了链接，通过窗口中的按钮进行切换，并与PLC建立变量之间连接，通过触摸屏实时显示相应的状态信息，构成系统整体监控。

现以系统主画面为例，说明监控画面的功能。系统主画面分为两个区域：灯部件区域和开关部件区域。灯部件区域在画面的左部，使用PLC的I/O点作为监控显示，当这些监控点状态为ON时，显示，当为OFF时显示白色。从而表明原柜和新柜以及网带当前状态是在自动状态还是收动状态，是运行还是停止，是正常还是异常。开关部件区域主要是作为选择按钮，当触摸这些按钮是就会切换到相关的页。异常发生按钮主要是监控系统是否有异常状况发生，如有显示红色，触摸可调转到故障画面，显示哪个设备出现何种故障。触摸冷却阀按钮，就会跳转到冷却阀运转画面，显示各冷却阀的开闭状态，是否故障。触摸风机手动按钮，切换到加热区RC风机运转画面，显示各区风机是否在运行状态，有无异常情况发生，对应区的风机是开还是关。触摸加热手动按钮，切换到加热区热丝运转画面，该画面主要是显示各区热丝是否在运行状态，有无异常情况发生，对应区的热丝是加热还是停止。触摸设备故障履历按钮，就会显示何时发生报警，何时恢复，是否确认。并且在五个窗口中都可以互相切换，方便监控。

5 结束语

本系统已投入实际运行，性能稳定，较好满足工艺要求。PLC作为系统的主控制器在性以及网络互连性方面有其特的优越性，触摸屏人机界面系统在灵活性和友好性有其出色的体现，从而是自动化程度得到进一步提高。但本系统在与其他控制系统通讯方面还存在局限性，通过电缆信号线将原柜和新柜的主要信号相连接信号交换有限，也不能实现与入口控制系统、出口控制系统、置换控制系统进行通信，不便于操作人员获得充分信息。解决方法之一可以在各自的PLC模块中增加bbbb单元，实现各PLC之间通讯，好的完成整个系统的控制。

可编程控制器：选用三菱Q系列PLC，此类型PLC比同类型产品具有高水平的应用性和灵活的扩展性能，并且支持目前流行的开放式网络CC-bbbb、PROFIBUS-DP和DEVICENET，为以后的性能提升留下广阔的空间。
物料计量控制单元：选用CB920X-10称重仪表，支持通用的电阻应变片式传感器，内部集成算法，能达到准确的物料计量。同时支持四种物料的配比，通过累计方式自动分批称量，允许手动强制补料。CB920通过RS485/RS232与PLC通讯，进行配方的对写和存储，并且与PLC配合实现的配料方案。
上位计算机管理单元：它通过控制单元来管理各单元的工作，为用户提供可操作的人机界面，存储配料清单，与PLC用RS232串行通讯口进行数据监控，接收各单元传送的异常信号，向用户发出报警信号和处理措施，按年、月、日、时统计班次生产资料，以表格形式打印并将数据存盘。
辅助设备控制单元：采用可编程控制器PLC的DC电压输入电压作为开关量信号适调和光电隔离环节，采用继电器输出单元作为开关量输出的功率放大和隔离环节，控制单元通过通讯口来控制其工作方式。
动力配电控制单元:选用的施耐德电器元件：空气断路器，接触器，继电器，以及电机软启动软停止单元，确保精密控制仪表和电动执行装置的，对各负载之路出现的过流，短路和欠压等情况进行监控，同时各支路设置跳闸反馈保护。
4.控制模式：
该套控制系统分为控制台手动、控制台自动（REMOTE），及上位机自动（LOCAL）三种操作模式。种操作模式主要用在可编程控制器和上位机均不能正常工作的状态下，而后两种操作则依赖于配料控制器、PLC和上位计算机之间的协调工作和正常运行。
5.调试体会：
该套控制系统在调试期间因为是单机系统，基本没有遇见较大的问题。设备的运行情况良好，与其他设备之间的通讯稳定，能满足现场的生产稳定性要求。
6. 用户反馈：
经过近两年的运行，在诸多恶劣的工作环境中运行，此系统未出现任何故障，充分体现场了三菱产品的高度性，得到了用户的高度。   可编程序控制器(Programmable  Controller )原本应简称PC，为了与个人计算机专称PC相区别，所以可编程序控制器简称定为PLC(Programmable  Logic  Controller)，但并非说PLC只能控制逻辑信号。PLC是专门针对工业环境应用设计的，自带直观、简单并易于掌握编程语言环境的工业现场控制装置。
一、PLC基本组成
PLC基本组成包括处理器(CPU)、存储器、输入/输出接口(缩写为I/O，包括输入接口、输出接口、外部设备接口、扩展接口等)、外部设备编程器及电源模块组成，见图1。PLC内部各组成单元之间通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接，外部则根据实际控制对象配置相应设备与控制装置构成PLC控制系统。  图1  PLC的基本组成1.  处理器
处理器(CPU)由控制器、运算器和寄存器组成并集成在一个芯片内。CPU通过数据总线总线、地址总线、控制总线和电源总线与存储器、输入输出接口、编程器和电源相连接。
小型PLC的CPU采用8位或16位微处理器或单片机，如8031、M68000等，这类芯片价格很低；中型PLC的CPU采用16位或32位微处理器或单片机，如8086、96系列单片机等，这类芯片主要特点是集成度高、运算速度快且性高；而大型PLC则需采用高速位片式微处理器。
CPU按照PLC内系统程序赋予的功能指挥PLC控制系统完成各项工作任务。 2.  存储器
PLC内的存储器主要用于存放系统程序、用户程序和数据等。
1)系统程序存储器
PLC系统程序决定了PLC的基本功能，该部分程序由PLC制造厂家编写并固化在系统程序存储器中，主要有系统管理程序、用户指令解释程序和功能程序与系统程序调用等部分。
系统管理程序主要控制PLC的运行，使PLC按正确的次序工作；用户指令解释程序将PLC的用户指令转换为机器语言指令，传输到CPU内执行；功能程序与系统程序调用则负责调用不同的功能子程序及其管理程序。
系统程序属于需长期保存的重要数据，所以其存储器采用ROM或EPROM。ROM是只读存储器，该存储器只能读出内容，不能写入内容，ROM具有非易失性，即电源断开后仍能保存已存储的内容。
EPEROM为可电擦除只读存储器，须用紫外线照射芯片上的透镜窗口才能擦除已写入内容，可电擦除可编程只读存储器还有E2PROM、FLASH等。
2)用户程序存储器
用户程序存储器用于存放用户载入的PLC应用程序，载入初期的用户程序因需修改与调试，所以称为用户调试程序，存放在可以随机读写操作的随机存取存储器RAM内以方便用户修改与调试。
通过修改与调试后的程序称为用户执行程序，由于不需要再作修改与调试，所以用户执行程序就被固化到EPROM内长期使用。
3)数据存储器
PLC运行过程中需生成或调用中间结果数据(如输入/输出元件的状态数据、定时器、计数器的预置值和当前值等)和组态数据(如输入输出组态、设置输入滤波、脉冲捕捉、输出表配置、定义存储区保持范围、模拟电位器设置、高速计数器配置、高速脉冲输出配置、通信组态等)，这类数据存放在工作数据存储器中，由于工作数据与组态数据不断变化，且不需要长期保存，所以采用随机存取存储器RAM。
RAM是一种高密度、低功耗的半导体存储器，可用锂电池作为备用电源，一旦断电就可通过锂电池供电，保持RAM中的内容。 3.  接口
输入输出接口是PLC与工业现场控制或检测元件和执行元件连接的接口电路。PLC的输入接口有直流输入、交流输入、交直流输入等类型；输出接口有晶体管输出、晶闸管输出和继电器输出等类型。晶体管和晶闸管输出为无触点输出型电路，晶体管输出型用于高频小功率负载、晶闸管输出型用于高频大功率负载；继电器输出为有触点输出型电路，用于低频负载。
现场控制或检测元件输入给PLC各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量等，通过输入接口电路将这些信号转换成CPU能够接收和处理的信号。输出接口电路将CPU送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器等被控设备的执行元件。
1)输入接口
输入接口用于接收和采集两种类型的输入信号，一类是由按钮、转换开关、行程开关、继电器触头等开关量输入信号；另一类是由电位器、测速发电机和各种变换器提供的连续变化的模拟量输入信号。
以图2所示的直流输入接口电路为例，R1是限流与分压电阻，R2与C构成滤波电路，滤波后的输入信号经光耦合器T与内部电路耦合。当输入端的按钮SB接通时，光耦合器T导通，直流输入信号被转换成PLC能处理的5V标准信号电平(简称TTL)，同时LED输入指示灯亮，表示信号接通。微电脑输入接口电路一般由寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路组成，这些电路集成在一个芯片上。交流输入与交直流输入接口电路与直流输入接口电路类似。  图2  直流输入接口电路  　　滤波电路用以输入触头的抖动，光电耦合电路可防止现场的强电干扰进入PLC。由于输入电信号与PLC内部电路之间采用光信号耦合，所以两者在电气上隔离，使输入接口具有抗干扰能力。现场的输入信号通过光电耦合后转换为5V的TTL送入输入数据寄存器，再经数据总线传送给CPU。
2)输出接口
输出接口电路向被控对象的各种执行元件输出控制信号。常用执行元件有接触器、电磁阀、调节阀(模拟量)、调速装置(模拟量)、指示灯、数字显示装置和报置等。输出接口电路一般由微电脑输出接口电路和功率放大电路组成，与输入接口电路类似，内部电路与输出接口电路之间采用光电耦合器进行抗干扰电隔离。
微电脑输出接口电路一般由输出数据寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路集成在芯片上，CPU通过数据总线将输出信号送到输出数据寄存器中，功率放大电路是为了适应工业控制要求，将微电脑的输出信号放大。
3)其它接口
若主机单元的I/O数量不够用，可通过I/O扩展接口电缆与I/O扩展单元(不带CPU)相接进行扩充。　　PLC还常配置连接各种外围设备的接口，可通过电缆实现串行通信、EPROM写入等功能。 4.  编程器
编程器作用是将用户编写的程序下载至PLC的用户程序存储器，并利用编程器检查、修改和调试用户程序，监视用户程序的执行过程，显示PLC状态、内部器件及系统的参数等。
编程器有简易编程器和图形编程器两种。简易编程器体积小，携带方便，但只能用语句形式进行联机编程，适合小型PLC的编程及现场调试。图形编程器既可用语句形式编程，又可用梯形图编程，同时还能进行脱机编程。
目前PLC制造厂家大都开发了计算机辅助PLC编程支持软件，当个人计算机安装了PLC编程支持软件后，可用作图形编程器，进行用户程序的编辑、修改，并通过个人计算机和PLC之间的通信接口实现用户程序的双向传送、监控PLC运行状态等。5.  电源
PLC的电源将外部供给的交流电转换成供CPU、存储器等所需的直流电，是整个PLC的能源供给。PLC大都采用高质量的工作稳定性好、抗干扰能力强的开关稳压电源，许多PLC电源还可向外部提供直流24V稳压电源，用于向输入接口上的接入电气元件供电，从而简化外围配置。二、PLC工作原理
1.  PLC内外部电路
1)外部电路接线 　　图3是电动机全压起动控制的接触器电气控制线路，控制逻辑由交流接触器KM线圈、指示灯HL1、HL2、热继电器常闭触头FR、停止按钮SB2、起动按钮SB1及接触器常开辅助触头KM通过导线连接实现。
合上QS后按下起动按钮SB1，则线圈KM通电并自锁，接通指示灯HL1所在支路的辅助触头KM及主电路中的主触头， HL1亮、电动机M起动；按下停止按钮SB2，则线圈KM断电，指示灯HL1灭，M停转。
图4是采用SIEMENS的一款S7系列PLC实现电动机全压起动控制的外部接线图。主电路保持不变，热继电器常闭触头FR、停止按钮SB2、起动按钮 SB1等作为PLC的输入设备接在PLC的输入接口上，而交流接触器KM线圈、指示灯HL1、HL2等作为PLC的输出设备接在PLC的输出接口上。按制逻辑通过执行按照电动机全压控制要求编写并存入程序存储器内的用户程序实现。
a)主电路  b)控制线路图3  电动机全压起动电气控制线路
a)主电路  b)I/O实际接线图   图4  电动机全压起动PLC控制接线图 　　2)建立内部I/O映像区
在PLC存储器内开辟了I/O映像存储区，用于存放I/O信号的状态，分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器，此外PLC其它编程元件也有相对应的映像存储器，称为元件映像寄存器。
I/O映像区的大小由PLC的系统程序确定，对于系统的每一个输入点总有一个输入映像区的某一位与之相对应，对于系统的每一个输出点也都有输出映像区的某一位与之相对应，且系统的输入输出点的编址号与I/O映像区的映像寄存器地址号也对应。
PLC工作时，将采集到的输入信号状态存放在输入映像区对应的位上，运算存放到输出映像区对应的位上，PLC在执行用户程序时所需描述输入继电器的等效触头或输出继电器的等效触头、等效线圈状态的数据取用于I/O映像区，而不直接与外部设备发生关系。
I/O映像区的建立使PLC工作时只和内存有关地址单元内所存的状态数据发生关系，而系统输出也只是给内存某一地址单元设定一个状态数据。这样不仅加快了程序执行速度，而且使控制系统与外界隔开，提高了系统的抗干扰能力。
3)内部等效电路
图5是PLC的内部等效电路，以其中的起动按钮SB1为例，其接入接口I0.0与输入映像区的一个触发器I0.0相连接，当SB1接通时，触发器 I0.0就被触发为“1”状态，而这个“1”状态可被用户程序直接引用为I0.0触头的状态，此时I0.0触头与SB1的通断状态相同，则SB1接通，I0.0触头状态为“1”，反之SB1断开，I0.0触头状态为“0”，由于I0.0触发器功能与继电器线圈相同且不用硬连接线，所以I0.0触发器等效为PLC内部的一个I0.0软继电器线圈，直接引用I0.0线圈状态的I0.0触头就等效为一个受I0.0线圈控制的常开触头(或称为动合触头)。 图5  PLC内部等效电路 　　同理，停止按钮SB2与PLC内部的一个软继电器线圈I0.1相连接，SB2闭合，I0.1线圈的状态为“1”，反之为“0”，而继电器线圈I0.1的状态被用户程序取反后引用为I0.1触头的状态，所以I0.1等效为一个受I0.1线圈控制的常闭触头(或称动断触头)。而输出触头Q0.0、Q0.1则是PLC内部继电器的物理常开触头，一旦闭合，外部相应的KM线圈、指示灯HL1就会接通。PLC输出端有输出电源用的公共接口COM。 2.  PLC控制系统
用PLC实现电动机全压起动电气控制系统，其主电路基本保持不变，而用PLC替代电气控制线路。
1)PLC控制系统构成
图6是电动机全压起动的PLC控制系统基本构成图，可将之分成输入电路、内部控制电路和输出电路三个部分。
输入电路 图6  PLC控制系统基本构成框图　　输入电路的作用是将输入控制信号送入PLC，输入设备为按钮SB1、SB2及FR常闭触头。外部输入的控制信号经PLC输入到对应的一个输入继电器，输入继电器可提供任意多个常开触头和常闭触头，供PLC内容控制电路编程使用。
输出电路
输出电路的作用是将PLC的输出控制信号转换为能够驱动KM线圈和HL1指示灯的信号。PLC内部控制电路中有许多输出继电器，每个输出继电器除了 PLC内部控制电路提供编程用的常开触头和常闭触头外，还为输出电路提供一个常开触头与输出端口相连，该触头称为内部硬触头，是一个内部物理常开触头。通过该触头驱动外部的KM线圈和HL1指示灯等负载，而KM线圈再通过主电路中KM主触头去控制电动机M的起动与停止。驱动负载的电源由外电部电源提供，PLC的输出端口中还有输出电源用的COM公共端。
内部控制电路
内部控制电路由按照被控电动机实际控制要求编写的用户程序形成，其作用是按照用户程序规定的逻辑关系，对输入、输出信号的状态进行计算、处理和判断，然后得到相应的输出控制信号，通过控制信号驱动输出设备：电动机M、指示灯HL1等。
用户程序通过个人计算机通信或编程器输入等方式，把程序语句全部写到PLC的用户程序存储器中。用户程序的修改只需通过编程器等设备改变存储器中的某些语句，不会改变控制器内部接线，实现了控制的灵活性。
2)PLC控制梯形图
梯形图是一种将PLC内部等效成由许多内部继电器的线圈、常开触头、常闭触头或功能程序块等组成的等效控制线路。图7是PLC梯形图常用的等效控制元件符号。
a)线圈  b)常开触头 c)常闭触头图7  梯形图常用等效控制元件符号 　　图8是电动机全压起动的PLC控制梯形图，由FR常闭触头、SB2常闭按钮、KM常开辅助触头与SB1常开按钮的并联单元、KM线圈等零件对应的等效控制元件符号串联而成。电动机全压起动控制梯形在形式上类似于接触器电气控制线路图，但也与电气控制线路图存在许多差异。图8  电动机全压起动控制梯形图 　　梯形图中继电器元件物理结构不同于电气元件
PLC梯形图中的线圈、触头只是功能上与电气元件的线圈、触头等效。梯形图中的线圈、触头在物理意义上只是输入、输出存储器中的一个存储位，与电气元件的物理结构不同。
梯形图中继电器元件的通断状态不同于电气元件
梯形图中继电器元件的通断状态与相应存储位上的保存的数据相关，如果该存储位的数据为“1”，则该元件处于“通”状态，如果该位数据为“0”，则表示处于“断”状态。与电气元件实际的通断状态不同。
梯形图中继电器元件状态切换过程不同于电气元件
梯形图中继电器元件的状态切换只是PLC对存储位的状态数据的操作，如果PLC对常开触头等效的存储位数据赋值为“1”，就完成动合操作过程，同样如对常闭触头等效的存储位数据赋值为“0”，就可完成动断操作过程，切换操作过程没有时间延时。而电气元件线圈、触头进行动合或动断切换时，必定有时间延时，且一般要经过先断开后闭合的操作过程。
梯形图中继电器所属触头数量与电气元件不同
如果PLC 从输入继电器I0.0相应的存储位中取出了位数据“0”，将之存入另一个存储器中的一个存储位，被存入的存储位就成了受I0.0继电器控制的一个常开触头，被存入的数据为“0”；如在取出位数据“0”之后行取反操作，再存入一个存储器的一个存储位，则该位存入的数据为“1”，该存储位就成了受继电器 I0.0控制的一个常闭触头。
只要PLC内部存储器足够多，这种位数据转移操作就可无限次进行，而每进行一次操作，就可产生一个梯形图中的继电器触头，由此可见，梯形图中继电器触头原则上可以无限次反复使用。
但是PLC内部的线圈通常只能引用一次，如需重复使用同一地址编号的线圈应慎之又慎。与PLC不同的是电气元件中触头数量是有限的。
梯形图每一行画法规则为从左母线开始，经过触头和线圈(或功能方框)，终止于右母线。一般并联单元画在每行的左侧、输出线圈则画在右侧，其余串联元件画在中间。 3.  PLC工作过程
PLC上电后，在系统程序的监控下周而复始地按一定的顺序对系统内部的各种任务进行查询、判断和执行等，见图9所示。  图9  PLC顺序循环过程 　　1)上电初始化
PLC上电后，对系统进行初始化，包括硬件初始化，I/O模块配置检查、停电保持范围设定及内部继电器、复位定时器等。
2)CPU自诊断
在每个扫描周期须进行自诊断，通过自诊断对电源、PLC内部电路、用户程序的语法等进行检查，一旦发现异常，CPU使异常继电器接通，PLC面板上的异常指示灯LED亮，内部特殊寄存器中存入出错代码并给出故障显示标志。如果不是致命错误则进入PLC的停止(STOP)状态；如果是现致命错误时，则 CPU被强制停止，等待错误排除后才转入STOP状态。
3)与外部设备通信
与外部设备通信阶段，PLC与其他智能装置、编程器、终端设备、彩色图形显示器、其他PLC等进行信息交换，然后进行PLC工作状态的判断。
PLC有STOP和RUN两种工作状态，如果PLC处于STOP状态，则不执行用户程序，将通过与编程器等设备交换信息，完成用户程序的编辑、修改及调试任务；如果PLC处于RUN状态，则将进入扫描过程，执行用户程序。
4)扫描过程
以扫描方式把外部输入信号的状态存入输入映像区，再执行用户程序，并将执行输出存入输出映像区，直到传送到外部设备。
PLC上电后周而复始地执行上述工作过程，直至断电停机。 4.  用户程序循环扫描
PLC对用户程序进行循环扫描分为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段，见图10。  图10  PLC用户程序扫描过程 　　1)输入采样阶段
CPU将全部现场输入信号，如按钮、限位开关、速度继电器的通断状态经PLC的输入接口读入映像寄存器，这一过程称为输入采样。输入采样结束后进入程序执行阶段后，期间即使输入信号发生变化，输入映像寄存器内数据不再随之变化，直至一个扫描循环结束，下一次输入采样时才会新。这种输入工作方式称为集中输入方式。
2)程序执行阶段
PLC在程序执行阶段，若不出现中断或跳转指令，就根据梯形图程序从地址开始按自上而下、从左往右的顺序进行逐条扫描执行，扫描过程中分别从输入映像寄存器、输出映像寄存器以及辅助继电器中将有关编程元件的状态数据“0”或“1”读出，并根据梯形图规定的逻辑关系执行相应的运算，运算结果写入对应的元件映像寄存器中保存。而需向外输出的信号则存入输出映像寄存器，并由输出锁存器保存。
3)输出处理阶段
CPU将输出映像寄存器的状态经输出锁存器和PLC的输出接口传送到外部去驱动接触器和指示灯等负载。这时输出锁存器保存的内容要等到下一个扫描周期的输出阶段才会被再次刷新。这种输出工作方式称为集中输出方式。
4)PLC扫描过程示例
梯形图将以指令语句表的形式存储在PLC的用户程序存储器中。指令语句表是PLC的另一种编程语言，由一系列操作指令组成的表描述PLC的控制流程，不同的PLC指令语句表使用的助记符并不相同。采用SIEMENS  S7-300系列PLC指令语句表编写的电动机全压起动梯形图的功能程序如下：
A(
O       I0.0                  //取I0.0，存入运算堆栈；
O       Q0.0                  //Q0.0和堆栈内数据进行或运算，结果存入堆栈；
)
AN      I0.1                  //I0.1取非后和堆栈内数据进行与运算，结果存入堆栈；
AN      I0.2                  //I0.2取非后和堆栈内数据进行与运算，结果存入堆栈；
=       Q0.0                  //将堆栈内数据送到输出映像寄存器Q0.0；
A       Q0.0                  //取出Q0.0数据存入堆栈；
=       Q0.1                  //将堆栈内数据送到输出映像寄存器Q0.1；
MEND                          //主程序结束。
指令语句表是由若干条语句组成的程序，语句是程序的小立单元。每个操作功能由一条或几条语句执行。PLC语句由操作码和操作数两部分组成。操作码用助记符表示(如A表示“取”、O表示“或”等)，用于说明要执行的功能，即告之CPU应执行何种操作。操作码主要的功能有逻辑运算中的与、或、非，算术运算中的加、减、乘、除，时间或条件控制中的计时、计数、移位等功能。
操作数一般由标识符和参数组成。标识符表示操作数的类别，例如输入继电器、输出继电器、定时器、计数器、数据寄存器等；而参数表示操作数的地址或一个预先设定值。
以电动机全压起动PLC控制系统为例，在输入采样阶段，CPU将SB1、SB2和FR的触头状态读入相应的输入映像寄存器，外部触头闭合时存入寄存器的是二进制数“1”，反之存入“0”。输入采样结束进入程序执行阶段，见图11。
执行1、2条指令时，从I0.0对应的输入映像寄存器中取出信息“1”或“0”，并存入称为“堆栈”的操作器中。
执行3条指令时，取出Q0.0对应的输出映像寄存器中的信息“1”或“0”，并与堆栈中的内容相“或”，结果再存入堆栈中(电路的并联对应“或”运算)。
执行4条、5条指令时，先取出I0.1的状态数据进行非运算，再和堆栈中的数据相“与”后存入堆栈，然后取出I0.2的状态数据进行取非运算，再和堆栈中的数据相“与”后再次存入堆栈(电路中的串联对应“与”运算)。
执行6条时，将堆栈中的二进制数据送入Q0.0对应的输出映像寄存器中。
执行7条指令时，取出Q0.0输出映像寄存器中的二进制数据存入堆栈。
执行8条指令时，取出堆栈中的二进制数据送入Q2.0对应的映像寄存器中。
执行9条指令，结束用户程序的一次循环扫描过程，开始下一次扫描过程。
在输出处理阶段，CPU将各输出映像寄存器中的二进制数传送给输出锁存器。如果Q0.0、Q0.1对应的输出映像寄存器存放的二进制数为“1”，则外接的KM线圈、指示灯HL1通电，反之，将断电。  图11  电动机全压起动PLC控制扫描过程　　5)继电器控制与PLC控制的差异
PLC程序的工作原理可简述为由上至下、由左至右、循环往复、顺序执行。与继电器控制线路的并行控制方式存在差别，见图12。
图12a)控制图中，如果为继电器控制线路，由于是并行控制方式，是线圈Q0.0与线圈      Q0.1均通电，然后因为常闭触头Q0.1的断开，导致线圈Q0.0断电。
如果为梯形图控制线路，当I0.0接通后，线圈Q0.0通电，然后是Q0.1通电，完成1次扫描；进入2次扫描后，线圈Q0.0因常闭触头Q0.1断开而断电，而Q0.1通电。
图12b)控制图中，如果为继电器控制线路，线圈Q0.0与线圈Q0.1均通电，然后Q0.1断电。
如果为梯形图控制线路，则触头I0.0接通，所以线圈Q0.1通电，然后进行2行扫描，结果因为常闭触头Q0.1断开，所以线圈Q0.0始终不能通电。  图12  梯形图与继电器图控制触头通断状态分析
 三、工作任务　　叙述PLC各组成部分作用；识读PLC外围接线图；掌握PLC梯形图基本绘制规则。

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