1 PLC 控制系統硬件構成及功能

PLC 控制系統由 CPU 控制模塊、電源模塊、輸入 ／ 輸出 I ／ O（Input Module ／ Output Module）接口卡件 、輔助設備及現場測量與控制儀表或設備等組成。 現場測量儀表或設備的模擬量輸入信號（Analog Input）、數字量輸入信號（Digital Input）接入PLC 控 制器輸入接口 I ／ O 卡 件上 ，PLC 控 制器 CPU 控 制模塊對現場測量信號進行采集、處理、運算后，通過 PLC 控制器輸出接口 I／O 卡件，將模擬量輸出信號（Analog Output）或數字量輸出信號（Digital Output）送出，去驅動連接在 PLC 控制器輸出I ／ O 接口卡件上的現場控制儀表或設備動作， 從而實現對工藝生產過程監測與控制。

2 PLC 控制系統軟件構成及功能

PLC 控制系統軟件由系統軟件、 工程應用軟件及工具軟件組成。

系統軟件由 PLC 控制器隨機配套提供， 安裝在 PLC 控制器系統程序存儲器內，相當于計算機的操作系統，為 PLC 控制器應用軟件提供運行平臺。

工程應用軟件是自控設計人員根據工藝操作管理要求，按著具體 PLC 控制器提供應用軟件編程技術手冊進行編寫。 它將滿足工藝現場溫度、壓力、液位、流量、分析等儀表信號采集處理及對現場調節閥、開關閥、機泵等儀表設備控制要求。 工程應用軟件一般在個人計算機或編成器內編寫生成， 然后下裝到 PLC控制器應用程序存儲器內。

工具軟件由 PLC 控制器隨機配套提供，為自控設計人員提供工程應用軟件編寫方式、軟件編寫技術要求及軟件運行環境。通常 PLC 控制器提供梯形圖、指令表、邏輯功能圖、高級語言等編程方式。

3 PLC 控制器硬件與軟件關聯技術

工程應用軟件是 PLC 控制系統硬件與軟件關聯技術核心，我們以梯形圖編程方式為例，來描述其硬件與軟件關聯技術。 通過描述工程應用軟件編寫過程，解析 PLC 控制器硬件與軟件關聯技術各個環節。

梯形圖編程方式為我們提供了各種編程元件， 像傳統的電氣元件一樣，如各種開關、觸點、繼電器、定時器、計數器等，采用軟件的方式實現硬件功能。 采用梯形圖編程方式編寫程序，類似設計電氣邏輯控制原理圖一樣，編寫成串聯、并聯、聯鎖等電氣連接關系。 因此在采用梯形圖方式編寫應用程序時，就要像了解各種物理電氣元件工作原理及使用方法一樣， 去了解各種編程元件的工作原理及使用方法。

為了更好地解析 PLC 控制系統硬件和軟件關聯技術，我們可把梯形圖編程方式中的編程元件分為“外部編程元件”和“內部編程元件”。

“外部編程元件 ”：在用梯形圖編程方式編制工程應用軟件過程中， 將 PLC 控制器輸入 ／ 輸出 I／O 接口卡件上所連接的現場測控儀表和設備，用相應的編程元件來表示，讓梯形圖中所表示的編程元件及其編碼地址與連接在輸入 ／ 輸出 I／O 卡件上的現場測控儀表和設備一一對應起來， 我們將這些編程元件稱為“外部編程元件”。 “外部編程元件”與控制系統的硬件具有一一對應性和唯一性， 通過梯形圖這種編程方式將軟件與硬件進行連接。 ①對外采集儀表或設備輸入信號，如：現場溫度、壓力、液位、流量、分析儀表檢測及設備狀態信號。②對外輸出控制信號，如：調節閥、開關閥、機泵等控制信號。

“內部編程元件 ”：在以梯形圖編程方式編制工程應用軟件過程中，為了滿足各種邏輯控制、運算及工藝過程控制要求，梯形圖編程方式提供多種編程元件，類似電氣元件一樣，如開關、觸點、定時器、計數器等，這些編程元件我們稱為“內部編程元件”。 “內部編程元件”具有靈活性和多樣性，根據工藝生產過程控制要求，設計人員將這些編程元件進行各種組合和連接，以滿足各種數據處理和邏輯控制功能。

4 上位計算機與 PLC 控制器之間硬件關聯技術

雖然 PLC 控制器可實現生產過程自動控制功能，但在大多數工藝過程控制系統中，僅僅實現自動控制是不夠的，在許多情況下, 操作管理人員需要借助人機界面，對工藝過程及控制系統本身進行實時監控。 通過人機界面可以增加人機交互的能力，不但使操作人員能夠實時地監控 PLC 控制系統工作情況，同時也可實時地監控工藝生產過程運行情況。 因此采用 PLC 控制器與工業控制計算機組合方式，成為當今 PLC 控制系統普遍采用的設計方案。

PLC 控制器作為下位機，完成數據采集、狀態判別、輸出控制等；工業控制計算機作為上位計算機，完成采集數據信息的存儲、分析處理、狀態顯示以及打印輸出等。 這種控制系統設計方案充分利用了計算機和 PLC 控制器各自技術特點，利用硬件和軟件的關聯技術，實現了優勢互補，從而得到了廣泛的應用。上位計算機硬件主要是由主機、通信網卡、顯示器、鼠標、鍵盤、打印機等組成，上位計算機與 PLC 控制器硬件連接一般采用 RS－232／485 接口的串行方式。

5 上位計算機與 PLC 控制器之間軟件關聯技術

上位計算機軟件主要由操作系統軟件、監控組態軟件、數據應用軟件組成。 監控組態軟件是上位計算機與 PLC 控制器之間軟件關聯技術核心。 監控組態軟件具有通信協議一致性、通信端口控制及通信端口初始化等功能， 實現上位計算機對 PLC 控制器存儲器中的編程元件狀態進行讀、寫、強制 ON、強制 OFF 等操作。 這樣上位計算機可從 PLC 控制器存儲器中讀取數據， 或向PLC 控制器存儲器寫入數據，這些數據與現場測控儀表運行數據一一對應。 根據操作人員的需要由上位計算機將這些數據進行顯示和處理，變成操作人員可利用的數據形式（如：動態的工藝流程圖、工藝參數、趨勢圖、報警畫面等）。 操作人員利用上位計算機顯示器上的人機界面， 通過 PLC 控制器采集現場檢測儀表信號或發送控制信號至現場控制儀表，這樣就建立了上位計算機硬件和軟件與 PLC 控制器硬件和軟件相互之間的雙重連接。

6 PLC 控制系統硬件和軟件設計技術

硬件設計主要包括 PLC 控制器 CPU 控制模塊、輸入 ／ 輸出I ／ O 接口卡件、現場測控儀表、輔助設備選型、配置、安裝等方面設計。 在硬件設計過程中確保 PLC 控制器輸入 ／ 輸出 I／O 接口卡件與現場測控儀表之間電氣性能匹配， 滿足工藝生產裝置操作要求。

軟件設計是根據生產工藝操作管理要求，利用 PLC 控制器專門提供的編程工具軟件和 PLC 控制器軟件編制手冊要求進行工程應用軟件設計。 在軟件設計過程中確保“外部編程元件”與連接在 PLC 控制器輸入 ／ 輸出 I／O 接口卡件上的現場測控儀表匹配，同時“內部編程元件”選擇使用、程序執行順序、各種編程元件相互連接關系，均要滿足工藝生產裝置操作要求。在上位計算機 Windows 操作系統環境下，自控設計人員編寫（或稱組態）上位計算機監控組態軟件，建立一個人機界面。 這樣操作管理人員通過該人機界面， 可很方便地實現對生產工藝全過程進行監控。 上位計算機監控組態軟件具有較強大的數據處理功能，可實現對數據進行更深層次的加工、處理和分析，如儀表量程調整，報警值設定，流程畫面動態顯示，報表輸出打印等。 可提供不同數據形式以滿足不同用戶的需求，如操作人員需要現場實時監控畫面，工藝工程師需要運行數據分析，管理人員需要成本核算數據等，使得人機界面更加豐富和友好。