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可编程控制器的软件系统组成（图）

       由图1可见，PLC实质上是一种工业控制用的计算机。PLC系统也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。其软件主要有以下几个逻辑部件： 

（1）继电器逻辑

为适应电气控制的需要，PLC为用户提供继电器逻辑，用逻辑与或非等逻辑运算来处理各种继电器的连接。PLC内部有储单元有“1”和“0”两种状态，对应于“0N”和“0FF”两种状态。因此PLC中所说的继电器是一种逻辑概念的，而不是真正的继电器，有时称为“软继电器”。这些“软继电器”与通常的继电器相比有以下特点：

①体积小、功耗低

②无触点、速度快、寿命长

③有无数个触点，使用中不必考虑接点的容量

PLC一般为用户提供以下几种继电器（以FX2N系列PLC为例）：

输入继电器（X）：把现场信号输入PLC，同时提供无限多个常开、常闭触点供用户编程使用。在程序中只有触点没有线圈，信号由外部信号驱动。编号采用八进制，分别为X000—X007，X010-X017等。

输出继电器（Y）：具备一对物理接点，可以串接在负载回路中，对应物理元件有继电器、晶闸管和晶体管。外部信号不能直接驱动，只能在程序中用指令驱动。编号采用八进制，分别为Y000—Y007，Y010-Y017等。

内部继电器（M）：与外界没有直接联系，仅作运算的中间结果使用。有时也称为辅助继电器或中间继电器。和输出继电器一样，只能由程序驱动。每个辅助继电器有无限多对常开、常闭触点，供编程使用。地址号按十进制分配，通用型辅助继电器有M0-M499共500点，保持型辅助继电器有M500-M1023共524点，特殊型辅助继电器有M8000-M8255共157点。

(2)定时器逻辑

PLC一般采用硬件定时中断，软件计数的方法来实现定时逻辑功能，定时器一般包括：

定时条件：控制定时器操作。

定时语句：所使用的定时器，给出定时设定值。

定时器的当前值：记录定时时间。

定时继电器：定时器达到设定的值时为“1“（0N）状态，未开始定时或定时未达到设定值时为“0”（0FF）状态。

其逻辑功能如下表所示:

定时器：T

a.功能：该元件是定时用的，范围为0.001～32.767（1ms定时器）秒、0.01～327.67秒（10ms定时器）、0.1～3276.7秒（100ms定时器）。元件范围按十进制分配如下：

                            T246～T249：1ms定时器

                            T200～T245：10ms定时器

                            T0～T199：100 ms定时器

b.举例：

①梯形图：

  ②程序清单

LD      X000

OUT  T0  K123

LD  T0

OUT  y000

END

③波形图

(3)计数器逻辑

PLC为用户提供了若干计数器，它们是由软件来实现的，一般采用递减计数，一个计数器有以下几个内容：

计数器的复位信号R

计数器的计数信号（CP单位脉冲）

计数器设定值的记忆单元

计数器当前计数值单元

计数继电器，计数器计数达到设定值时为0N，复位或未到计数设定值时为0FF。

其逻辑功能如下表：

（4）计数器：C

a.功能：该元件完成记数功能。内部计数用的16位向上计数器（1～32767）和计数旋转编码器的输出等用的32位高速（向上、向下）计数器（-2，147，483648～+2，147，483，647）。该元件范围按十进制分配如下：

16位向上计数器：

C0～C99：一般用（非停电保持）；

C100～C199：保存用（停电保持）；

32位向上、向下高速计数器：

C200～C219：一般用（非停电保持）； C220～C234：保存用（停电保持）；

b.举例：①梯形图：

②程序清单：

            LD  X000

RST C0

LD  X001

OUT  C0  K5

LD  C0

OUT  Y000

            END

③波形图：

PLC除能进行位运算外，还能进行字运算。PLC为用户提供了若干个数据寄存器，以存储有效数据。

可编程控制器的工作原理与输入输出的处理原则

任何一种继电器控制系统是由三个部分组成的，即输入部分，逻辑部分，输出部分，其中输入部分是指各类按钮、开关等；逻辑部分是指由各种继电器及其触点组成的实现一定逻辑功能的控制线路；输出部分是指各种电磁阀线圈，接通电动机的各种接触器以及信号指示灯等执行电器。如图1所示，是一种简单的继电器控制系统。

图1  指示灯控

图中X1、X2是两个按钮开关，Y1、Y2是两个继电器，T1是时间继电器。其工作是过程是：当X1、X2任何一个按钮按下，线圈Y1接通，Y1的常开触点闭合，指示灯红灯亮。此时时间继电器T1同时接通并开始延时，当延时到2S后，线圈Y2接通，常开触点闭合，绿灯亮。

从上面这个例子可以知道，继电器控制系统是根据各种输入条件去执行逻辑控制线路，这些逻辑控制线路是根据控制对象的需要以某种固定的线路连接好的，所以不能灵活变更。

和继电器控制系统类似，PLC也是由输入部分、逻辑部分和输出部分组成。如图2所示：

各部分的主要作用是：

输入部分：收集并保存被控对象实际运行的数据的信息（被控对象上的各种开关量信息或操作命令等）。

逻辑部分：处理输入部分报取得的信息，并按照被控对象的实际动作要求正确的反映。

输出部分：提供正在被控制的装置中，哪几个设备需要实施操作处理。

用户程序通过编程器或其它输入设备输入并存放在PLC的用户存储器中。当PLC开始运行时，CPU根据系统监控程序的规定顺序，通过扫描，完成各输入点的状态采集或输入数据采集、用户程序的执行、各输出点状态更新、编程器键入响应和显示更新及CPU自检等功能。

PLC扫描既可按固定的程序进行，也可按用户程序规定的可变顺序进行。

PLC采用集中采样、集中输出的工作方式，减少了外界的干扰。

由以上分析，可以把PLC的工作过程为三个阶段，即输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。

（1）输入采样阶段

PLC在输入采样阶段，首先扫描所有输入端子，并将各输入存入内存中各对应的输入映象寄存器。此时，输入映象寄存器被刷新。接着进入程序执阶段，在程序执行阶段或输出阶段，输入映象寄存器与外界隔离，无论信号如何变化，其内容保持不变直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输入端的新内容。

（2）程序执行阶段

根据PLC的程序扫描原则，PLC先左后右，先上后下的步序语句逐句扫描。当指令涉及到输入、输出状态时，PLC从输入映象寄存器中“读入”对应输入映象寄存器的当前状态，然后，进行相应的运算，运算结果再存入元件映象寄存器中，对元件映象寄存器来说，每一个元件会随着程序执行过程而变化。

（3）输出刷新阶段

在所有指令执行完毕后，输出映象寄存器中所有输出继电器的状态在输出刷新阶段转存到输出锁存寄存器中，通过一定方式输出，驱动外部负载。采用集中采样，集中输出工作方式的特点是：在采样周期中，将所有输入信号（不管该信号当时是否采用），一起读入，此后在整个程序处理过程中PLC系统与外界隔绝，直到输出控制信号到下一个工作周期再与外界交涉，从根本上提高了系统的抗干扰扰提高了工作的可靠性。

PLC在输入输出的处理方面必须尊守以下原则：

①输入映象寄存器的数据，取决于输入端子板上各输入端子在上一个周期间的接通、断开状态。

②程序如何执行取决于用户所编程序和输入输出映象寄存器的内容。

③输出映象寄存器的数据取决于输出指令的执行结果。

④输出锁存器中的数据，由上一次输出刷新期间输出映象寄存器中数据决定。

⑤输出端子的接通断开状态，由输出锁存器决定。

PLC电源模块及其它外设的选择

1．电源模块的选择 电源模块的选择较为简单，只需考虑电源的额定输出电流就可以了。电源模块的额定电流必须大于CPU模块、I／O模块、及其它模块的总消耗电流。电源模块选择仅对于模块式结构的PLC而言，对于整体式PLC不存在电源的选择。

2．编程器的选择 对于小型控制系统或不需要在线编程的PLC系统，一般选用价格便宜的简易编程器。对于由中、高档PLC构成的复杂系统或需要在线编程的PLC系统，可以选配功能强、编程方便的智能编程器，但智能编程器价格较贵。如果有现成的个人计算机，可以选用PLC的编程软件包，在个人计算机上实现编程器的功能。

3．写入器的选择 为了防止因干扰使锂电池电压变化等原因破坏RAM中的用户和程序，可选用EPROM写入器，通过它将用户程序固化在EPROM中。现在有些PLC或其编程器本身就具有EPROM写入器的功能。

PLC保障了机械等行业的系统安全

 机械安全是一项复杂的系统工程，需要考虑的因素很多，比如机械设备特点、工艺操作特点、安全设计理念等等。一般来说，安全控制系统应该包括安全输入设备（如急停按钮、安全门限位开关或联锁开关、安全光栅或光幕、双手控制按钮），安全控制电气元件（如安全继电器、安全PLC和安全总线）和安全输出控制（如主回路中的接触器、继电器或阀等）。其中，安全PLC是在应用中值得重点关注的产品。所谓安全PLC，就是专门为条件苛刻的任务或安全相关的应用而设计的PLC，在其失效时不会对人员安全或过程安全带来危险。在一台安全PLC根据要求达到了特定的可靠性/故障概率等级时，就意味着它具有广泛的自诊断能力，可以监测各个方面的硬件状态、程序执行状态和操作系统状态。此外，安全PLC还必须能够执行标准机构（例如TUV、FM等）认证的必须的故障安全动作，而这些故障安全动作都是根据特定的原则设计，并满足国际安全标准（如IEC61508和EN954-1等）中定义的要求。另外，安全PLC还可能包括警卫保护预警和权限管理的内容，用来保护安全PLC不受来自外界的干扰。

    从全球范围看，实践证明已经采用安全PLC的行业包括汽车、机床、机械、船舶等行业，以及过程工业中的石化、炼油、电厂、锅炉控制和燃烧控制、高压应用等。此外，它还可以在一些远程遥控、无人值守以及维护费用十分昂贵的应用场合（例如大型储罐区）一显身手。

应对PLC工作环境中干扰措施

1 引言

PLC由于具有功能强、程序设计简介，维护方便等优点，特别是高可靠性、较强的适应恶劣工业环境的能力，已被广泛应用于自来水行业。但由于现场环境条件恶劣、湿度高、以及各种工业电磁、辐射干扰等，会影响系统的正常工作,因此必须重视工程的抗干扰设计。 
水厂应用中的PLC所受的干扰源主要有电源系统引入的干扰、接地系统引入的干扰和输入输出电路引入的干扰三类。如果PLC的干扰问题解决得不好，系统将无法可靠运行，将会影响到正常供水。因此，有必要对PLC应用系统中的干扰问题进行探讨。主要本文分别讨论PLC的三种抗干扰技术。

2 抗干扰的技术对策分析

为防止干扰，可采用硬件和软件的抗干扰措施，其中，硬件抗干扰是最基本和最重要的抗干扰措施，一般从抗和防两方面入手来抑制和消除干扰源，切断干扰对系统的耦合通道，降低系统对干扰信号的敏感性。

2.1 电源系统引入的干扰 
电网的干扰，频率的波动，将直接影响到PLC系统的可靠性与稳定性。如何抑制电源系统的干扰是提高PLC的抗干扰性能的主要环节。

(1) 加装滤波、隔离、屏蔽、开关稳压电源系统。 
设置滤波器的作用是为了抑制干扰信号从电源线传导到系统中，使用隔离变压器，必须注意:屏蔽层要良好接地;次级连接线要使用双绕线(减少电线间的干扰)，隔离变压器的初级绕组和次级绕组应分别加屏蔽层，初级的屏蔽层接交流电网的零线;次级的屏蔽层和初级间屏蔽层接直流端。 
为了抑制电网大容量设备起停(如送水泵等)引起电网电压的波动，保持供电电压的稳压，可采用开头稳压电源。

(2) 分离供电系统 
       PLC的控制器与I/O系统分别由各自的隔离变压器供电，并与主电源分开，这样当输入输出供电断电时，不会影响到控制器的供电。如图1所示。

图1 分离供电系统图

2.2 抑制接地系统引入的干扰 
     PLC系统分为逻辑电路接地和功率电路接地，有共地、浮地及机壳共地和电路浮地等三种方式。一般采用控制器与其它设备分别接地方式，接地时注意:接地线尽量粗，一般大于2mm2的线接地;接地点应尽量靠近控制器，接地点与控制器之间的距离不大于50m;接地线应尽量避开强电回路和主回路的电线，不能避开时，应垂直相交，应尽量缩短平行走线的长度。
实践证明，接地往往是抑制噪声和防止干扰的重要手段，良好的接地方式可在很大程度上抑制内部噪声的耦合，防止外部干扰的侵入，提高系统的抗*力。

2.3 抑制输入输出电路引入的干扰 
      为了实现输入输出电路上的*隔离，近年来在控制系统中光电耦合得到广泛应用，已成为防止干扰的*措施之一。光电耦合器具有以下特点:首先，由于是密封在一个管壳内，不会受到外界光的干扰;其次，由于靠光传送信号，切断了各部件电路之间地线的联系;第三，发光二极管动态电阻非常小，而干扰源的内阻一般很大，能够传送到光电耦合器输入输出的干扰信号就变得很小;第四，光电耦合器的传输比和晶体管的放大倍数相比，一般很小，远不如晶体管对干扰信号那么灵敏，而光电耦合器的发光二极管只有在通过一定的电流时才能发光。因此，即使是在干扰电压幅值较高的情况下，由于没有足够的能量，仍不能使发光二极管发光，从而可以有效地抑制掉干扰信号。由于光电耦合器的线性区一般只能在某一特定的范围内，因此，应保证被传信号的变化范围始终在线性区内。为了保证线性耦合，既要严格挑选光电耦合器，又要采取相应的非线性较正措施，否则将产生较大的误差。

(1) 光电耦合输入电路如图2所示。其中图2(a)、图2(b)用的较多，高电平时接成形式，低电平输入时接成形式。图2(c)为差动型接法，它具有两个约束条件，对于防止干扰有明显的*性，适用于外部干扰严重的环境，当外部设备电流较大时，其传输距离可达100~200m，图2(d)考虑到COMS电路的输出驱动电流较小，不能直接带动发光二极管，所以加接一级晶体管作为功率放大，需要注意的是图中发光二极管和光敏三极管应分别由两个电源供电，电阻值视电压高低选取。

图2 光电耦合输入电路

(2) 光电耦合输出电路如图3所示。为了得到和输入同相的信号，可以采用图3(a)形式。若要求输出和输入反相，可以接成图3(b)形式。当输出电路所驱动的元件较多时，可以加接一级晶体管作为驱动功率放大，其接法如图3(c)所示。有时为了获得更好的输出波形，输出信号可经施密特电路整形。

 
图3 光电耦合输出电路

以上两点是对开关量输入输出信号的处理方法，而对模拟输入输出信号，为了消除工业现场瞬时干扰对它的影响，除加A/D、D/A转换电路和光电耦合外，可根据需要采取软件的数字滤波技术如中值法、一阶递推数字滤波法等算法。

3 结束语

PLC控制系统的抗干扰性设计是一个复杂的系统工程，涉及到具体的输入输出设备和工业现场的环境，在设计抗干扰系统时要求要综合考虑各方面的因素。

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       由图1可见，PLC实质上是一种工业控制用的计算机。PLC系统也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。其软件主要有以下几个逻辑部件： 

（1）继电器逻辑

为适应电气控制的需要，PLC为用户提供继电器逻辑，用逻辑与或非等逻辑运算来处理各种继电器的连接。PLC内部有储单元有“1”和“0”两种状态，对应于“0N”和“0FF”两种状态。因此PLC中所说的继电器是一种逻辑概念的，而不是真正的继电器，有时称为“软继电器”。这些“软继电器”与通常的继电器相比有以下特点：

①体积小、功耗低

②无触点、速度快、寿命长

③有无数个触点，使用中不必考虑接点的容量

PLC一般为用户提供以下几种继电器（以FX2N系列PLC为例）：

输入继电器（X）：把现场信号输入PLC，同时提供无限多个常开、常闭触点供用户编程使用。在程序中只有触点没有线圈，信号由外部信号驱动。编号采用八进制，分别为X000—X007，X010-X017等。

输出继电器（Y）：具备一对物理接点，可以串接在负载回路中，对应物理元件有继电器、晶闸管和晶体管。外部信号不能直接驱动，只能在程序中用指令驱动。编号采用八进制，分别为Y000—Y007，Y010-Y017等。

内部继电器（M）：与外界没有直接联系，仅作运算的中间结果使用。有时也称为辅助继电器或中间继电器。和输出继电器一样，只能由程序驱动。每个辅助继电器有无限多对常开、常闭触点，供编程使用。地址号按十进制分配，通用型辅助继电器有M0-M499共500点，保持型辅助继电器有M500-M1023共524点，特殊型辅助继电器有M8000-M8255共157点。

(2)定时器逻辑

PLC一般采用硬件定时中断，软件计数的方法来实现定时逻辑功能，定时器一般包括：

定时条件：控制定时器操作。

定时语句：所使用的定时器，给出定时设定值。

定时器的当前值：记录定时时间。

定时继电器：定时器达到设定的值时为“1“（0N）状态，未开始定时或定时未达到设定值时为“0”（0FF）状态。

其逻辑功能如下表所示:

定时器：T

a.功能：该元件是定时用的，范围为0.001～32.767（1ms定时器）秒、0.01～327.67秒（10ms定时器）、0.1～3276.7秒（100ms定时器）。元件范围按十进制分配如下：

                            T246～T249：1ms定时器

                            T200～T245：10ms定时器

                            T0～T199：100 ms定时器

b.举例：

①梯形图：

  ②程序清单

LD      X000

OUT  T0  K123

LD  T0

OUT  y000

END

③波形图

(3)计数器逻辑

PLC为用户提供了若干计数器，它们是由软件来实现的，一般采用递减计数，一个计数器有以下几个内容：

计数器的复位信号R

计数器的计数信号（CP单位脉冲）

计数器设定值的记忆单元

计数器当前计数值单元

计数继电器，计数器计数达到设定值时为0N，复位或未到计数设定值时为0FF。

其逻辑功能如下表：

（4）计数器：C

a.功能：该元件完成记数功能。内部计数用的16位向上计数器（1～32767）和计数旋转编码器的输出等用的32位高速（向上、向下）计数器（-2，147，483648～+2，147，483，647）。该元件范围按十进制分配如下：

16位向上计数器：

C0～C99：一般用（非停电保持）；

C100～C199：保存用（停电保持）；

32位向上、向下高速计数器：

C200～C219：一般用（非停电保持）； C220～C234：保存用（停电保持）；

b.举例：①梯形图：

②程序清单：

            LD  X000

RST C0

LD  X001

OUT  C0  K5

LD  C0

OUT  Y000

            END

③波形图：

PLC除能进行位运算外，还能进行字运算。PLC为用户提供了若干个数据寄存器，以存储有效数据。

       由图1可见，PLC实质上是一种工业控制用的计算机。PLC系统也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。其软件主要有以下几个逻辑部件： 

（1）继电器逻辑

为适应电气控制的需要，PLC为用户提供继电器逻辑，用逻辑与或非等逻辑运算来处理各种继电器的连接。PLC内部有储单元有“1”和“0”两种状态，对应于“0N”和“0FF”两种状态。因此PLC中所说的继电器是一种逻辑概念的，而不是真正的继电器，有时称为“软继电器”。这些“软继电器”与通常的继电器相比有以下特点：

①体积小、功耗低

②无触点、速度快、寿命长

③有无数个触点，使用中不必考虑接点的容量

PLC一般为用户提供以下几种继电器（以FX2N系列PLC为例）：

输入继电器（X）：把现场信号输入PLC，同时提供无限多个常开、常闭触点供用户编程使用。在程序中只有触点没有线圈，信号由外部信号驱动。编号采用八进制，分别为X000—X007，X010-X017等。

输出继电器（Y）：具备一对物理接点，可以串接在负载回路中，对应物理元件有继电器、晶闸管和晶体管。外部信号不能直接驱动，只能在程序中用指令驱动。编号采用八进制，分别为Y000—Y007，Y010-Y017等。

内部继电器（M）：与外界没有直接联系，仅作运算的中间结果使用。有时也称为辅助继电器或中间继电器。和输出继电器一样，只能由程序驱动。每个辅助继电器有无限多对常开、常闭触点，供编程使用。地址号按十进制分配，通用型辅助继电器有M0-M499共500点，保持型辅助继电器有M500-M1023共524点，特殊型辅助继电器有M8000-M8255共157点。

(2)定时器逻辑

PLC一般采用硬件定时中断，软件计数的方法来实现定时逻辑功能，定时器一般包括：

定时条件：控制定时器操作。

定时语句：所使用的定时器，给出定时设定值。

定时器的当前值：记录定时时间。

定时继电器：定时器达到设定的值时为“1“（0N）状态，未开始定时或定时未达到设定值时为“0”（0FF）状态。

其逻辑功能如下表所示:

定时器：T

a.功能：该元件是定时用的，范围为0.001～32.767（1ms定时器）秒、0.01～327.67秒（10ms定时器）、0.1～3276.7秒（100ms定时器）。元件范围按十进制分配如下：

                            T246～T249：1ms定时器

                            T200～T245：10ms定时器

                            T0～T199：100 ms定时器

b.举例：

①梯形图：

  ②程序清单

LD      X000

OUT  T0  K123

LD  T0

OUT  y000

END

③波形图

(3)计数器逻辑

PLC为用户提供了若干计数器，它们是由软件来实现的，一般采用递减计数，一个计数器有以下几个内容：

计数器的复位信号R

计数器的计数信号（CP单位脉冲）

计数器设定值的记忆单元

计数器当前计数值单元

计数继电器，计数器计数达到设定值时为0N，复位或未到计数设定值时为0FF。

其逻辑功能如下表：

（4）计数器：C

a.功能：该元件完成记数功能。内部计数用的16位向上计数器（1～32767）和计数旋转编码器的输出等用的32位高速（向上、向下）计数器（-2，147，483648～+2，147，483，647）。该元件范围按十进制分配如下：

16位向上计数器：

C0～C99：一般用（非停电保持）；

C100～C199：保存用（停电保持）；

32位向上、向下高速计数器：

C200～C219：一般用（非停电保持）； C220～C234：保存用（停电保持）；

b.举例：①梯形图：

②程序清单：

            LD  X000

RST C0

LD  X001

OUT  C0  K5

LD  C0

OUT  Y000

            END

③波形图：

PLC除能进行位运算外，还能进行字运算。PLC为用户提供了若干个数据寄存器，以存储有效数据。

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