西门子6ES7518-4AP00-0AB0现货供应
可编程控制器的构成框图和计算机是一样的，都由中央处理器（CPU）、存贮器和输入/输出接口等构成。因此，从硬件结构来说，可编程控制器实际上就是计算机，图1是其硬件系统的简化框图。从图中可以看出PLC内部主要部件有:
（1）CPU（Central Process Unit）
CPU是PLC的核心组成部分，与通用微机的CPU一样，它在PLC系统中的作用类似于人体的神经中枢，故称为“电脑"。其功能是：
a、按PLC中系统程序赋予的功能，接收并存储从编程器输入的用户程序和数据。
b、用扫描方式接收现场输入装置的状态式数据，并存入映象寄存器或数据寄存器中。
c、诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误。
d、在PLC进入运行状态后，从存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令规定的任务，产生相应的信号，去启闭有关控制门电路。分时分渠道地去执行数据的存取、传送、组合、比较和变换等操作，完成用户程序中规定的逻辑式算术运算等任务。根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映象寄存器的内容，再由输出映象寄存器的位状态式数据寄存器的有关内容，实现输出控制、制表、打印式数据通讯等。
PLC常用的CPU主要采用通用微处理器、单片机或双极型位片式微处理器。通用的微处理器常用的是8位机和16位机，如Z80A、8085、8086、6502、M6800、M6809、M68000等。单片机常用的有8039、8049、8031、8051等。双极型位片式微处理器常用的有AMD2900、AMD2903等。
①用通用微处理器作CPU
在低档PLC中，用Z80A做CPU较为普遍，Z80A用于PLC有如下长处： Z80（或Z80A）CPU及其配套的芯片廉价、普及、通用，用这套芯片制成的PC，给维修及推广普及带来方便。Z80有独立的输入/输出指令,而且指令格式较短，执行时间也较短，这样有利于扫描周期的缩短。Z80输入/输出指令格式较短，相应的输入/输出设备编码也较短，所以相应的译码硬件器较简单。由于Z80的信息是采用输入/输出映射方式，因而设计流程序时，对输入/输出与存储器寻址容易区别。
②用单片机作CPU
自从1974年出现单片机以来，已有不少产品采用单片机做可编程序控制器。日本三菱F系列PLC就采用美国INTEL公司MES－48系列的单片机8049和8039做处理器，8039单片机在一块片子上集成了8位的CPU，128×8的数据存储器。27条输入/输出线，T0、T1、INT测试线及8位定时器/计数器，时钟振荡电路等。
自80年代以来，出现了集成度更高。功能更强，并带有“布尔机"而又便于作数据通信的MCS-51系列单片机以及功能更高的16位单片机，大有取代MCS－48系列之势。日本三菱的F2系列PLC即采用CPU8031。MCS－51系列单片机是美国INTEL公司在MCS－48单片机基础上，于80年代初推出的产品，具有高集成度、高可靠性、高功能、高速度、低价格等特点。它有三个代表产品：8051、8751和8031，它们分别有不同的应用特性。8051是以4K字节EPR0M代替4K字节的R0M的8051； 8031是内部无R0M8051。必须外接EPR0M；INTEL公司的96系列的单片机，字长为16，运算速度比51系列更高，这必将为次的PLC开发和应用带来美好的远景。用单片机制成的PLC有以下显著特点：为机电设备一体化创造了条件，因为由单片机制成PLC，体积更小。同时PLC逻辑功能很强，并且具有数值运算和通信接口。
③用位片式微处理器作CPU
位片式微处理器的主要特点是：速度快、灵活性强、效率高等特点。可以进行“级联"，易于“流水线"操作。
（2）系统程序存储器
它用以存放系统工作程序（监控程序）、模块化应用功能子程序、命令解释功能子程序的调用管理程序，以及对应定义（I/0、内部继电器、计时器、计数器、移位寄存器等存储系统）参数等功能。
（3）用户存储器
用以存放用户程序即存放通过编程器输入的用户程序。PLC的用户存储器通常以字（16位/字）为单位来表示存储容量。同时，由于前面所说的系统程序直接关系到PLC的性能，不能由用户直接存取。因而通常PLC产品资料中所指的存储器型式或存储方式及容量，是对用户程序存储器而言。
常用的用户存储方式及容量型式或存储方式有CM0SRAM，EPR0M和EEPR0M。信息储存常用盒式磁带和磁盘。
CM0SRAM存储器是一种中高密度、低功能、价格便宜的半导体存储器，可用锂电池作为备用电源。一旦交流电源停电，用锂电池来维持供电，可保存RAM内停电前的数据。锂电池寿命一般为1―5年左右。
EPR0M存储器是一种常的只读存储器，定入时加高电平，擦除时用紫外线照射。PLC通过写入器可将RAM区的用户程序固化到R0M盒中的EPR0M中去。在PLC机中插入R0M盒，PLC则执行R0M盒中用户程序；反之，不插上R0M盒，PLC则执行RAM区用户程序。
EEPR0M存储器是一种可用电改写的只读存储器。
（4）输入输出组件（I/0模块）
I/0模块是CPU与现场I/0装置或其它外部设备之间的连接部件。PLC提供了各种操作电平与驱动能力的I/0模块和各种用途的I/0组件供用户选用。如输入/输出电平转换、电气隔离、串/并行转换数据、误码较验、A/D或D/A转换以及其它功能模块等。I/0模块将外界输入信号变成CPU能接受的信号，或将CPU的输出信号变成需要的控制信号去驱动控制对象（包括开关量和模拟量），以确保整个系统正常工作。
输入的开关量信号接在IN端和0V端之间，PLC内部提供24V电源，输入信号通过光电隔离，通过R/C滤波进入CPU控制板，CPU发出输出信号至输出端。PLC输出有三种型式：继电器方式、晶体管方式和晶闸管方式。
（5）编程器
编程器是用于用户程序的编制、编辑、调试检查和监视等。还可以通过其键盘去调用和显示PLC的一些内部状态和系统参数。它通过通讯端口与CPU联系，完成人机对话连接。编程器上有供编程用的各种功能键和显示灯以及编程、监控转换开关。编程器的键盘采用梯形图语言键符式命令语言助记符，也可以采用软件的功能键符，通过屏幕对话方式进行编程。
编程器分为简易型和智能型两类。前者只能连机编程，而后者既可连机编程又可脱机编程。同时前者输入梯形图的语言键符，后者可以直接输入梯形图。根据不同档次的PLC产品选配相应的编程器。
（6）外部设备
一般PLC都配有盒式录音机、打印机、EPR0M写入器、高分辨率屏幕彩色图形监控系统等外部设备。
（7）电源
根据PLC的设计特点，它对电源并无特别要求，可使用一般工业电源。
任何一种继电器控制系统是由三个部分组成的，即输入部分，逻辑部分，输出部分，其中输入部分是指各类按钮、开关等；逻辑部分是指由各种继电器及其触点组成的实现一定逻辑功能的控制线路；输出部分是指各种电磁阀线圈，接通电动机的各种接触器以及信号指示灯等执行电器。如图1所示，是一种简单的继电器控制系统。
图1 指示灯控
图中X1、X2是两个按钮开关，Y1、Y2是两个继电器，T1是时间继电器。其工作是过程是：当X1、X2任何一个按钮按下，线圈Y1接通，Y1的常开触点闭合，指示灯红灯亮。此时时间继电器T1同时接通并开始延时，当延时到2S后，线圈Y2接通，常开触点闭合，绿灯亮。
从上面这个例子可以知道，继电器控制系统是根据各种输入条件去执行逻辑控制线路，这些逻辑控制线路是根据控制对象的需要以某种固定的线路连接好的，所以不能灵活变更。
和继电器控制系统类似，PLC也是由输入部分、逻辑部分和输出部分组成。如图2所示：
各部分的主要作用是：
输入部分：收集并保存被控对象实际运行的数据的信息（被控对象上的各种开关量信息或操作命令等）。
逻辑部分：处理输入部分报取得的信息，并按照被控对象的实际动作要求正确的反映。
输出部分：提供正在被控制的装置中，哪几个设备需要实施操作处理。
用户程序通过编程器或其它输入设备输入并存放在PLC的用户存储器中。当PLC开始运行时，CPU根据系统监控程序的规定顺序，通过扫描，完成各输入点的状态采集或输入数据采集、用户程序的执行、各输出点状态更新、编程器键入响应和显示更新及CPU自检等功能。
PLC扫描既可按固定的程序进行，也可按用户程序规定的可变顺序进行。
PLC采用集中采样、集中输出的工作方式，减少了外界的干扰。
由以上分析，可以把PLC的工作过程为三个阶段，即输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。
（1）输入采样阶段
PLC在输入采样阶段，首先扫描所有输入端子，并将各输入存入内存中各对应的输入映象寄存器。此时，输入映象寄存器被刷新。接着进入程序执阶段，在程序执行阶段或输出阶段，输入映象寄存器与外界隔离，无论信号如何变化，其内容保持不变直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输入端的新内容。
（2）程序执行阶段
根据PLC的程序扫描原则，PLC先左后右，先上后下的步序语句逐句扫描。当指令涉及到输入、输出状态时，PLC从输入映象寄存器中“读入"对应输入映象寄存器的当前状态，然后，进行相应的运算，运算结果再存入元件映象寄存器中，对元件映象寄存器来说，每一个元件会随着程序执行过程而变化。
（3）输出刷新阶段
在所有指令执行完毕后，输出映象寄存器中所有输出继电器的状态在输出刷新阶段转存到输出锁存寄存器中，通过一定方式输出，驱动外部负载。采用集中采样，集中输出工作方式的特点是：在采样周期中，将所有输入信号（不管该信号当时是否采用），一起读入，此后在整个程序处理过程中PLC系统与外界隔绝，直到输出控制信号到下一个工作周期再与外界交涉，从根本上提高了系统的抗干扰扰提高了工作的可靠性。
PLC在输入输出的处理方面必须尊守以下原则：
①输入映象寄存器的数据，取决于输入端子板上各输入端子在上一个周期间的接通、断开状态。
②程序如何执行取决于用户所编程序和输入输出映象寄存器的内容。
③输出映象寄存器的数据取决于输出指令的执行结果。
④输出锁存器中的数据，由上一次输出刷新期间输出映象寄存器中数据决定。
⑤输出端子的接通断开状态，由输出锁存器决定
S7-300 plc是西门子产品应用多的PLC，由于西门子其他系列的PLC系统的特性与S7-300 PLC产品均类似，因此介绍的PLC接地规范适用于所有PLC系列。
1、西门子S7-300 PLC系统接地的总原则
对于PLC及控制系统整体的供电及接地的要求，主要有以下几点原则：
①系统主回路采用三相五线制供电，主回路须增加相应的开关及保护装置。
②负载电源从主回路供电中取电，如果是多个负载电源，则应按照负载均衡的原则进行分配。
③负载侧电源，无论是直流还是交流，均应增加短路和过载保护。
④系统接地电阻不大于4欧姆。
⑤机柜中的接地母线与系统的PE线相连。
⑥机柜的外壳、设备安装背板均应保证通过金属部件连接在一起，并与接地母线相连。
⑦设备安装背板应考虑EMC特性（例如采用镀锌板）。
⑧系统中的电气设备的PE端子应与接地母线相连，并保证就近相连以及连接电缆尽量粗、尽量短的原则。
⑨应注意柜内电气设备的其他接地要求。
关于这些原则，请参考西门子S7-300 PLC的供电及接地原理图，如图1所示。
图1 西门子plc系统供电、接地原理图
说明：1为主令开关；2为短路和过载保护；3为负载电流源（电气隔离）；4为接地导体的可拆卸连接，用于定位接地故障；5为CPU（非CPU 31×C）的接地滑动触点。
2、西门子S7-300 PLC系统的接地规范
①电源模板(PS307)的接地要求
对于电源模板，供电均采用AC220V/120V电源（电源需要连接PE线）。电源模板输出为CPU及模板提供DC24V电源，如图2所示。
图2 PS电源和CPU连接示意图
说明：1为电源电缆上的电缆夹；2为PS电源和CPU连接电缆；3为可拆卸的电源连接器
注意： 如果将M和L+端子的极性接反，则CPU的内部熔丝便会熔断。始终将电源模块的M和L+端子与CPU的这两个端子互连。
②CPU的接地连接
A、CPU 31×接参考地电位
在西门子S7-300的CPU的电源端子处，插着一个滑动金属片，将该滑动金属推进去时，DC24V的M端将通过该滑动金属片与CPU的安装导轨相连，通过导轨实现接地，所有从M来的干扰电流都可以被释放至接地导线/地，如图3所示。
图3 CPU 31×的接地参考接地示意图（默认状态）
说明：1为处于接地状态的接地滑动触点；2为内部CPU的接地电位；3为装配导轨
默认情况下，滑动金属片都是推进去的。当安装具有接地参考电位的S7-300时，不要拔出接地滑动触点。实际设备中如图4所示。
图4 CPU上的滑动金属片未拔出
B、CPU 31×浮地系统
如果系统的“地”不干净，或希望将系统做出浮地的，则可以将该金属滑动片撬出，此时M和导轨分开，系统与“地”是不直接相连的，而是通过RC回路进行隔离连接的。如图5所示。
图5 CPU 31×的未接地参考电位示意
说明：1为CPU中创建未接地参考电位 用大口3.5mm的螺丝刀顺箭头方向往前推动接地滑动触点；2为内部CPU的接地电位；3为装配导轨。
注意： 应在导轨上安装设备之前首先设置未接地参考电位。如果已经安装并且用导线连接了CPU，则在拔出接地滑动触点之前可能不得不断开MPI接口。实际设备中如图6所示。
图6 拔出CPU上的金属滑动片
③I/O模板的接地要求
A、数字量模板
S7-300系列的数字量输入/输出模板并不需要特殊额外的接地处理，只是对于提高系统EMC特性来讲，需注意以下几点：
◆ 数字量输入/输出的导线长度要求：1000m屏蔽线，600m非屏蔽线。
◆ 屏蔽电缆处理屏蔽层时用金属夹夹住编织带屏蔽层。保证大面积的接触屏蔽层，并提供适当的接触压力。图7显示了使用电缆夹安
装屏蔽电缆的几种处理方式。
图7 电缆夹安装屏蔽电缆示意图
实际的安装可参考图8所示。
图8 屏蔽层通过电缆夹卡在柜内接地排上
而数字量输出模块有时需进行抑制保护。但由于S7-300数字输出模块内部集成了浪涌抑制器，因此对于电感设备来讲，仅在下列情况之下才需要附加的浪涌抑制设备：
◆ SIMATIC输出回路可以用外部的设备(如继电器触点)来切断；
◆ 如果感性负载不由SIMATIC模块控制。
a、DC线圈
采用二极管或齐纳二极管可以抑制直流电源驱动的线圈所产生的浪涌电压，如图9所示。
图9 DC线圈的浪涌抑制
图10是直流接触器上增加续流二极管的实际应用。
图10 直流接触器上的续流二极管
用二极管或齐纳二极管作抑制器具有下列特点：
◆ 可避免开关动作时产生的过电压，齐纳二极管有较高的关断电压；
◆ 提高了关断延迟时间（比没有抑制器时高出6-9倍）。由齐纳二极管组成的抑制器的关断比二极管抑制器快。
b、AC线圈
用压敏电阻或RC网络可抑制以AC电源驱动的线包所产生的浪涌电压，如图11所示。
图11 AC线圈的浪涌抑制
图12是交流接触器上增加压敏电阻和RC回路的实际应用。
图12 交流接触器上的续流回路（压敏电阻和RC回路）
用压敏电阻作抑制器具有下列特点：
◆ 开关时的过电压的幅度可以被限制，但不能衰减；
◆ 浪涌电压陡峭的上升沿仍保持不变；
◆ 关断延时短；
◆ 另外，压敏电阻有电压幅值的要求(一般是高于正常工作电压的10%)，不能长时间的过压，否则有可能损坏。
用RC回路作抑制器具有下列特点：
◆ 开关时的过电压的幅度和陡峭的上升沿都被降低；
◆ 关断延时短。
B、模拟量模板的接地要求：
a、模拟量信号电缆的一般要求：
◆ 模拟量信号线采用屏蔽电缆；
◆ 模拟量信号线尽量短，其中模拟量输入长200m屏蔽线；若电压范围≤80mV且使用热电偶时，长50m（热电偶模块长80m）；模拟量输出长200米屏蔽线。
◆ 屏蔽层做接地处理，建议采用屏蔽线一端接地，并在模板侧单端接地。模拟量线的屏蔽层的接地方法，如图5所示。
b、电气隔离模拟量输入模块
电气隔离模拟量输入模块在测量电路的参考点(MANA和/或M-)和CPU/IM 153的M端子间存在任何电位差VISO的风险，请务必使用信号隔离器SWP9034A模块。
通过CPU/IM153的M和端子MANA之间的等电位互联，可以避免电位差VISO超过限制值。
这里分为几种情况：
情况I：将电气隔离传感器连接到电气隔离模拟量模板，可以在接地模式或未接地模式操作CPU/IM 153，如图13所示。
图13 将电气隔离传感器连接到电气隔离AI
在EMC干扰强烈的环境中，建议将M-和MANA连接，以防超出CMV的限制值。对于VCM≤2.5V的模拟量模块，必须将M-和MANA互连(推荐连接处)。
VCM不得超过允许的电位差UCM(共模)。VCM故障可存在于
◆ 测量输入(M+/M-)和测量电路的参考电位MANA之间
◆ 在测量输入之间。
情况Ⅱ：将电气隔离传感器连接到非电气隔离模拟量模板。可以在接地模式或未接地模式下操作CPU/IM 153，如图14所示。
图14 将电气隔离传感器连接到非电气隔离AI
注意：连线并连接2线制传感器和电阻型传感器时，切勿将M-和MANA互连。在M-和MANA互连处生成均衡电流，并破坏测量值。
C、非隔离模拟量输入模块
非隔离传感器与本地接地电位互连。使用非隔离传感器时，请务必始终将MANA和本地接地点互连。
当地的环境条件或干扰都有可能引起本地分布的测量点之间的电位差VCM(静态或动态)。如果超出VCM的大值，请用等电位导线连接各测量点。
情况I：将非隔离传感器连接到电气隔离模拟量模板。将非隔离传感器连接到电气隔离模块时，可在接地模式或未接地模式下操作CPU/IM 153，如图15所示。
图15 将非隔离传感器连接到电气隔离AI
情况Ⅱ：将1非隔离传感器连接到非隔离模拟量模板。如果将非隔离传感器连接到非隔离模块，请务必在接地模式下操作CPU/IM 153，如图16所示。
图16 将非隔离传感器连接到非电气隔离AI
注意：不得将非隔离二线制传感器/电阻传感器连接到非隔离模拟量输入!
D、模拟量输出模板的连线及接地处理
对于模拟量输出模板与负载之间的连线，与模拟量输入的处理方法类似，这里不再详细介绍，仅给出相应的图例及说明。
情况Ⅰ：将4线负载连接到电气隔离模块的电压输出。采用4线负载电路可获得更高的精度。对S-和S+传感器线路直接接线并连接到负载。这样即可直接测量和修正负载电压。干扰和电压突降可能会在检测线路S-和模拟电路MANA的参考回路同产生电位差。此电位差不得超过设定的限制值。任何超过限制值的电位差都会对模拟信号的精度产生不利影响，如图17所示。
图17 负载到电气隔离模拟量输出模块电压输出的4线制连接
情况Ⅱ：将2线制负载接线到非隔离模块的电压输出。将负载连接到Qv端子和测量电路MANA的参考点，如图18所示。在前连接器中，将端子S+互连到Qv，将端子S-互连到MANA；2线制电路不提供线路阻抗的补偿。
图18 负载到非隔离模拟量模块电压输出的2线制连接
情况Ⅲ：电流型输出。
◆ 将负载连接到电气隔离模块的电流输出，如图19所示。
图19 将负载连接到电气隔离模拟量输出模块的电流输出
◆ 将负载连接到非隔离模拟量输出模块的电流输出，如图20所示。
图20 将负载连接到非电气隔离模拟量输出模块的电流输出
E、接地电缆的要求
对于PLC系统，常用电缆的线径和布线要求如下：
要求I：使用正确的导线确保线径适合承载所需的电流，电源和CPU的接线条件见表1
表1 电源和CPU的接线条件
前连接器的接线条件见表2
表2 前连接器的接线条件
要求Ⅱ：系统布线分组（高压/电源/信号/数据电缆），用单独的管道或单独的电缆束来布放高压、信号或数据线。数据电缆和低压电缆与其他电缆的布置要求见表3。
表3 数据电缆和低压电缆与其他电缆的布置要求
中压电缆和其他电缆的布置要求见表4
表4 中压电缆和其他电缆的布置要求
大于400V电压电缆和其他电缆的布置要求见表5
表4 大于400V电压电缆和其他电缆的布置要求
要求Ⅲ：所有地线应尽可能地短且应使用大线径。例如：小直径为10mm2。保护导体连接导轨接线如图如21所示。
图21 保护导体连接导轨连接示意图
实际安装如图22所示。
图22 现场安装的导轨接地
注意： 请始终确保保护导体和导轨之间的低阻抗连接。可通过以下方法达到此目的：使用低阻抗电缆，尽可能地缩短该电缆的长度，使用较大的接触表面积。