模块来实现对工业设备或生产过程的检测、控制和联网通信。各个生产厂家都有各自的模块系列 供用户选用。PLC模块包括：如下几种类型 1)数字量0模块：完成数字量信号的输入输出，一般替代继电器逻辑控制。数字量输入 模块的技术指标有：输入点数、公共端极性、隔离方式、电源电压、输入电压和输出电流等：数 学量输出模块的技术指标有：输出形式、输出点数、公共端极性、隔离方式、电源电压、输出电 流、响应时间和开路端电流等。 2)模拟量1O模块：控制系统中，经常要对电流、电压、温度、压力、流量、位移和速度等 模拟量进行信号采集和输入给CPU进行判断和控制，模拟量输入模块就是用来将这些模拟量输 信号转换成P℃能够识别的数字量信号的模块，模拟量输入模块的技术指标包括：输入点数、隔 离方式、转换方式、转换时间、输入范围、输入阻抗和吩辨率等。模拟量输出模块就是将CPU输 出的数字信息变换成电压或电流对电磁阀、电磁铁和其他模拟量执行机构进行控制，它的技术指 标包括：输出点数、隔离方式、转换时间、输出范围、负载电阻和分辨率等 3)专用和智能接口模块：上述的接口模块都是在PC的扫描方式下工作的，能满足一般的继 电器逻辑控制和回路调节控制，然而对于同上位机通信、控制CT和其他显示器、连接各种传感 器和其他驱动装置等工作需要专门的接口模块完成。专用和智能接口模块主要有：扩展接口模块 通信模块、CRT/LCD控制模块、PD控制模块、高速计算模块、快速响应模块和定位模块等 (4)编程器为用户提供程序的编制、编辑、调试和监控的专用工具，还可以通过其键盘 去调用和显示PC的一些内部状态和系统参数。它通过通信端口与CPU联系，完成人机对话功能。 各个厂家为自己的C提供专用的编程器，不同品牌的C编程器一般不能互换使用。 (5)外部设备 般PC都可以配置打印机、EPROM写入器、高分辨率大屏幕显示器等外 围设备。 2、PC的性能特点 (I)存储器可以是带有电源保护的RAM、EPROM或EEPROM, (2)数字量输入输出端子具有继电逻辑控制中的输入输出继电器功能，端子点数多少是 决定PC的控制规模的主要参数。 (3)计数器和定时器在P℃的逻辑顺序控制中，替代继电器逻辑控制中的时间继电器和计 数继电器 (4)标志（软继电器）在PC的逻辑顺序控制中用作中间继电器，其中部分的标志具有保 持作用。 (5)平均扫描时间指扫描用户程序的时间，决定了PC的控制响应速度。 (6)诊断由通电检查和故障指示的软件完成 (7)桶信接口一般采用S232接口标准。可以连接打印机和上位机等设备 (8)编程语言 -般采用继电器控制方式的梯形图语言和语句表，并在此基础上建立的控 制系统流程图和顺序功能图等语言。 除上述一般特性外，高性能的C还具有下列特性 (9)数据传送和矩阵处理功能可以满足工厂管理的需要。 (IO)PD调节功能各有模拟量的输入输出模块和PID调节控制软件包，以满足闭环控制 的要求。 (1I)远程VO功能输入输出通道可分散安装在被控设备的附近，以减少现场电缆布线利 系统成本。 (12)图形显示功能借助图形显示软件包（组态软件等），可显示被控设备的运行状态。 方便操作者监控系统的运行
11 模块来实现对工业设备或生产过程的检测、控制和联网通信。各个生产厂家都有各自的模块系列 供用户选用。PLC 模块包括：如下几种类型： 1）数字量 I/O 模块：完成数字量信号的输入/输出，一般替代继电器逻辑控制。数字量输入 模块的技术指标有：输入点数、公共端极性、隔离方式、电源电压、输入电压和输出电流等；数 字量输出模块的技术指标有：输出形式、输出点数、公共端极性、隔离方式、电源电压、输出电 流、响应时间和开路端电流等。 2）模拟量I/O模块：控制系统中，经常要对电流、电压、温度、压力、流量、位移和速度等 模拟量进行信号采集和输入给 CPU进行判断和控制，模拟量输入模块就是用来将这些模拟量输入 信号转换成 PC 能够识别的数字量信号的模块，模拟量输入模块的技术指标包括：输入点数、隔 离方式、转换方式、转换时间、输入范围、输入阻抗和分辨率等。模拟量输出模块就是将 CPU输 出的数字信息变换成电压或电流对电磁阀、电磁铁和其他模拟量执行机构进行控制，它的技术指 标包括：输出点数、隔离方式、转换时间、输出范围、负载电阻和分辨率等 3）专用和智能接口模块：上述的接口模块都是在PC 的扫描方式下工作的，能满足一般的继 电器逻辑控制和回路调节控制，然而对于同上位机通信、控制 CRT 和其他显示器、连接各种传感 器和其他驱动装置等工作需要专门的接口模块完成。专用和智能接口模块主要有：扩展接口模块、 通信模块、CRT/LCD 控制模块、PID 控制模块、高速计算模块、快速响应模块和定位模块等 （4）编程器 为用户提供程序的编制、编辑、调试和监控的专用工具，还可以通过其键盘 去调用和显示 PC的一些内部状态和系统参数。它通过通信端口与 CPU联系，完成人机对话功能。 各个厂家为自己的 PC 提供专用的编程器，不同品牌的 PC 编程器一般不能互换使用。 （5）外部设备 一般PC 都可以配置打印机、EPROM写入器、高分辨率大屏幕显示器等外 围设备。 2、PC 的性能特点 （1）存储器 可以是带有电源保护的RAM、EPROM 或 EEPROM。 （2）数字量输入/输出端子 具有继电逻辑控制中的输入/输出继电器功能，端子点数多少是 决定 PC 的控制规模的主要参数。 （3）计数器和定时器 在PC 的逻辑顺序控制中，替代继电器逻辑控制中的时间继电器和计 数继电器。 （4）标志（软继电器） 在PC的逻辑顺序控制中用作中间继电器，其中部分的标志具有保 持作用。 （5）平均扫描时间 指扫描用户程序的时间，决定了PC 的控制响应速度。 （6）诊断 由通电检查和故障指示的软件完成 （7）通信接口 一般采用 RS232 接口标准，可以连接打印机和上位机等设备。 （8）编程语言 一般采用继电器控制方式的梯形图语言和语句表，并在此基础上建立的控 制系统流程图和顺序功能图等语言。 除上述一般特性外，高性能的 PC 还具有下列特性： （9）数据传送和矩阵处理功能 可以满足工厂管理的需要。 （10）PID调节功能 备有模拟量的输入/输出模块和PID调节控制软件包，以满足闭环控制 的要求。 （11）远程I/O功能 输入/输出通道可分散安装在被控设备的附近，以减少现场电缆布线和 系统成本。 （12）图形显示功能 借助图形显示软件包（组态软件等），可显示被控设备的运行状态。 方便操作者监控系统的运行
(13)冗余控制控制系统设计中，备用一台同样的PC系统作为待机状态，当原系统出现故 障时，系统会自动切换，使待机的PC投入运行，从而提高控制的可靠性 (4)网路功能通过数据通道与其他数台PC连接或与管理计算机连接，以构成控制网络， 实现大规模生产管理系统。 3、PC的结构特点 PC的结构分成单元式和模块式两种。 (1)单元式特点是结构紧凑、体积小、成本低、安装方便。它是将所有的电路都装在 个机箱内，构成一个整体。为了实现输入输出点数的灵活配置和易于扩展，通常都有不同点数的 基本单元和时扩展单元，其中某些单元为全输入和全输出型。 (2)采用积木式组成方式在机架上按需要插上CPU、电源、IVO模块、及各种特殊功能模 块，构成一个综合控制系统。这种结构的特点是CPU与各种接口模块都是独立的模块，因此配置 很灵活，可以根据不同的系统规模要求选用不同档次的CPU等各种模块。由于不同档次模块的 构尺寸和连接方式相同，对O点数很多的系统选型、安装调试、扩展、维护都非常方便。目前 大的PC控制系统均采用该种结构。这种结构形式的PC除了各种模块外，还需要用主基板、扩展 基板及基板间连接电缆将各模块联成整体。 四、总线工控机 总线工控机是目前工业领域应用相当广泛的工业控制计算机，它具有丰富的过程输入输出接 口功能、迅速响应的实时功能和环境适应能力。总线工控机的可靠性较高，如：STD总线工控机 的使用寿命达到数十年，平均故障间隔时间(MTBF)超过上万小时，且故障修复时间(MTTR) 较短。总线工控机的标准化、模板式设计大大简化了设计和维修难度，且系统配置的丰富的应用 软件多以结构化和组态软件形式提供给用户，使用户能够在较短的时间内掌握和熟练应用。 下面介绍两类在工业现场得到广泛使用的工业控制机。 1、STD总线工业控制机 STD总线最早是由美国的PO0g公司在1978年推出的，是目前国际上工业控制领域最流行 的标准总线之一，也是我国优先重点发展的工业标准微机总线之一，它的正式标准为E正正一961 标准。按STD总线标准设计制造的模块式计算机系统，称为STD总线工业控制机。 开发STD总线的最初目的是为了推广一个面向工业控制的8位机总线系统。STD标准可以 支持几乎所有的8位处理机。如ntd的8080，Motorola的6800，Zlog公司的Z80,Nationnal公 司的NSC800等。在16位机大量生产之后，改进型的STD总线可支持16位处理机，如808 68000,80286等。为了进一步提高STD总线系统的性能，新近已推出了STD32位总线
12 （13）冗余控制 控制系统设计中，备用一台同样的PC 系统作为待机状态，当原系统出现故 障时，系统会自动切换，使待机的PC 投入运行，从而提高控制的可靠性。 （14）网络功能 通过数据通道与其他数台PC 连接或与管理计算机连接，以构成控制网络， 实现大规模生产管理系统。 3、PC 的结构特点 PC 的结构分成单元式和模块式两种。 （1）单元式 特点是结构紧凑、体积小、成本低、安装方便。它是将所有的电路都装在一 个机箱内，构成一个整体。为了实现输入输出点数的灵活配置和易于扩展，通常都有不同点数的 基本单元和扩展单元，其中某些单元为全输入和全输出型。 （2）采用积木式组成方式 在机架上按需要插上 CPU、电源、I/O模块、及各种特殊功能模 块，构成一个综合控制系统。这种结构的特点是 CPU与各种接口模块都是独立的模块，因此配置 很灵活，可以根据不同的系统规模要求选用不同档次的 CPU 等各种模块。由于不同档次模块的结 构尺寸和连接方式相同，对 I/O 点数很多的系统选型、安装调试、扩展、维护都非常方便。目前 大的PC 控制系统均采用该种结构。这种结构形式的 PC除了各种模块外，还需要用主基板、扩展 基板及基板间连接电缆将各模块联成整体。 四、总线工控机 总线工控机是目前工业领域应用相当广泛的工业控制计算机，它具有丰富的过程输入/输出接 口功能、迅速响应的实时功能和环境适应能力。总线工控机的可靠性较高，如：STD 总线工控机 的使用寿命达到数十年，平均故障间隔时间（MTBF）超过上万小时，且故障修复时间（MTTR） 较短。总线工控机的标准化、模板式设计大大简化了设计和维修难度，且系统配置的丰富的应用 软件多以结构化和组态软件形式提供给用户，使用户能够在较短的时间内掌握和熟练应用。 下面介绍两类在工业现场得到广泛使用的工业控制机。 1、STD 总线工业控制机 STD总线最早是由美国的Pro-log公司在 1978年推出的，是目前国际上工业控制领域最流行 的标准总线之一，也是我国优先重点发展的工业标准微机总线之一，它的正式标准为 IEEE—961 标准。按 STD 总线标准设计制造的模块式计算机系统，称为 STD 总线工业控制机。 开发 STD 总线的最初目的是为了推广一个面向工业控制的 8 位机总线系统。STD 标准可以 支持几乎所有的 8位处理机。如Intel 的 8080，Motorola 的6800，Zilog 公司的 Z80，Nationnal公 司的 NSC800 等。在 16 位机大量生产之后，改进型的 STD 总线可支持 16 位处理机，如 8086， 68000，80286 等。为了进一步提高 STD 总线系统的性能，新近已推出了 STD32 位总线
在储器 数字税备代 业I/G 50 传器 能外 其他插 用户接口 图5-13用STD总线工业控制机组成的计算机控制系统 STD总线工业控制机采用了开放式的系统结构，模块化是STD总线工业控制机设计思想中 最突出的特点，其系统组成没有固定的模式和标准机型，而是提供了大量的功能模板，用户根据 需要，通过对模板的品种和数量的选择与组合，即可配置成适用于不同工业对象、不同生产规 的生产过程的工业控制机。现在SD工业控制机已广泛应用于工业生产过程控制、工业机器人、 数控机床、钢铁治金、石油化工等各个领域，成为我国中小型企业和传统工业改造方面主要的机 型之一。 典型STD总线工控机系统的构成如图513所示，其突出特点是：模块化设计，系统组成、 修致和时展方便：各模块间相对独立，使检测、调试、故障查找简便迅速：有多种功能模板可供 选用，大大减少了硬件设计工作量：系统中可运行多种操作系统及系统开发的支持软件，使控制 软件开发的难度大幅降低。因此，在用STD总线进行控制系统设计的主要硬件设计工作是选择合 适的标准化功能模板，并将这些模板通过STD总线连接成所需的控制装置。下面分别介绍各种模 板的特点 (1)数字量/0模板数字量/O模板用于处理开关信号的输入和输出，其主要功能是滤 波、电平转换、电气隔离和功率动等。工业上常用的开关信号有BCD码、计数和定时信号、 各种开关的状态、指示灯的亮和灭、品闸管的导通和截止、电动机的启动和停止等等。这些开关 3
13 图 5-13 用 STD 总线工业控制机组成的计算机控制系统 STD 总线工业控制机采用了开放式的系统结构，模块化是 STD 总线工业控制机设计思想中 最突出的特点，其系统组成没有固定的模式和标准机型，而是提供了大量的功能模板，用户根据 需要，通过对模板的品种和数量的选择与组合，即可配置成适用于不同工业对象、不同生产规模 的生产过程的工业控制机。现在STD 工业控制机已广泛应用于工业生产过程控制、工业机器人、 数控机床、钢铁冶金、石油化工等各个领域，成为我国中小型企业和传统工业改造方面主要的机 型之一。 典型 STD 总线工控机系统的构成如图 5-13 所示，其突出特点是：模块化设计，系统组成、 修改和扩展方便；各模块间相对独立，使检测、调试、故障查找简便迅速；有多种功能模板可供 选用，大大减少了硬件设计工作量；系统中可运行多种操作系统及系统开发的支持软件，使控制 软件开发的难度大幅降低。因此，在用 STD总线进行控制系统设计的主要硬件设计工作是选择合 适的标准化功能模板，并将这些模板通过 STD总线连接成所需的控制装置。下面分别介绍各种模 板的特点。 （1）数字量 I/O 模板 数字量 I/O 模板用于处理开关信号的输入和输出，其主要功能是滤 波、电平转换、电气隔离和功率驱动等。工业上常用的开关信号有 BCD 码、计数和定时信号、 各种开关的状态、指示灯的亮和灭、晶闸管的导通和截止、电动机的启动和停止等等。这些开关
信号可通过数字量I/0模板经总线与CPU模板相连。针对不同的开关信号，有各种各样的数字量 IV0模板可供进用。图514是一种典型的数字量VO模板电路原理 SD总线表0泛积 0功十0电气按口 数所印站 A2-A7☐ 40-A A0-A1 →四 RESET 图5.14数字量/O模板原理框图 (2)模拟量V0模板模拟量V0模板用于处理模拟信号的输入和输出，其主要功能是对 微处理机和被控对象之间的模拟信号进行AD和DA转换。STD总线工控机也有多种多样的 拟量VO模板可供选用，图515所示是一种光电隔离型AD模板的结构示意图，DA模板的结构 与之类似。在模板洗用时主要考虑系统中信号的最高领率、申平范用、信号激量等参数及系统对 信号的转换速度、精度及分辨率等要求，以既满足控制系统需要又不造成过大的浪费为原则 图5-15光电隔离型AD模板的结构示意图 (3)信号调理模板信号调理模板用于在传感器与AWD转换器之间、DA转换器与执行元 件之间对信号进行调理，其主要功能有非电量转换、信号形式变换、信号放大、滤波、线性化 共模抑制及隔离等。典型的信号调理模板产品有热电偶、热电阻、V(电流/电压)转换、前置 放大板、隔离放大板等。图5.16是信号调理模板的应用事例。信号调理模板应根据传感器与执行 机构的要求来匹配，并应充分地考虑信号的信噪比、放大增益的可调范围、零点的调整方法、滤 波的通带增益和阻带度减率等参数
14 信号可通过数字量I/O模板经总线与 CPU 模板相连。针对不同的开关信号，有各种各样的数字量 I/O 模板可供选用。图 5-14 是一种典型的数字量I/O 模板电路原理。 图 5-14 数字量 I/O 模板原理框图 （2）模拟量 I/O 模板 模拟量 I/O 模板用于处理模拟信号的输入和输出，其主要功能是对 微处理机和被控对象之间的模拟信号进行 A/D 和 D/A 转换。STD 总线工控机也有多种多样的模 拟量I/O 模板可供选用，图 5-15 所示是一种光电隔离型A/D模板的结构示意图，D/A 模板的结构 与之类似。在模板选用时主要考虑系统中信号的最高频率、电平范围、信号数量等参数及系统对 信号的转换速度、精度及分辨率等要求，以既满足控制系统需要又不造成过大的浪费为原则。 图 5-15 光电隔离型A/D 模板的结构示意图 （3）信号调理模板 信号调理模板用于在传感器与 A/D转换器之间、D/A转换器与执行元 件之间对信号进行调理，其主要功能有非电量转换、信号形式变换、信号放大、滤波、线性化、 共模抑制及隔离等。典型的信号调理模板产品有热电偶、热电阻、I/V（电流/电压）转换、前置 放大板、隔离放大板等。图5-16是信号调理模板的应用事例。信号调理模板应根据传感器与执行 机构的要求来匹配，并应充分地考虑信号的信噪比、放大增益的可调范围、零点的调整方法、滤 波的通带增益和阻带衰减率等参数
热电偶，热电国 0-5 mV-V,4-20m 输入模块 4-2m 传感器 缩入模块 工业对像 执行机构 出棋块 输出德块 模央插件架 图5-16信号调理模板应用 (4)CPU模板STD总线所支持的微处理器有Z80、8080、8086、80286、80386、8048% 以及MCS51/%系列单片机等。选用时应根据所设计的控制方法的复杂程度、计算工作量、采样 周期等来情祝选择合适字长和执行速度的CPU模板，或选择带有专门算法域DMA(直接存储器 存取)通道的CPLU模板。 (5)存储器模板CPU板上一般都有一定容量的工作存储器，但有些控制系统往往还需要 选用专用的存储器扩展插件，如有电池支持的RAM插件、EPROM插件、EEPROM插件等。存 储器的射扩展应根据控制系统的程序量、需存储的数据量以及程序和数据存储和运行方式来合理选 择。 (6)其它特联功能模板STD总线工控机还可提供多种耳有特殊功能的横板，加步讲电机和 同服电机控制模板、机内仪表和远程仪表接口模板等。当系统中有该类控制时，应优先选用特殊 功能模板，以减少硬件设计工作量和获得较高的性价比。 STD总线工控机系统的设计除简单的硬件设计外，主要是软件设计。STD总线工控机上可以 运行多种丰富的支持软件，如STD-DOS(一种与MS-DOS兼容，专用于STD总线工控机的操作 系统ROM-DOS(一种与MS-DOS兼容，并吧DOSAA代码固化在EPROM中运行的操作系 统)、VTX嵌入式实时多任务操作系统等，并提供丰富的标准算法程序库，因此软件的开发也是 相对比较容易的，通常只 开发适用于所设计的控制系统的应用软件即可。应用软件开发的主要 工作是：借助于支持软件提供的各种开发工具，利用程序库中所提供的各种标准计算和控制算法 程序，针对所设计系统的特点和要求，开发专用的接口软件，将选用的各种标准模块和算法程序 连接和拼装成所需的控制系统应用软件 2、PC总线工业控制机 BM公司的C总线微机最初是为了个人或公使用而设计的，它早期主要用于文字处理 或一些简单的办公室事务处理。早期产品基于一块大底板结构，加上几个V0扩充槽。大底板】 具有8088处理器，加上一些存储器，控制逻辑电路等。加入1/O扩充槽的目的是为了外接一些打 印机、显示器、内存扩充和软盘标动器接口卡等。 随若微处理器的更新换代，为了充分利用16位机如1e180286等的性能，通过在原PC总线
15 图 5-16 信号调理模板应用 （4）CPU 模板 STD 总线所支持的微处理器有 Z80、8080、8086、80286、80386、80486 以及 MCS51/96 系列单片机等。选用时应根据所设计的控制方法的复杂程度、计算工作量、采样 周期等来情况选择合适字长和执行速度的 CPU模板，或选择带有专门算法或 DMA（直接存储器 存取）通道的CPU 模板。 （5）存储器模板 CPU板上一般都有一定容量的工作存储器，但有些控制系统往往还需要 选用专用的存储器扩展插件，如有电池支持的 RAM 插件、EPROM 插件、EEPROM 插件等。存 储器的扩展应根据控制系统的程序量、需存储的数据量以及程序和数据存储和运行方式来合理选 择。 （6）其它特殊功能模板 STD总线工控机还可提供多种具有特殊功能的模板，如步进电机和 伺服电机控制模板、机内仪表和远程仪表接口模板等。当系统中有该类控制时，应优先选用特殊 功能模板，以减少硬件设计工作量和获得较高的性价比。 STD 总线工控机系统的设计除简单的硬件设计外，主要是软件设计。STD总线工控机上可以 运行多种丰富的支持软件，如STD-DOS（一种与 MS-DOS兼容，专用于 STD总线工控机的操作 系统）、ROM-DOS（一种与 MS-DOS 兼容，并吧 DOSAA 代码固化在 EPROM 中运行的操作系 统）、VRTX嵌入式实时多任务操作系统等，并提供丰富的标准算法程序库，因此软件的开发也是 相对比较容易的，通常只需开发适用于所设计的控制系统的应用软件即可。应用软件开发的主要 工作是：借助于支持软件提供的各种开发工具，利用程序库中所提供的各种标准计算和控制算法 程序，针对所设计系统的特点和要求，开发专用的接口软件，将选用的各种标准模块和算法程序 连接和拼装成所需的控制系统应用软件。 2、PC 总线工业控制机 IBM 公司的 PC总线微机最初是为了个人或办公室使用而设计的，它早期主要用于文字处理、 或一些简单的办公室事务处理。早期产品基于一块大底板结构，加上几个 I/O 扩充槽。大底板上 具有8088 处理器，加上一些存储器，控制逻辑电路等。加入I/O扩充槽的目的是为了外接一些打 印机、显示器、内存扩充和软盘驱动器接口卡等。 随着微处理器的更新换代，为了充分利用16位机如Intel80286等的性能，通过在原PC 总线