大型PLC系统及网络结构
西门子SMART 200 PLC控制系统构成及网络架构
西门子SMART 200 PLC控制系统构成及网络架构
引言
随着现代社会的高速发展，每个公司都希望自己的产品有一个属于自己的LOGO标记，增强自己的品牌效应，激光标记是首选，特别是在一些金属及铝型材上标记。
为了节省人工成本，自动化标记设备就应运而生。
通过伺服电机将需要标记的铝型材送到标记区，实现精准标记（精度误差不大于0.1mm）,从而降低人工送料带来的体力劳动以及精度误差，为企业快速发展及规模化生产带来了便捷。
项目简介
1.项目所在行业及背景
由于近年来人工成本上升，各地出现用工荒，企业很难招到操作工人的前提下。
原来人工操作已经不能满足企业的量化生产模式，终端用户的高要求也对企业加工产品的要求提出了高要求。
自动化机械设备的出现将会解决企业发展面临的瓶颈问题，企业还可以根据上位机画面查看生产情况以及合格品率。
为企业的高速发展带来了优势，使企业在激励的竞争中脱颖而出，立于不败之地。
2.工艺介绍
3.项目使用的配件清单
控制系统构成及网络架构
产品选型论证
全新的S7-200 SMART 带来两种不同类型的CPU模块，标准型和经济型，全方位满足不同行业、不同客户、不同设备的各种需求。
标准型作为可扩展CPU 模块，可满足对I/O 规模有较大需求，逻辑控制较为复杂的应用；而经济型CPU 模块直接通过单机本体满足相对简单的控制需求。
以太网通信，所有CPU模块标配以太网接口，支持西门子S7协议、。
plc控制系统结构及工作原理
PLC控制系统结构及工作原理
一、系统结构
PLC控制系统主要由以下几个部分组成：
1. 电源模块：提供系统所需的电能。
2. 中央处理单元（CPU）：进行逻辑运算、算术运算和顺序控制等，实现各种数据操作。
3. 输入输出模块：实现外部信号的采集和输出，与外部设备进行数据交换。
4. 存储器：存储用户程序和数据。
5. 通信接口：实现PLC与外部设备的通信。
二、工作原理
PLC控制系统的工作原理可以概括为“输入-处理-输出”的过程。
首先，通过输入模块采集外部设备的信号，这些信号可以是开关状态、传感器读数等。
然后，这些信号被送到CPU进行处理。
在CPU中，根据预先编写好的程序，对这些信号进行逻辑运算、算术运算等处理。
处理完成后，输出模块将这些结果输出到外部设备，如马达、灯泡等。
三、控制功能实现
PLC控制系统的控制功能主要由用户程序实现。
用户程序可以根据实际需求进行编写，包括各种逻辑运算、算术运算、顺序控制等。
通过输入模块采集的信号，可以触发用户程序执行相应的操作。
这样，PLC控制系统就可以实现对外部设备的精确控制。
四、控制性能分析
PLC控制系统的控制性能主要取决于以下几个因素：
1. 硬件性能：包括CPU的处理能力、存储器的容量、输入输出模块的精度等。
2. 软件设计：包括用户程序的编写、程序结构的合理性、运算速度等。
3. 环境因素：包括温度、湿度、电磁干扰等环境因素对PLC控制系统性能的影响。
总的来说，PLC控制系统具有结构简单、运行可靠、操作方便等优点，因此在工业自动化领域得到了广泛应用。
plc系统及组成结构
PLC系统组成PLC系统主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口电源等部分组成。
其中，CPU是PLC的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。
对于整体式PLC，所有部件都装在同一机壳内，其组成框图如图1所示；对于模块式PLC，各部件独立封装成模块，各模块通过总线连接，安装在机架或导轨上，其组成框图如图2所示。
无论是哪种结构类型的PLC，都可根据用户需要进行配置与组合。
尽管整体式与模块式PLC的结构不太一样，但各部分的功能作用是相同的，下面对PLC主要组成各部分进行简单介绍。
1．中央处理单元（CPU）同一般的微机一样，CPU是PLC的核心。
PLC中所配置的CPU 随机型不同而不同，常用有三类：通用微处理器（如Z80、8086、80286等）、单片微处理器（如8031、8096等）和位片式微处理器(如AMD29W等) 。
小型PLC大多采用8位通用微处理器和单片微处理器；中型PLC大多采用16位通用微处理器或单片微处理器；大型PLC大多采用高速位片式微处理器。
目前，小型PLC为单CPU系统，而中、大型PLC则大多为双CPU系统，甚至有些PLC 中多达8 个CPU。
对于双CPU系统，一般一个为字处理器，一般采用8位或16位处理器；另一个为位处理器，采用由各厂家设计制造的专用芯片。
字处理器为主处理器，用于执行编程器接口功能，监视内部定时器，监视扫描时间，处理字节指令以及对系统总线和位处理器进行控制等。
位处理器为从处理器，主要用于处理位操作指令和实现PLC编程语言向机器语言的转换。
位处理器的采用,提高了PLC的速度，使PLC更好地满足实时控制要求。
在PLC中CPU按系统程序赋予的功能，指挥PLC有条不紊地进行工作，归纳起来主要有以下几个方面：1）接收从编程器输入的用户程序和数据。
2）诊断电源、PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等。
plc系统及组成结构
PLC系统组成PLC系统主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口电源等部分组成。
其中，CPU是PLC的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。
对于整体式PLC，所有部件都装在同一机壳内，其组成框图如图1所示；对于模块式PLC，各部件独立封装成模块，各模块通过总线连接，安装在机架或导轨上，其组成框图如图2所示。
无论是哪种结构类型的PLC，都可根据用户需要进行配置与组合。
尽管整体式与模块式PLC的结构不太一样，但各部分的功能作用是相同的，下面对PLC主要组成各部分进行简单介绍。
1．中央处理单元（CPU）同一般的微机一样，CPU是PLC的核心。
PLC中所配置的CPU 随机型不同而不同，常用有三类：通用微处理器（如Z80、8086、80286等）、单片微处理器（如8031、8096等）和位片式微处理器(如AMD29W等) 。
小型PLC大多采用8位通用微处理器和单片微处理器；中型PLC大多采用16位通用微处理器或单片微处理器；大型PLC大多采用高速位片式微处理器。
目前，小型PLC为单CPU系统，而中、大型PLC则大多为双CPU系统，甚至有些PLC 中多达8 个CPU。
对于双CPU系统，一般一个为字处理器，一般采用8位或16位处理器；另一个为位处理器，采用由各厂家设计制造的专用芯片。
字处理器为主处理器，用于执行编程器接口功能，监视内部定时器，监视扫描时间，处理字节指令以及对系统总线和位处理器进行控制等。
位处理器为从处理器，主要用于处理位操作指令和实现PLC编程语言向机器语言的转换。
位处理器的采用,提高了PLC的速度，使PLC更好地满足实时控制要求。
在PLC中CPU按系统程序赋予的功能，指挥PLC有条不紊地进行工作，归纳起来主要有以下几个方面：1）接收从编程器输入的用户程序和数据。
2）诊断电源、PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等。
AB PLC网络结构
Controllogix是Rockwell公司推出AB系列的模块化PLC，它代表了当前PLC发展的最高水平，是目前世界上最具有竞争力的控制系统之一，Control- logix将顺序控制、过程控制、传动控制及运动控制、通讯、I/O技术集成在一个平台上，可以为各种工业应用提供强有力的支持，适用于各种场合，最大的特点是可以使用网络将其相互连接，各个控制站之间能够按照客户的要求进行信息的交换。
Controllogix目前在工业生产中得到广泛的运用，本文详细介绍Rockwell Controllogix PLC冗余系统在汽轮机发电中的应用。
Controllogix可以提供完善的控制器的冗余功能，采用热备的方式构建控制器，两个控制器框架采用完全相同的配置，它们之间使用同步电缆连接，不仅控制器可以采用热备，通讯网络也可以采用相似的方式进行热备，除以上的部分可以热备外，控制器的电源也可以进行热备，这样大大提高了控制器的运行的可靠性。
2 系统介绍在某焦化厂干熄焦汽轮机发电项目的DCS控制系统中，采用了冗余的Controllogix，系统结构如图1所示。
上位机通过交换机与PLC处理器通讯，远程框架通过冗余的ControlNet 连接到控制器框架，同时，远程框架采用了冗余电源配置。
整套系统具有很高的可靠性，满足了汽轮机发电系统对于PLC控制部分需要长期无故障运行的要求。
上位机采用Rsview32软件，用以监控现场设备的运行。
图1 系统结构图本地框架由L1和L2 框架构成，运行时L1和L2互为热备，构成了冗余，L1和L2框架各个槽位的所配置的模块如表1所示。
R1，R2和R3是远程框架，所有的点号都连接到远程框架的模块，远程框架的供电使用了AB的冗余电源(1756-PAR2)。
表1 L1和L2框架各个槽位的所配置的模块设置主从控制器框架的1756-CNBR/D的节点地址时应注意，他们的地址拨码应该相同，应该是系统中挂接在冗余ControlNET网上所有节点的最高地址，在本系统里面都设置为4，远程站的节点地址分别为1，2，3。
PLC的结构及各部分的作用
PLC的结构及各部分的作用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。
通常由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出单元（I/O）、电源和编程器等几个部分组成。
1．中央处理单元（CPU）CPU作为整个PLC的核心，起着总指挥的作用。
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电路的芯片上。
CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与存储单元、输入输出接口电路连接。
CPU的功能有以下一些：从存储器中读取指令，执行指令，取下一条指令，处理中断。
2．存储器（RAM、ROM）存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。
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；存放工作数据的存储器称为数据存储器。
常用的存储器有RAM、EPROM和EEPROM。
RAM是一种可进行读写操作的随机存储器存放用户程序，生成用户数据区，存放在RAM中的用户程序可方便地修改。
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。
掉电时，可有效地保持存储的信息。
EPROM、EEPROM都是只读存储器。
用这些类型存储器固化系统管理程序和应用程序。
3．输入输出单元（I/O单元）I/O单元实际上是PLC与被控对象间传递输入输出信号的接口部件。
I/O单元有良好的电隔离和滤波作用。
接到PLC输入接口的输入器件是各种开关、按钮、传感器等。
PLC的各输出控制器件往往是电磁阀、接触器、继电器，而继电器有交流和直流型，高电压型和低电压型，电压型和电流型。
4．电源PLC电源单元包括系统的电源及备用电池，电源单元的作用是把外部电源转换成内部工作电压。
PLC 内有一个稳压电源用于对PLC的CPU单元和I/O单元供电。
5．编程器编程器是PLC的最重要外围设备。
利用编程器将用户程序送入PLC的存储器，还可以用编程器检查程序，修改程序，监视PLC的工作状态。
PLC控制系统概述
3.4 I/O模块
• 模拟量I/O模块是接口模块,它们能够将模拟 量转换为数字量输入(AI模块),也能将数字量 转换为模拟量输出(AO模块). • 数字量I/O模块是输入输出模块，提供了 ON/OFF检测与执行功能。
• 模块装在机架或底板上，通过可拆卸端子 模块连接所有现场方的配线。
3.4.1 模拟量模块的选型
3.4.3 I/O模块的运行
• AB I/O模块采用生产者/消费者模式，这种 通讯模式是一种模块与其它系统设备之间 的智能数据交换，在这种通讯方式中，模 块在处理数据时不需要被轮询。每个硬件 组态中的模块都有自己的电子数据表，支 持通道工程值定标，无需额外编程。 • 在ControlLogix系列中，I/O模块必须从属于 控制器才能发挥作用。控制器存储了它拥 有的每一个模块的组态数据，它通过发送 模块的组态数据来定义模块的性能，使之 在控制系统中开始工作。
• Modicon Quantum I/O模块，支持通道工程 值定标，但不能对所有通道单独定标。
3.5 热备模块
• 热备模块保持主从机架的通讯，在同步期 间检查冗余机架上对等方模块是否兼容， 通过”心跳线”监测主控制器状态，提供主从 控制器程序交叉加载的路径，当主控制器 故障时切换到从控制器。
• 冗余机架上的一对热备模块通过光纤进行 连接。 • Modicon Quantum 140 CPU 67160带热备功 能，冗余配置中不需要热备模块。
• 模拟量模块处理来自外围设备的信号，转 换为控制器所能识别的格式，控制器以一 定的时间间隔轮询各模块，在每次扫描周 期后更新通道值。
• 数字量模块实现外围通断信号与模块内部 ON/OFF低电平信号的相互转换，在程序执 行结束时将执行结果输入或输出。 • 通过以太网模块或者通讯卡可以实现CPU与 HMI之间的通讯，当HMI故障时并不影响系 统的正常运行。
第4章 S7-200 PLC的系统配置
现场用户输出设备 执行器
微处理器（ 微处理器（CPU） ）
输 出 部 件
中间继电器 电磁阀
微处理器（CPU） 微处理器（CPU）
系 统 存 储 器 户 储 扩 接
扩展设备
扩展单元 诊断--电源、PLC工作状态及程序的语法错误； --电源 I/O 工作状态及程序的语法错误 诊断用 电源、PLC工作状态及程序的语法错误； --
PLC系统结构示意图 系统结构示意图
用户存储器—— 用户存储器——功能模块 RAM/EPROM/E2PROM 存放用户工作程序； 存放用户工作程序； 存放工作数据。 存放工作数据。
PLC硬件系统结构组成 PLC硬件系统结构组成
PLC基本单元 基本单元
～110V/220V市电 市电 现场用户输入设备 现场信号 按钮、 按钮、开关 传感器 外部设备 编程设备 计算机 打印机等 通 讯 及 编 程 接 口 系 统 存 储 器 用 户 存 储 器 I/O 扩 展 接 口 输 入 部 件 电源变换器 电 池
PLC基本单元 基本单元
～110V/220V市电 市电 现场用户输入设备 现场信号 按钮、 按钮、开关 传感器 外部设备 编程设备 计算机 打印机等 通 讯 及 编 程 接 口 系 统 存 储 器 用 户 存 储 器 I/O 扩 展 接 口 输 入 部 件 电源变换器 电 池
现场用户输出设备
微处理器（ 微处理器（CPU） ）
返回
4.1.1 基本单元
基本单元（ 模块） 基本单元（S7-200 CPU模块）也称为主机。由中央处理单 模块 也称为主机。 元（CPU）、存储器、数字量输入、输出单元、通信口、 ） 存储器、数字量输入、输出单元、通信口、 以及电源等部分组成。 电源等部分组成 以及电源等部分组成。这些都被紧凑地安装在一个独立的 装置中。基本单元可以构成一个独立的控制系统。 装置中。基本单元可以构成一个独立的控制系统。
plc基本结构及原理
plc基本结构及原理plc基本结构及原理PLC的基本组成可分为两大部分:硬件系统和软件系统。
一、硬件系统：（一）CPU 运算和控制中心：起“心脏”作用。
1、当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中，然后CPU根据系统所赋予的功能(系统程序存储器的解释编译程序)，把用户程序翻译成PLC内部所认可的用户编译程序。
2、输入状态和输入信息从输入接口输进，CPU 将之存入工作数据存储器中或输入映像寄存器。
然后由CPU把数据和程序有机地结合在一起。
把结果存入输出映像寄存器或工作数据存储器中，然后输出到输出接口、控制外部驱动器。
3、组成: CPU由控制器、运算器和寄存器组成。
这些电路集成在一个芯片上。
CPU通过地址总线、数据总线与I/O接口电路相连接。
（二）存储器具有记忆功能的半导体电路。
分为系统程序存储器和用户存储器。
1、系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。
由只读存储器、ROM组成。
厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。
2、用户存储器: 分为用户程序存储区和工作数据存储区。
由随机存取存储器(RAM)组成。
用户使用的。
断电内容消失。
常用高效的锂电池作为后备电源，寿命一般为3~5 年。
（三）输入/输出(I/O )模块输入输出模块简称I/O模块，相当于人的眼睛、跺、鼻子手、脚是联系外部信息和大脑(CPU )的桥梁。
1、输入接口：光电耦合器由两个发光二极度管和光电三极管组成。
发光二极管:在光电耦合器的输入端加上变化的电信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。
光电三极管:在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。
在光电耦合器的线性工作区内，输出信号与输入信号有线性关系。
输入接口电路工作过程:当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。
当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。
向内部电路输入信号。
也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成PLC内部所能接受的数字信号。
PLC概述
编程原则：
触点不能与右母线相联
线圈不能与左母线相联
尽量做到上重下轻,左重右轻,以符合从左到右,自上而下的执行顺序, 并易于编写指令语句表
避免把触点画在垂直线上，无法用指令语句编程
继电器输出：直、交流
三极管输出：直流
通常I/O接口电路上还有I/O接线端子排和状态显示，便于连接和监视。 可以与主板成一体，也可通过插座用电线引出远程放置，实现远程控制及联网
输入接口电路
作用是将生产现场的信号 转换成CPU能接收的TTL 标准电平的数字信号
继电器输出电路
晶体管输出电路
作用是将CPU执行用户程序 所输出的TTL电平的控制信 号转化为生产现场所需的、 能驱动特定设备的信号，以 驱动执行机构
系统程序
2、软件系统
用户程序 PLC除了硬件系统以外，还需要软件系统的支持，它们是相辅相成，缺一不可。
①系统程序
由制造者编制并固化在ROM中，ROM安装在PLC上，随产品提供给用户。包 括管理程序、用户指令解释程序和供系统调用的标准程序模块等。 改进系统程序可以在不改变硬件的情况下大大改善PLC的性能，所以厂商对 系统程序的编制极为重视，使产品和系统程序不断升级和改善。
第三章 可编程序控制器概述
一、PLC的概述
PLC的定义 PLC的发展 PLC的特点 PLC的分类 硬件结构
二、PLC的基本结构
软件结构 输入采样 程序执行 三、PLC的基本工作原理 输出刷新
四、PLC的技术性能指标
五、PLC的通信网络
按钮、行程开关、传感器： 向系统输入控制信号
硬件连线
接触器、执行器件、电磁阀： 控制各种被控对象
晶闸管输出电路
模拟量输入接口电路
模拟量输出接口电路
PLC系统简介
PLC系统简介PLC系统简介PLC控制系统是一种专为工业生产设计的数字运算操作电子装置。
它采用可编程的存储器，用于内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等用户指令，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。
PLC是工业控制的核心部分。
自20世纪60年代美国推出可编程逻辑控制器以来，PLC得到了快速发展并在世界各地得到了广泛应用。
随着计算机技术、信号处理技术、控制技术和网络技术的不断发展以及用户需求的提高，PLC的功能也不断完善。
今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。
基本介绍PLC是一种即时系统，有别于个人电脑。
在传统的以继电器为主的电机控制系统中，每当变更设计时，整个系统几乎都要重新制作，这不仅费时又费力，而且继电器还有接点接触不良、磨损、体积大等缺点，造成成本升高、可靠性低、不易检修等问题。
为了改善这些缺点，美国DEC在1969年首次发表了可编程式控制器（Programmable Controller）。
程式控制器在发表初期被称为Programmable Logic-Controller，简称PLC。
最初的目的是取代继电器，从而执行继电器逻辑及其他计时或计数等功能的顺序控制为主，因此也称为顺序控制器。
其结构也像一部微电脑，因此也可称为微电脑可程式控制器（MCPC）。
直到1976年，XXX正式给予命名为Programmable Controller，即可程式控制器，简称PC。
由于目前个人电脑（Personal Computer）极为普遍，加上常与可程式控制器配合使用，为了区分两者，所以一般都称可程式控制器为PLC以加以分别。
目前市场上有许多种PLC控制器，不同的制造商和适用场所会有所不同，但它们通常可以根据机组复杂度分为大型、中型和小型。
一般工厂和学校通常会使用小型PLC，其中日系F系列和我国A系列PLC最受国人喜爱。
plc第2章s7-300plc系统组成及内部资源(改)修改至20页
● 状态位（STA）：执行位逻辑指令时，用于保存对 应位的状态。
比如下图当调用I0.0时，I0.0的状态保存在STA中， 当调用M0.0时，M0.0的状态会保存在STA中。
● 逻辑运算结果位（RLO）：用来存储执行位逻辑指令 或比较指令的结果。结果为1表示能流通过。
另外CPU和各模块的参数被恢复为默认设置。
如果有存储器卡，CPU在复位后将它里面的用户程 序和系统参数复制到工作存储区。
பைடு நூலகம்位存储器操作：
通电后从STOP 位置扳到MRES 位置，“STOP” LED 熄灭1s，亮1s，再熄灭1s 后保持亮后。
放开开关，使它自动回到STOP位置，然后又扳 回到MRES，“STOP”LED 以2Hz 的频率至少闪动3s， 表示正在执行复位，最后“STOP”LED 一直亮，表 示复位完成。
加减法下溢出（超出负数的 允许范围）
正数绝对值过 大，超出正数浮 点数表示范围
1
1
—
除法或MOD（取余数）指令 的除数为0
非法的浮点数
比如：前面浮点数运算的结果已超出浮点数的表示范围，此结果又要参与本次浮点运 算，就会出现非法的浮点数。
执行比较、移位和循环移位、逻辑指令后的CC1和CC0：
CC1 CC0
第2章 S7-300PLC系统组成及内部资源
2.1 S7-300PLC硬件系统组成
• S7-300由多种模块部件组成，包括导轨（Rack）、电 源模块（PS）、CPU模块、接口模块（IM）、输入输 出模块（SM）、功能模块（FM）、通讯处理器模块 （CP）。各种模块能以不同方式组合在一起，从而可 使控制系统设计更加灵活，满足不同的应用需求。
PLC的通信及联网功能
PLC的通信及联网功能plc的通信包括PLC之间、PLC与上位计算机之间以及PLC与其他智能设备间的通信。
PLC系统与通用计算机可以直接或通过通信处理单元、通信转接器相连构成网络，以实现信息的交换，并可构成“集中管理、分散掌握”的分布式掌握系统，满意工厂自动化(FA)系统进展的需要，各PLC 系统或远程I/O模块按功能各自放置在生产现场分散掌握，然后采纳网络连接构成集中管理的分布式网络系统。
以西门子公司的SIMATICNET为例，在其提出的全集成自动化(TIA)的系统概念中，核心内容即包括组态和编程的集成、数据管理的集成以及通信的集成。
通信网络是这个系统重要的、关键的组件，供应了部件和网络间完善的工业通信。
SIMATICNET包含了三个主要层次：AS-I网——传感器和执行器通信的国际标准，扫描时间5ms，传输媒体为未屏蔽的双绞线，线路长度为300m，最多为31个从站。
PROFIBUS——工业现场总线，用于车间级和现场级的国际标准，传输率最大12m/s，传输媒体为屏蔽双线电缆(最长9.6km)或光缆(最长90km)，最多可接127个从站。
工业以太网——用于区域和单元联网的国际标准，网络规模可达1024站1.5km(电气网络)或200km(光学网络)。
在这一网络体系中，尤其值得一提的是PROFIBUS现场总线，PROFIBUS是目前最胜利的现场总线之一，已得到广泛地应用。
它是不依靠生产厂家的、开放式的现场总线，各种各样的自动化设备均可通过同样的接口交换信息。
为数众多的生产厂家供应了优质的PROFIBUS产品，用户可以自由地选择最合适的产品。
PROFIBUS已经成为德国国家标准DIN19245和欧洲标准prEN50170，并在世界拥有了最多的用户数量。
PLC硬件结构
PLC硬件结构PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）是一种广泛应用于工业控制领域的自动化控制系统，其主要功能是控制工业过程中的机电设备，实现自动化生产。
PLC硬件结构是PLC系统的重要组成部分之一，其包括基本配置、扩展模块、接口等多个方面，本文将对PLC硬件结构进行详细介绍。
一、基本配置PLC硬件结构的基本配置主要包括CPU、电源、输入/输出模块以及编程器等多个方面。
（1）CPUCPU（Central Processing Unit，中央处理器）是PLC的核心部件，其主要负责实时控制和数据处理等功能。
根据具体的应用场景，PLC CPU的性能和配置也会有所差别，从单纯的控制应用到复杂的实时控制和数据处理等应用都需要采用不同级别的CPU。
（2）电源电源模块是PLC系统的能源来源，主要用于为CPU、输入/输出模块和其他扩展模块提供供电。
电源模块可以是AC电源模块或DC电源模块，具体的选择应根据实际情况进行判断，以满足不同的电源要求。
（3）输入/输出模块输入/输出模块是PLC系统的重要组成部分之一，主要用于与外部现场设备进行交互。
输入/输出模块中的输入模块将现场传感器和设备采集到的控制信号转换成PLC中的逻辑信号，而输出模块则将PLC控制信号输出到现场执行器和设备中去。
输入/输出模块可以根据不同的控制需求进行灵活组合和扩展。
（4）编程器编程器是PLC控制程序的编写和参数设置的重要工具，通常采用的是基于Windows系统的编程软件。
编程器可以对PLC系统进行程序编写、参数设置、监控和维护等功能，并可将编制好的程序存储到PLC CPU中，以实现实时控制。
二、扩展模块扩展模块是PLC硬件结构的重要组成部分之一，其能够扩展和增强系统的控制能力。
PLC扩展模块通常包括通信模块、转换模块、计数模块、模拟量输入/输出模块等。
（1）通信模块通信模块是PLC系统与其他设备进行通讯的关键部件，其主要用于实现PLC与其他设备、办公自动化系统、工业以太网、远程网络等进行通信。
PLC控制系统的基本结构
PLC控制系统主要由输入部分、CPU、采样部分、输出控制和通讯部分组成。
输入部分包括控制面板和输入模板；采样部分包括采样控制模板、AD转换模板和传感器；CPU作为系统的核心，完成接收数据，处理数据，输出控制信号；输出部分有的系统用到 DA模板，将输出信号转换为模拟量信号，经过功放驱动执行器；大多数系统直接将输出信号给输出模板，由输出模板驱动执行器工作；通讯部分由通讯模板和上位机组成。
因为PLC本身的故障可能性极小，系统的故障主要来自外围的元部件，所以它的故障可分为如下几种：
输入故障，即操作人员的操作失误；
■传感器故障；
■执行器故障；
■PLC软件故障
这些故障，都可以用合适的故障诊断方法进行分析和用软件进行实时监测，对故障进行预报和处理。
PLC控制系统的故障诊断方法
PLC控制系统故障的宏观诊断
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PLC控制网络的组建与监控
PLC控制网络的组建与监控1. 网络拓扑结构在PLC控制网络的组建过程中，首先需要考虑网络的拓扑结构。
常见的PLC控制网络拓扑结构有总线型、星型、环型和网状型等。
总线型结构是将所有的PLC设备连接到同一条总线上，适用于中小型工业控制系统；星型结构是将所有的PLC设备连接到一个中心设备上，适用于大型工业控制系统；环型结构是将所有的PLC设备按环形连接，适用于需要数据循环传输的系统；网状型结构是将所有的PLC设备进行交叉连接，适用于多节点通信的系统。
根据实际需求和系统规模，选择合适的网络拓扑结构对于PLC控制网络的组建至关重要。
2. 网络通信协议在PLC控制网络中，网络通信协议起着承上启下的关键作用。
常见的网络通信协议有Modbus、Profibus、Ethernet、CAN等。
Modbus协议是一种串行通信协议，适用于简单的数据传输场景；Profibus协议是一种工业领域常用的通信协议，适用于大规模分布式控制系统；Ethernet协议是一种常见的局域网通信协议，适用于高速数据传输场景；CAN协议是一种适用于车载系统和工厂自动化领域的通信协议。
选择合适的网络通信协议可以有效提高系统的通信效率和稳定性。
3. PLC设备选型在PLC控制网络的组建过程中，还需要充分考虑PLC设备的选型问题。
PLC设备的选型应根据工控系统的实际需求、通信协议和性能指标来确定。
通常情况下，PLC设备的选型应从处理器性能、输入输出数量、通信接口、扩展性和可靠性等方面进行全面考量，以确保系统的稳定性和可靠性。
二、PLC控制网络的监控1. 网络状态监控在PLC控制网络运行过程中，对网络的状态进行监控是非常重要的。
网络状态监控主要包括对网络通信的带宽、延迟、丢包率、网络拓扑结构等进行实时监测和分析。
通过对网络状态的监控，可以及时发现网络故障和异常，快速定位和解决问题，保障工控系统的正常运行。
2. 数据通信监控3. 设备运行监控在PLC控制网络中，各个PLC设备的运行状态直接影响整个系统的运行效率和稳定性。
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容错系统
容错系统用于那些对可用性Availability有较 高要求的场合。 目标：努力保证对象生产过程的延续，避 免生产过程的中断。 应用领域： 系统发生故障后再启动的费用非常昂贵。 如发生停机，将会造成重大的经济损失。 容错PLC系统通过采用冗余技术来保证系统 在各种情况下是可用的。即系统中的所有 主要部件都有备份。 需要备份的关键部件有：中央处理单元及 其电源，以及两套中央处理单元间的互连。 系统中的其他部件根据需要选择是否备份。
单通道-转换结构容错系统
Failure of the single-channel, switched I/O
When the I/O fails, the defective I/O is no longer available. In certain failure situations, e.g. failure of a subsystem, a interface module, the singlechannel, switched I/O continues to be available to the process.
中大型PLC vs 小型PLC
编程语言更为丰富，指令集更加强大， 为用户提供了更加丰富的软件工具 冗余技术的引入 网络通信功能的增强 中、大型可编程控制器的主要能力并不 是仅仅表现在大量的I/O处理能力和 CPU、存储器上，更为重要的是体现在 其网络能力上。
Example: 丰富的编程指令
SIEMENS S7-300/400的数据存储器管理
在小型PLC中，用户程序通过编程元件类型标识 访问各个存储器区域，一种类型编程元件对应的存储 区域是线性编址的。例如：输入I、输出Q、外设输入 PI、外设输出PQ、定时器T、计数器C、临时局部数据 L、位存储区M、变量存储区V等。 而对于大型PLC，SIEMENS S7-300/400，可以访问 的存储区包括：输入I、输出Q、 外设输入PI、外设输 出PQ、定时器T、计数器C、临时局部数据L 、位存储 区M和数据块DB。
Example: 容错系统
例：CPU故障 初始状态:系统重新处于冗余模式
– 1. CPU0 故障 Result: CPU1 进入单独运行模式， 用户程序继续执行 – 2. CPU0 恢复 Result: CPU0 执行自动链入和更 新操作，然后 CPU0 投入运行模式，作为备份 CPU运行 – 系统重新处于冗余模式
冗余PLC系统
冗余可编程控制器系统 （容错系统与安全保护系统） 在许多情况下，对生产设备有容错和安全保护的要求。 对于不停机连续工作有严格要求时使用容错系统。 安全保护系统在被保护系统失效或故障时，能够立即 终止生产过程，使系统进入安全状态，以防恶性故障 的发生。
Example: 冗余PLC系统
数据块DB可以被指定为对所有用户程序“共享” 的(Shared DB)，也可以专属于某个程序块(Instance DB)。
SIEMENS S7-300/400的Shared DB
用户可以根据需要建立数据块和并指定数据块的大小。
SIEMENS S7-300/400数据块的使用
访问数据块DB中的数据： 绝对地址：DB42.DBW2， DB2.DBB3 使用指令打开数据块，然后访问数据 OPN DB42 L DBW2 在程序中的使用： 共享数据块Shared DB 情景数据块Instance DB
容错系统
容错系统中的冗余节点 在一个1-out-of-2 容错系统中，冗余节点中一个 部件的故障不会影响整个系统的运行。
Example: 容错系统
The system consists of two redundant configured subsystems that are synchronized via fiber-optic cables. The two subsystems create a fault-tolerant PLC operating with a two-channel (1-out-of-2) structure on the “active redundancy” principle. Active redundancy means that all redundant resources are constantly in operation and are simultaneously involved in the execution of the control task.
单通道-单边结构容错系统
除了对CPU冗余外，还可以根据需要对I/O进行冗余。 单通道-单边结构 I/O：single input/output modules are present (single-channel). The input/output modules are located in just one of the subsystems and are only addressed by that subsystem.
单通道-单边结构容错系统
Information read in on one side is transferred automatically to the second subsystem via the synchronization link in the Redundant system mode. In Solo mode, the one-sided I/O assigned to the cooperating subsystem cannot be accessed. You have to assign functions to the single-channel, onesided I/O that can only be performed conditionally. In this way you make sure that certain functions for I/O accesses are triggered only in the Redundant system mode and in Solo mode of the subsystem concerned. Failure of the single-channel, one-sided I/O When the I/O fails, the defective I/O is no longer available. When a subsystem fails, the entire process I/O of that subsystem is not available any more.
This is achieved by switch-over between the active and slave channel. This switch-over takes place separately for each station.
双通道结构容错系统
双通道I/O配置将相同的I/O模块安装在两个 冗余子系统内，无论CPU还是I/O失效都可以 被容错，为系统连续工作提供了最大可能性。
单通道-转换结构容错系统
In Redundant mode, in principle each subsystem may access single-channel switched I/O. The information is automatically transferred over the synchronization link and compared. An identical value is available to the two subsystems at all times owing to the synchronized access. The system only ever uses one of the interfaces at any given time. The path via the currently active interface is described as the active channel and the path via the other interface as the passive channel. However, only the input and output values of the active channel are processed in the user program or output to the I/O.
安全保护系统
安全保护系统用于那些对系统运行安全 有较高要求的场合。 目标：控制生产过程能够立即返回安全 状态。 安全PLC系统同样通过采用冗余技术来保 证系统的安全。
中、大型可编程控制器系统的冗余
冗余PLC CPU冗余 整体冗余（CPU 和 I/O） 冗余PLC应用 容错 安全
单通道-转换结构容错系统
单通道-转换结构 I/O：single input/output modules are present (single-channel). In Redundant mode they may be addressed by both subsystems. In Solo mode, the master subsystem can always address all switched I/O. The non-master subsystem cannot address switched.
中、大型可编程控制器系统
随着被控对象的不断发展，人们 对生产实际不断提出更高、更广泛的 要求，以及微电子技术、计算机、通 讯等技术的进步，都促使高性能的中、 大型可编程控制器的迅速发展。不论 是在CPU性能、I/O点数、智能处理、 网络通讯、监控等方面都远远超过小 型可编程控制器。