1 PLC 控制系统硬件构成及功能

PLC 控制系统由 CPU 控制模块、电源模块、输入 ／ 输出 I ／ O（Input Module ／ Output Module）接口卡件 、辅助设备及现场测量与控制仪表或设备等组成。 现场测量仪表或设备的模拟量输入信号（Analog Input）、数字量输入信号（Digital Input）接入PLC 控 制器输入接口 I ／ O 卡 件上 ，PLC 控 制器 CPU 控 制模块对现场测量信号进行采集、处理、运算后，通过 PLC 控制器输出接口 I／O 卡件，将模拟量输出信号（Analog Output）或数字量输出信号（Digital Output）送出，去驱动连接在 PLC 控制器输出I ／ O 接口卡件上的现场控制仪表或设备动作， 从而实现对工艺生产过程监测与控制。

2 PLC 控制系统软件构成及功能

PLC 控制系统软件由系统软件、 工程应用软件及工具软件组成。

系统软件由 PLC 控制器随机配套提供， 安装在 PLC 控制器系统程序存储器内，相当于计算机的操作系统，为 PLC 控制器应用软件提供运行平台。

工程应用软件是自控设计人员根据工艺操作管理要求，按着具体 PLC 控制器提供应用软件编程技术手册进行编写。 它将满足工艺现场温度、压力、液位、流量、分析等仪表信号采集处理及对现场调节阀、开关阀、机泵等仪表设备控制要求。 工程应用软件一般在个人计算机或编成器内编写生成， 然后下装到 PLC控制器应用程序存储器内。

工具软件由 PLC 控制器随机配套提供，为自控设计人员提供工程应用软件编写方式、软件编写技术要求及软件运行环境。通常 PLC 控制器提供梯形图、指令表、逻辑功能图、高级语言等编程方式。

3 PLC 控制器硬件与软件关联技术

工程应用软件是 PLC 控制系统硬件与软件关联技术核心，我们以梯形图编程方式为例，来描述其硬件与软件关联技术。 通过描述工程应用软件编写过程，解析 PLC 控制器硬件与软件关联技术各个环节。

梯形图编程方式为我们提供了各种编程元件， 像传统的电气元件一样，如各种开关、触点、继电器、定时器、计数器等，采用软件的方式实现硬件功能。 采用梯形图编程方式编写程序，类似设计电气逻辑控制原理图一样，编写成串联、并联、联锁等电气连接关系。 因此在采用梯形图方式编写应用程序时，就要像了解各种物理电气元件工作原理及使用方法一样， 去了解各种编程元件的工作原理及使用方法。

为了更好地解析 PLC 控制系统硬件和软件关联技术，我们可把梯形图编程方式中的编程元件分为“外部编程元件”和“内部编程元件”。

“外部编程元件 ”：在用梯形图编程方式编制工程应用软件过程中， 将 PLC 控制器输入 ／ 输出 I／O 接口卡件上所连接的现场测控仪表和设备，用相应的编程元件来表示，让梯形图中所表示的编程元件及其编码地址与连接在输入 ／ 输出 I／O 卡件上的现场测控仪表和设备一一对应起来， 我们将这些编程元件称为“外部编程元件”。 “外部编程元件”与控制系统的硬件具有一一对应性和唯一性， 通过梯形图这种编程方式将软件与硬件进行连接。 ①对外采集仪表或设备输入信号，如：现场温度、压力、液位、流量、分析仪表检测及设备状态信号。②对外输出控制信号，如：调节阀、开关阀、机泵等控制信号。

“内部编程元件 ”：在以梯形图编程方式编制工程应用软件过程中，为了满足各种逻辑控制、运算及工艺过程控制要求，梯形图编程方式提供多种编程元件，类似电气元件一样，如开关、触点、定时器、计数器等，这些编程元件我们称为“内部编程元件”。 “内部编程元件”具有灵活性和多样性，根据工艺生产过程控制要求，设计人员将这些编程元件进行各种组合和连接，以满足各种数据处理和逻辑控制功能。

4 上位计算机与 PLC 控制器之间硬件关联技术

虽然 PLC 控制器可实现生产过程自动控制功能，但在大多数工艺过程控制系统中，仅仅实现自动控制是不够的，在许多情况下, 操作管理人员需要借助人机界面，对工艺过程及控制系统本身进行实时监控。 通过人机界面可以增加人机交互的能力，不但使操作人员能够实时地监控 PLC 控制系统工作情况，同时也可实时地监控工艺生产过程运行情况。 因此采用 PLC 控制器与工业控制计算机组合方式，成为当今 PLC 控制系统普遍采用的设计方案。

PLC 控制器作为下位机，完成数据采集、状态判别、输出控制等；工业控制计算机作为上位计算机，完成采集数据信息的存储、分析处理、状态显示以及打印输出等。 这种控制系统设计方案充分利用了计算机和 PLC 控制器各自技术特点，利用硬件和软件的关联技术，实现了优势互补，从而得到了广泛的应用。上位计算机硬件主要是由主机、通信网卡、显示器、鼠标、键盘、打印机等组成，上位计算机与 PLC 控制器硬件连接一般采用 RS－232／485 接口的串行方式。

5 上位计算机与 PLC 控制器之间软件关联技术

上位计算机软件主要由操作系统软件、监控组态软件、数据应用软件组成。 监控组态软件是上位计算机与 PLC 控制器之间软件关联技术核心。 监控组态软件具有通信协议一致性、通信端口控制及通信端口初始化等功能， 实现上位计算机对 PLC 控制器存储器中的编程元件状态进行读、写、强制 ON、强制 OFF 等操作。 这样上位计算机可从 PLC 控制器存储器中读取数据， 或向PLC 控制器存储器写入数据，这些数据与现场测控仪表运行数据一一对应。 根据操作人员的需要由上位计算机将这些数据进行显示和处理，变成操作人员可利用的数据形式（如：动态的工艺流程图、工艺参数、趋势图、报警画面等）。 操作人员利用上位计算机显示器上的人机界面， 通过 PLC 控制器采集现场检测仪表信号或发送控制信号至现场控制仪表，这样就建立了上位计算机硬件和软件与 PLC 控制器硬件和软件相互之间的双重连接。

6 PLC 控制系统硬件和软件设计技术

硬件设计主要包括 PLC 控制器 CPU 控制模块、输入 ／ 输出I ／ O 接口卡件、现场测控仪表、辅助设备选型、配置、安装等方面设计。 在硬件设计过程中确保 PLC 控制器输入 ／ 输出 I／O 接口卡件与现场测控仪表之间电气性能匹配， 满足工艺生产装置操作要求。

软件设计是根据生产工艺操作管理要求，利用 PLC 控制器专门提供的编程工具软件和 PLC 控制器软件编制手册要求进行工程应用软件设计。 在软件设计过程中确保“外部编程元件”与连接在 PLC 控制器输入 ／ 输出 I／O 接口卡件上的现场测控仪表匹配，同时“内部编程元件”选择使用、程序执行顺序、各种编程元件相互连接关系，均要满足工艺生产装置操作要求。在上位计算机 Windows 操作系统环境下，自控设计人员编写（或称组态）上位计算机监控组态软件，建立一个人机界面。 这样操作管理人员通过该人机界面， 可很方便地实现对生产工艺全过程进行监控。 上位计算机监控组态软件具有较强大的数据处理功能，可实现对数据进行更深层次的加工、处理和分析，如仪表量程调整，报警值设定，流程画面动态显示，报表输出打印等。 可提供不同数据形式以满足不同用户的需求，如操作人员需要现场实时监控画面，工艺工程师需要运行数据分析，管理人员需要成本核算数据等，使得人机界面更加丰富和友好。