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2 硬件设计
2.1 PLC的基本结构
PLC（Programmable Logic Controller），可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。是工业控制的核心部分。PLC已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，它具有高可靠性、抗干扰能力强、功能强大、灵活、易学易用、体积小，重量轻和价格便宜的特点。
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：
（1） 电源PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。
（2） 中央处理单元 (CPU)中央处理单元 (CPU) 是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映像区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映像区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映像区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
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（3） 存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
（4） 输入输出接口电路。
①现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。
②现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。
（5） 功能模块如计数、定位等功能模块。
（6） 通信模块如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等。
（7） 存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
（8） 输入输出接口电路。
①现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。
②现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。
（9） 功能模块如计数、定位等功能模块。
（10） 通信模块如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等。 2.1.1 PLC的软件结构
PLC的软件由系统程序和用户程序两大部分组成。系统程序由PLC制造商固化在机内，用以控制PLC本身的运作；用户程序则是由使用者编制并输入的，用来控制外部对象的运作。
系统程序主要包括三部分。第一部分为系统管理程序，他控制PLC的运行。第二部分为用户指令解释程序，将PLC的编程语言变为机器语言指令，再由CPU执行。第三部分为标准程序模块与系统调用程序，包括许多不同功能的子程序及其调用管理程序。
（1） 系统管理程序
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系统管理程序是系统程序中最重要的部分，用以控制PLC的运作。其作用有三，一是进行运行管理，控制PLC何时输入、何时输出、何时计算、何时自检、何时通信等时间上的分配管理；二是存储空间管理，即生成用户环境、规定各种参数、程序的存放地址，将用户使用的数据参数、存储地址化为实际的数据格式及物理存放地址，将有限的资源变为用户很方便的直接使用的元件。三是系统自检程序，包括系统出错检验，用户程序语法检验、句法检验、警戒时钟运行等。
（2） 用户指令解释程序
用户指令解释程序是联系高级语言和机器码的桥梁。PLC可用梯形图语言编程，把使用者直观易懂的梯形图变成机器易懂的机器语言，这就是解释程序的任务。解释程序将梯形图逐条解释，翻译成相应的机器语言指令，再由CPU执行这些指令。
（3） 标准程序模块与系统调用程序
标准程序模块与系统调用程序由许多独立的程序块组成，各块程序有不同的功能，有的完成输入、输出处理，有的完成特殊运算等。PLC的各种具体工作都是由这部分程序来完成的，这部分程序的多少决定了PLC性能的强弱。
整个系统监控程序是一个整体，它质量的好坏很大程度上影响PLC的性能。因为通过改进系统监控程序就可在不增加任何硬设备的条件下改善PLC的性能。
用户程序 即应用程序，是PLC的使用者针对具体控制对象编制的应用程序。根据不同控制要求编制不同的程序，相当于改变PLC的用途，也相当于继电接触器控制设备的硬接线线路进行重设计和重接线，这就是所谓的“可编程序”。程序既可有编程器方便的送入PLC内部的存储器中，也能通过他方便的读出、检查与修改。
PLC编程语言有多种，它是用PLC的编程语言或某种PLC指令的助记符编制而成的。编程语言可以是语句表、梯形图或状态流程图（功能图）。各个元件的助记符随PLC型号的不同而略有不同。 2.1.2 PLC的编程语言
（1） 梯形图（LAD）
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梯形图是一种类似于继电器控制线路图的一种语言。这种语言继承传统继电器控制系统中使用的框架结构、逻辑运算方式和输入输出形式，使得程序直观易读，具有形象实用的特点，因此应用最广泛。
PLC梯形图的一个关键概念是“能流”，是一种假想的“能量流”。把左边的母线假设为电源“火线”，而把右边的母线假想为电源“零线”。如果有“能流”从左至右流向线圈，则线圈被激励。
要强调的是，引入“能流”概念，是为了和继电接触器控制系统相比较，告诉人们如何来理解梯形图各输出点的动作，实际上并不存在这种“能流”。
（2） 语句表（STL）
语句表是一种类似于计算机汇编语言的助记符语言，它是PLC最基础的编程语言。由不同的指令所构成的语句组成的，其中的指令则由操作码和操作数组成，其中操作码指出了指令的功能，操作数指出了指令所用的元件或数据。例如图2-2所示。
图2-2 梯形图
（2） 状态流程图（SFC）
状态流程图“SFC”编程是一种较新的方法，它是用“功能图”来表达一个顺序控制过程，是一种图形化的编程方法。用方框表示整个控制过程中一个个“状态”，或称“功能”或称“步”，用线段表示方框间的关系及方框间状态转换的条件。
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