西门子模块6ES7321-7BH01-0AB0性能参数

PLC的内部等效继电器电路
   
PLC是一种专用微机，但用它来实现继电接触控制系统的功能时，就勿须从计算机的角度去研究，而是将PLC的内部结构等效为一个继电器电路。在PLC内部的一个触发器等效为一个继电器，通过预先编制好并存人内存的程序来实现控制作用的，因此，对使用者来说，可以不去理会微机及存储器内部的复杂结构，而是将PLC看成是由许多继电器组成的控制器，但这些继电器的通断是由软件来控制的，因此称为“软继电器”。
任何一个继电器控制系统，都是由输人部分、逻辑部分和输出部分组成，如图4-4-3所示。

输人部分是由一些控制按钮、操作开关、限位开关、光电管信号等组成，它接收来自被控对象上的各种开关信息，或操作台上的操作命令。
逻辑部分是根据被控对象的要求而设计的各种继电器控制线路，这些继电器的动作是按一定的逻辑关系进行的。
输出部分是指根据用户需要而选择的各种输出设备.如电磁阀线圈、接通电机的各种接触器、信号灯等。
当将PLC:看成是由许多“软继电器”组成的控制器时，可以画出其相应的内部等效电器电路.如图4-4-4所示。

由图4-4-4可以看出，PLC的内部等效电路(如图中的大框线内所示)分别与用户输人设备和输出设备相连接。输人设备相当于继电器控制电路中的信号接收环节，如操作按钮、控制开关等;输出设备相当于继电器控制电路中的执行环节，如电磁阀、接触器等。
在PLC内部为用户提供的等效继电器有输人继电器、输出继电器、辅助继电器、时间继电器、计数继电器等。
输人继电器与PLC的输入端子相连接，用来接受外部输人设备发来的信号，它不能用内部的程序指令控制。
输出继电器的触头与PLC的输出端子相连接，用来控制外部输出设备，它的状态由内部的程序指令控制。www.d
辅助继电器相当于继电器控制系统中的中间继电器，其触头不能直接控制外部输出设备。
时间继电器又称为定时器0个定时器的定时值确定后，一旦启动定时器，便以一定的单位(例10 ms)开始递减(或递增)，当定时器中设定的是时值减为0(或增加到设定值)时，定时器的触头就动作。
计数继电器又称为计数器。每个计数器的计数值确定后，一且启动计数器，每来一个脉冲。计数值便减(或加)1,直到设定的计数值减为0(或增加到设定值)时，计数器的输出触头就动作。
值得注意的是，上述“软继电器”只是等效继电器,PLC中并没有这样的实际继电器，“软继电器”的线圈中也没有相应的电流通过，它们的工作完全由编制的程序来确定。

PLC输入外部电路的几种形式
   
PLC输入外部电路的外部节点形式共分为以下三种：
1、无源节点输入，即：开关节点输入。
2、NPN和PNP节点输入
3、二极管输入
下面，就这三种节点输入的形式及接线方式简单说明一下。
1、无源节点输入（开关量输入）
此种节点形式是PLC输入用的多的一种形式。使用此种形式时，只要注意PLC的输入公共端是共阳极还是共阴极就行了。如为共阳极，则通过开关节点引入的应该是负极，如为共阴极，则经过开关节点引入的应该是正极。如下图所示（括号内为共阳极时）：

2、NPN和PNP节点输入
一些传感器或接近开关的输出节点是NPN或PNP节点形式。这时，做为PLC的输入是选NPN还是PNP节点，一方面要看要看PLC的接线形式而定，另外还要看传感器或接近开关的接线形式。下面举例来说明：
如下图所示，传感器的输出是NPN形式的。从图中负载接线可知，传感器动作时，输出0V（黑线④处）。这就要求，PLC的公共端（COM）是正极。因此，对于此线路，当PLC的公共端接（CON）正极时，PLC的输入就只能用NPN形式。

下图正好相反，当传感器动作时，其输出为正极（黑线④处）。此时，就要求PLC的公共端（COM）接负极。因此，对于此线路，当PLC的公共端接负极时，PLC的输入就只能用PNP的形式。

PLC的输入节点到底是采用PNP还是NPN的形式，其实大不可必死记。只要明白PLC输入内部的电路原理就行了，即：采用PNP还是NPN节点，都必须保证PLC输入电路内部的光电耦合部分的发光二极管得电。
以上两例是以西门子PLC为例，西门子PLC输入内部线路的光电耦合的公共端可以是共阴极或共阳极，因此，在考虑使用NPN或PNP输入时，可以改变公共端（COM）的正极或负极来分别使用；而对于三菱FX系列的PLC，因光电耦合的公共端是固定采用共阳极的，因此公共端只能接正极，输入也就只能使用NPN节点输入方式了。
3、串二极管输入
有时，需要在PLC的输入节点中串入一个发光二极管来为指示。如下图所示：

此时，一般PLC都会规定串入二极管的允许电压降及允许串入的二极管的个数。比如，上图所示的FX系列的PLC规定，发光二极管允许电压降为4V，多允许中时串入2个

可编程序控制器(programmable logic controller)，简称，又称pc，是一种以微处理器为核心的用做数字控制的特殊计算机，因此它的硬件配置与一般微机装置类似。plc主要由中央处理单元cpu、输入/输出(i/o)单元、编程器、、特殊输入输出单元等组成，如图所示。

图 pc装置配置结构图

中央处理单元(cpu)是plc的核心部分。它通过输入装置将外设的状态读入，并按照用户程序进行处理，处理结果通过输出装置去控制外设。

编程器，主要任务就是输入程序、调试程序和监护程序的执行。plc是以顺序执行存储器中的程序来完成其控制功能的。编程器一般包括显示和键盘二个部分。

电源单元向plc的各单元提供各种等级的电源。

梯形图是plc的主要编程语言。梯形图表达式是在控制系统中常用的梯形图基础上演变而来的。plc的梯形图使用内部继电器、定时/计数器等，每个梯形图网络由多个梯级组成，每个输出元素可构成一个梯级，每个梯级可由多个支路组成，通常每个支路可容纳11个编程元素，右边的元素必须是输出元素。plc的梯形图从上至下按行绘制，两侧的竖线类似电器控制图的电源线，称做母线。每一行从左至右，左侧总是安排输入接点，并把并联接点多的支路靠近左端。输入接点只用常开-| |-或常闭表示，输出线圈用圆形表示。

普通的plc系统由于缺乏有效的诊断测试，很难判断系统内部是否短路、断路等潜在的故障。紧急停车（系统）要维持其可用性和可靠性，必须依靠全面的测试和诊断，因此，普通的plc是不能用在紧急停车（系统），在紧急停车（系统）中使用的plc必需经过安全认证。

1．可靠性高、抗干扰能力强

为保证能在工业环境下可靠工作，在设计和生产过程中采取了一系列硬件和软件的抗干扰措施，主要有以下几个方面：

1)隔离，这是抗干扰的主要措施之一。plc的输人、输出接口电路一般采用光电耦合器来传递信号。这种光电隔离措施，使外部电路与内部电路之间避免了电的联系，可有效地抑制外部干扰源对plc的影响，同时防止外部高电压串人，从而减少故障和误动作。

2)滤波，这是抗干扰的另一个主要措施。在plc的电路和输入/输出电路中设置了 多种滤波电路，用以对高频干扰信号进行有效抑制。

3)对plc的内部电源还采取了屏蔽、稳压、保护等措施，以减少外界干扰，保证供电质量。另外使输入／输出接口电路的电源彼此独立，以避免电源之间的干扰。

4) 内部设置了连锁、环境检测与诊断、watchdog(“看门狗”)等电路，一旦发现故障或程序循环执行时间超过了警戒时钟wdt规定时间(预示程序进入了死循环)，立即报警，以 保证cpu可靠工作。

5) 利用系统软件定期进行系统状态、用户程序、工作环境和故障检测，并采取信息保护和恢复措施。

6)对用户程序及动态工作数据进行电池备份，以保障停电后有关状态或信息不丢失。

7)采用密封、防尘、抗振的外壳封装结构，以适应工作现场的恶劣环境。

8）以为基本元件，内部处理过程不依赖于机械触点，以保障高可靠性。而采用循环扫描的工作方式，也提高了抗干扰能力。

2．可实现三电一体化

plc将电控(逻辑控制)、电仪(过程控制)和电结(运动控制)这三电集于一体，可以方便、灵活地组合成各种不同规模和要求的控制系统，以适应各种工业控制的需要。

3．编程简单、使用方便、控制程序可变、具有很好的柔性

4.体积小、重量轻、功耗低

5:plc和的区别：

1：plc可以改变程序。现在大部分的单片机（内部带有flash rom）都可以在线烧录程序，更改程序，所以这点它的功能跟plc是一样的。当然，也有一部分单片机是一次固化程序的。像这种就不能再改变程序了。2：plc相对单片来说，它的主要优点在于： 1：比较稳定，由于i/o口内部采用光电隔离驱动，因此抗干扰能力要强很多。2：i/o口的驱动能力比较强，能够直接驱动24v的吸合。3：做等在某些场合，市场上有共用和现在的开发软件及界面，因此相对于单片机，它的开发周期要短很多。4：plc的成本要比单片贵很多。因此，要看什么场合，如果单片机用得上，够用的话，没必要去考虑用plc。

这是一张典型的plc控制系统的框图：

1．用于开关量控制

plc控制开关量的能力是很强的。所控制的入出点数，少的十几点、几十点，多的可到几百、几千，甚至几万点，由于它能联网，点数几乎不受限制，不管多少点都能控制，所控制的逻辑问题可以是多种多样的：组合的、时序的、即时的、延时的、不需计数的、需要计数的、固定顺序的、随机工作的等等，都可进行。

plc的硬件结构是可变的，软件程序是可编的，用于控制时，非常灵活。必要时可编写多套或多组程序，依需要调用。它很适应于工业现场多工况、多状态变换的需要。

用plc进行开关量控制实例是很多的，冶金、机械、轻工、化工、纺织等等，几乎所有工业行业都需要用到它。目前，plc首用的目标，也是别的控制器无法与其比拟的，就是它能方便并可靠地用于开关量的控制。

2．用于模拟量控制

模拟量，如电流、电压、温度、压力等等，它的大小是连续变化的。工业生产，特别是连续型生产过程，常要对这些物理量进行控制。

作为一种工业控制装置，plc若不能对这些量进行控制，那是一大不足，为此各plc厂家都在这方面进行大量的开发。目前，不仅大型、中型机可以进行模拟量控制，就是小型机，也能进行这样的控制。plc进行模拟量控制，要配置有模拟量与数字量相互转换的a／d、d／a单元。它也是i／o单元，不过是特殊的i／o单元。

a／d单元是把外电路的模拟量，转换成数字量，然后送入plc；d／a单元，是把plc的数字量转换成模拟量，再送给外电路。作为一种特殊的i／o单元，它仍具有i／o电路抗干扰、内外电路隔离、与输入输出继电器（或内部继电器，它也是plc工作内存的一个区，可读写）交换信息等等特点。

这里的a／d中的a，多为电流，或电压，也有温度。d／a中的a，多为电压，或电流。电压、电流变化范围多为0～5v，0～10v，4～20ma，有的还可处理正负值的。这里的d，小型机多为8位二进制数，中、大型多为12位二进制数。a／d、d／a有单路，也有多路。多路占的输入输出继电器多。有了a／d、d／a单元，余下的处理都是数字量，这对有信息处理能力的plc并不难。中、大型plc处理能力更强，不仅可进行数字的加、减、乘、除，还可开方、插值，还可进行浮点运算，有的还有pid指令，可对偏差制量进行比例、微分、积分运算，进而产生相应的输出，计算机能算的它几乎都能算。

这样，用plc实现模拟量控制是完全可能的。

plc进行模拟量控制，还有a／d、d／a组合在一起的单元，并可用pid或模糊控制算法实现控制，可得到很高的控制质量。用plc进行模拟量控制的好处是，在进行模拟量控制的同时，开关量也可控制。这个优点是别的控制器所不具备的，或控制的实现不如plc方便。当然，若纯为模拟量的系统，用plc可能在性能价格比上不如用调节器。

3．用于运动控制

实际的物理量，除了开关量、模拟量，还有运动控制。如机床部件的位移，常以数字量表示。运动控制，有效的办法是nc，即数字控制技术。这是50年代诞生于美国的基于计算机的控制技术。当今已很普及，并也很完善。目前，先进国家的金属切削机床，数控化的比率已超过40％～80％，有的甚至更高。plc也是基于计算机的技术，并日益完善。plc可接收计数脉冲，频率可高达几k到几十k赫兹，可用多种方式接收这脉冲，还可多路接收。有的plc还有脉冲输出功能，脉冲频率也可达几十k，有了这两种功能，加上plc有数据处理及运算能力，若再配备相应的（如旋转编码器）或脉冲伺服装置，则完全可以依nc的原理实现种种控制。高、中档的plc，还开发有nc单元，或运动单元，可实现点位控制。运动单元还可实现曲线插补，可控制曲线运动。所以，若plc配置了这种单元，则完全可以用nc的办法，进行数字量的控制。新开发的运动单元，甚至还发行了nc技术的编程语言，为更好地用plc进行数字控制提供了方便。

4．用于数据采集

随着plc技术的发展，其数据存储区越来越大。如德维森公司的plc，其数据存储区（dm区）可达到9999个字。这样庞大的数据存储区，可以存储大量数据。数据采集可以用计数器，累计记录采集到的脉冲数，并定时地转存到dm区中去。数据采集也可用a／d单元，当模拟量转换成数字量后，再定时地转存到dm区中去。plc还可配置上小型打印机，定期把dm区的数据打出来。

plc也可与计算机通讯，由计算机把dm区的数据读出，并由计算机再对这些数据作处理。这时，plc即成为计算机的数据终端。

用户曾使用plc，用以实时记录用户用电情况，以实现不同用电时间、不同计价的收费办法，鼓励用户在用电低谷时多用电，达到合理用电与节约用电的目的。

5．用于信号监控

plc自检信号很多，内部器件也很多，多数使用者未充分发挥其作用。其实，完全可利用它进行plc自身工作的监控，或对控制对象进行监控。对一个复杂的控制系统，特别是自动控制系统，监控以至进一步能自诊断是非常必要的，它可减少系统的故障，出了故障也好查找，可提高累计平均无故障运行时间，降低故障修复时间，提高系统的可靠性。

6．用于联网、通讯

plc联网、通讯能力很强，不断有新的联网的结构推出。

plc可与个人计算机相连接进行通讯，可用计算机参与编程及对plc进行控制的管理，使plc用起来更方便。

为了充分发挥计算机的作用，可实行一台与管理多台plc，多的可达32台。也可一台plc与两台或更多的计算机通讯，交换信息，以实现多的对plc控制系统的监控。plc与plc也可通讯，可一对一plc通讯，可几个plc通讯，可多到几十、几百。

plc与智能仪表、智能执行装置（如），也可联网通讯，交换数据，相互操作。可联接成远程控制系统，系统范围面可大到10公里或更大。可组成局部网，不仅plc，而且计算机、各种智能装置也都可进网。可用总线网，也可用环形网。网还可套网。网与网还可桥接。联网可把成千上万的plc、计算机、智能装置组织在一个网中。网间的结点可直接或间接地通讯、交换信息。

联网、通讯，正适应了当今计算机集成制造系统（cims）及智能化工厂发展的需要。它可使工业控制从点（point）、到线（（line）再到面（aero），使设备级的控制、生产线的控制、工厂管理层的控制连成一个整体，进而可创造更高的效益。这个无限美好的前景，已越来越清楚地展现在我们这一代人的面前。

以上几点应用是着重从质上讲的。从量上讲，plc有大、有小。所以它的控制范围也可大、可小。小的只控制一个设备，甚至一个部件，一个站点；大的可控制多台设备，一条生产线，以至于整个工厂。可以说工业控制的大小场合，都离不开plc。

在过去的几十年里，可编程逻辑控制器（PLC）一直被广泛用于自动化领域，而在可预知的未来，PLC仍将长盛不衰。面向离散控制而设计PLC的实际上已经成为工业领域一个具有伟大意义的统治性工具。
　　
　　然而，随着工业用机器和工厂系统的复杂性的增加，PLC已经很难而且也不可能成为完成所有自动化任务。现在的自动化系统已经超越了PLC的功能范围，使得工业机器领域的工程师必须在自动化系统中集成更多更先进的I/O、处理和控制策略。
　　
　　新的可编程自动化控制器（PAC）硬件系统就是这样一个非凡的PLC系统扩展方案，能够很容易整合到PLC系统中，给工业机器增加更多的先进功能，并提高机器的效率。
　　
　　1、需求：如何提高机器的效率
　　
　　如何提高机器的效率?让我们来看看IntegratedIndustrialSystems（I2S）公司是如何做的。I2S在现有的PLC系统上实现极大的改进。这是一个来自美国的私有原始设备制造商，数十年以来一直致力于制造的轧制设备和控制系统，用于全世界的铁和非铁金属行业。在这一领域的雄厚技术底蕴使之成为行业的。
　　
　　I2S也曾经长期使用PLC来自动化和
　　
　　控制生产的轧制设备。近几年他们一直在试图更新轧制设备控制系统，以提高效率和质量。为了提高炼钢设备的效率和质量，他们主要对其伽马测量系统进行了改进，以便能更准确地控制金属厚度。
　　
　　数年以来，伽马测量系统一直是I2S产品家族中的标志性产品，现在依然广受欢迎，但是系统的很多硬件和软件特征都已经过时了。为了更新该系统并改进其机器，I2S公司需要一个具有更**的模拟输入分辨率的方案，以连接伽马测量传感器和信号处理，从而从传感器中获取模拟信号，实现高度**的厚度测量，再由PLC使用在轧制机器的控制系统中。
　　
　　2、伽马测量仪技术
　　
　　伽马测量仪使用“镅”作为恒发射源，这一发射源位于“C”框架组装的较低部。结构的顶部是一个接收器和前置放大器。当通过发射源和接收器之间的间隔时，金属带会吸收一部分辐射，吸收量视其厚度和密度而定。剩下的一部分就由接收器进行测量，并转化成带厚度测量。
　　
　　实施改造步：现有设备试验
　　
　　为了节省时间和费用，I2S先试着在已有的PLC系统中进行模拟测量和处理。但是，PLC的模拟I/O和信号处理无法达到所需的**度。I2S公司要确保运行于PLC中的控制系统不会因为额外I/O和处理的增加而减少。
　　
　　因此，他们需要这么一个系统，这个系统能够从伽马传感器中获取模拟信号并进行处理以计算**的厚度测量值，并能将这个厚度测量插入到PLC控制系统中。但是，所用的PLC不适合高性能处理和高速模拟I/O。
　　
　　第二步：如果现有设备无法奏效，就试试其它方法
　　
　　在认识到PLC无法提供连接伽马测量传感器所需的I/O和处理后，I2S转向了PAC技术。它选择了国家仪器的CompactRIOPAC，以提供改进轧制机器质量所必须的附加功能。CompactRI/O是一个可重置嵌入式系统，既结合了传统PLC的优点和可靠性，又能提供更多I/O和处理。国家仪器的所有PAC都可以通过其LabVIEW图形编程工具来编程，因此可以很容易进行编程和配置。
　　
　　第三步：添加I/O
　　
　　CompactRIO有一个嵌入式现场可编程门阵列（FPGA）芯片和实时处理器，可通过内置的LabVIEW功能块来编程。另外，它还拥有超过30个模拟和数字I/O模块，具有内置信号调节（反锯齿、隔离、ADC、DAC等）、高速计时（模拟I/O速度达到800kHz，数字I/O速度达到30MHz）和高分辨率（24bADC），可与任何工业传感器或者触发器连接。
　　
　　I2S使用CompactRIO模拟输入模块来连接伽马级厚度传感器，以提供**测量所需的高速计时和分辨率。由于每个I/O模块都是直接和FPGA相连的，工程师们于是能使用LabVIEWFPGA来轻松自定义CompactRIO的模拟I/O速率。
　　
　　第四步：添加处理
　　
　　从伽马传感器获得模拟数据之后，CompactRIO使用内置的NILabVIEW实时浮点功能块来在实时处理器中对数据进行处理，并将之转化成**的厚度测量。
　　
　　LabVIEW的实时功能块对数据进行确定的对数处理（如下面的等式1和等式2所示），以进行计算厚度测量值。由于LabVIEWReal-Time具有内置计算和分析功能，PAC能够很容易进行这一操作。
　　
　　等式1：logI=（logI0）y/μ=（y/μ）logI0
　　
　　等式2:y/μ=logI0/logI=log（I0-I）
　　
　　CompactRIO系统在FPGA和实时处理器中进行所有的I/O和信号处理，并将高**度厚度测量传输到相连的PLC上，又不会降低现有PLC控制系统的速率。借助于CompactRIO的性能，I2S的工程师可以为伽马级传感器添加这一自定义测量和分析功能，而不需要牺牲轧制机器的控制速度。
　　
　　第五步：整合PAC
　　
　　每个轧制机器都带有三个形成网络的CompactRIO系统。这三个系统都是智能节点，能利用一个工业标准Modbus/TCP、TCP/IP或UDP协议进行通信。其中有两个系统与伽马级传感器连接，并进行模拟输入测量和处理，来计算**厚度测量值。
　　
　　第三个CompactRIO系统则从另外两个系统中取得厚度值，并转换成模拟输出测量值，输入到正在控制轧制机器的PLC上。所有三个系统都通过以太网连接实现了互连，并使用一个UDP以太网信息协议来传输厚度测量值计算。将PAC连接到现有PLC架构上有三个基本方法：
　　
　　1.基本模拟和数字I/O。模拟/数字信号能够从PAC输出到PLC中。这是将PAC整合到PLC的一个基本的方法。I2S公
　　
　　司就是运用这种方法来将处理过的数据从CompactRIOPAC传输到运行轧制机器控制系统的PLC上的。
　　
　　2.工业网络。大多数PAC产品都支持工业协议，如DeviceNet、Profibus、CANopen以及基于以太网的协议如TCP/IP、UDP和ModbusTCP/IP。这使得工程师在连接PAC到PLC上时有很多网络选择。I2S公司运用的是以太网协议来在CompactRIOPAC之间传输数据，并将PAC和PLC连接到形成网络的HMI。
　　
　　3.OPCConnectivityPAC还可以作为OPC客户端或者服务器，并通过OPC标签来收发网络数据到PLC或其它PAC上。OPC标准提供了一套标准的流程，让不同厂商的自动化系统之间可以很容易实现连接。
　　
　　处理过的数据会以不到20毫秒的间隔在通过以太网互连的CompactRIO系统之间传输。CompactRIO测量值的获得、处理和传输速度都很快，因此，将**厚度测量值键入到PLC控制系统的过程丝毫不会降低整个系统的速度。
　　
　　I2S公司可以很容易通过基于LAN的CompactRIO系统和10/100Mbps以太网接口将系统连接到形成网络的AllenBradleyPLC，并利用一个标准的TCP/IP协议将之连接到人机接口（HMI）系统。轧制机器中的所有仪器都通过以太网实现了连接，因此不需要在一个电器噪音嘈杂的环境下长距离地传输模拟信号了。
　　
　　3、总结
　　
　　在未来的几年，PLC仍将继续用于自动化领域。但是随着机器的改进和自动化效率提高的需求，PLC不再是的。PAC技术给PLC提供了很好的补充，增加了传统PLC所不能提供的高性能I/O和处理。将PAC连接到现有PLC架构中的方法有很多，所以工程师们将能够很容易地改进其基于PLC的自动化系统。