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1．CPU

CPU在PLC控制系统中的作用类似与人体的神经中枢。是运算与控制中心。用来实现逻辑运算、算术运算，并对全机进行控制。它按照PLC中系统程序所赋予的功能，完成以下任务：

（1）接收并存储从编程器键入的用户程序和数据

（2）用扫描的方法接受现场输入设备的状态或数据，并存入输入状态表或数据积存器中。

（3）诊断电源，PLC内部电路工作状态和编程过程中的语法错误等。

（4）在PLC进入运行状态后，从存储器中逐条读出用户的程序，经指令解释后，按指令规定的任务产生相应的信号，去启动有关控制电路，分时、分渠道地去执行数据的存取、传送、组合、比较和变换动作，完成用户程序中规定的逻辑运算或算术运算等任务。 （5）根据运算结果，更新有关标志位数据寄存器和输出寄存器的内容，再由输出寄存器的位状态或数据寄存器的有关内容，实现输出控制、制表打印或数据通信等外部功能。 （6）PLC的CPU包括三种：单片机、通用微型处理芯片、双极性位片处理芯片。 2．存储器

（1） 系统程序存储区

用以固化PLC生产厂家编写的系统工作程度，相当于单片机的监控程序或个人计算机的操作系统。在很大程度上它决定该种PLC的性能和质量用户无法更改或调用。 （2） 用户程序存储区

包括用户程序存储器（程序区）和数据存储区（数据区）两种。前者用于存放用户程序，后者用于存放用户在执行过程中使用的有关状态量或数值量以生成用户数据区。 3．输入、输出单元（I/O单元）

I/O单元又称I/O接口电路，PLC程序执行过程中需调用的各种开关量（状态量）数字量或模拟量等各种外部或设定值，都是通过输入电路进入PC。而程序执行结果又是通过输出电路送到现场实现外部控制功能[11]。 （1）输入接口电路

各种PC输入电路结构大都相同，其输入方式有三种： 接口输入12V或24V

交流输入100V~200V或200V~240V

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交直流输入 交直流12V或24V （2）输出接口电路

为适应不同的负载需要，各类PLC有三种输出方式： 继电器输出 晶体管输出 晶闸管输出 （3）电源单元

PLC对供电电源要求不高，可直接采用普通单相交流电。允许电源电压额定值在+10%~-15%范围内波动。 4.2.2 编辑器

编辑器用作用户程序编制、编辑、调试和监视，还可以通过键盘去调用和显示PC的一些内部状态和系统参数。它接口与CPU联系，完成人机对话连接。它可分为简易型和智能型两种。前者只能用于联机编程，后者既可联机又可脱机编程。 4.2.3 I/O扩展和其他外围设备

1．I/O扩展机用来扩展输入、输出点数

当用户所需的输入、输出点数超过主机输入、输出点数时，就要加I/O扩展机来扩展。

2．其他外围设备

根据系统控制的需要，PLC还可以通过自身的专用通信接口连接一些其他外围设备。[12]

4.3 PLC的基本工作原理和工作方式

PLC是采用周期性循环扫描，集中输入和集中输出的工作方式。这种工作方式的显著特点：可靠性高、抗干扰能力强，但响应滞后、速度慢，也就是说PLC以降低速度求得高可靠性。PLC处于（停止）工作状态，只进行内部处理和通信服务等内容，一旦进入（运行）状态，就采用周期性循环扫描方式执行用户程序。在正常情况下，一个用户程序扫描周期分为三个阶段组成。 1．输入采样阶段

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PLC在输入采样阶段，首先扫描所有输入端子，并将各输入状态存入相对应的输入映像寄存器中。此时，输入映像寄存器被刷新。接着，进入程序执行阶段，在此阶段和输出刷新阶段，输入映像寄存器与外界隔离，无论输入信号如何变化，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。所以一般来说，输入信号的宽度要大于一个少秒周期，否则很可能造成信号的丢失。 2．程序执行阶段

根据PLC梯形图程序扫描原则，一般来说，PLC按从左到右，从上到下的步骤顺序执行程序。当指令中涉及输入、输出状态时，PLC就从输入映像寄存器中“读入”对应输入端子状态，从元件映像寄存器“读入”对应的元件的当前状态。然后，进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中。对元件映像寄存器来说，每一个元件的状态会随着程序而变化。 3．输出处理阶段

在所有程序指令执行完毕后，元件映像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器中，通过一定方式输出，最后经过输出端子驱动外部负载。

4.4 硬件介绍

具体硬件配置如下：西门子S7-300 CPU313一块，SM321、SM322的数字量模块各一台，SM331S、M332模拟量模块各一块；德国普罗明特温度传感器——变送器两支，浊度仪、pH仪、余氯仪各一台；高温电动伺服阀一台；精确计量泵四台；循环水泵两台；控制柜（定制）一台。

CPU313最大数字量I/O点128个，最大模拟量I/O点32个，可连接8块模板。内置20KBRAM最大可扩展512KB FLASHEPROM存储卡，64个计数器128个定时器。具有PID控制器。具有MPI通讯协议和自由方式通讯能力。 4.4.1 数字量模块

S7-300有多种型号的数字量I/O模块可供选择 1．SM321数字量输入模块

SM321数值量输入模块主要有4种模块可供选择，即直流16点输入、直流32点输入、交流8点输入、交流16点输入模块。另外，还提供了直流16点输入带过程诊断和

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中断的模块、直流8点输入带源输入模板，交流32点输入模板。 2．SM322数字量输出模块

SM322数值量输出模块经过电平转换，信号可直接用于驱动电磁阀、接触器、小型电动机，灯和电动机启动器等。按负载回路使用电源不同分为：直流输出模块、交流输出模块和交支流两用输出模块。按输出开关的种类不同又可分为：晶体管输出方式、晶闸管输出方式和继电器触电输出方式。

SM322数字量输出模块有7种型号输出模板可供选择，即16点晶体管输出.、32点晶体管输出、16点晶闸管输出、8点晶闸管输出、8点继电器输出和16点继电器输出模块。选择模块时，因每个模块的端子共地情况不同，应根据模块输出类型和现场输出信号负载回路的供电情况选择。 3．SM323数字量I/O模块

此模块有两种类型，一种是8个共地输入端和8个共地端，另一种上一带有16个共地输入端和16个共地输出端，两种模块特性相同。I/O额定负载电压DC24V，输入电压“1”信号电平为11V~30V，“0”信号电平为-3V~+5V。I/O通过光耦合器与背板总线隔离。输出具有短路保护。 4.4.2 模拟量模块

1．SM331模拟量输入模块

SM331模拟量输入模块目前有三种规格型号：既8AI×12位模块、8AI×16位模块和2AI×12位模块。其中具有12位的输入模块除通道数不一样外，其工作原理、性能、参数设置等个方面都完全一样。

SM331输入模块主要由A/D转换部件、模拟切换开关、补偿电路恒流源、光电隔离部件、逻辑电路组成。实际应用时可使用STEP7组态工具屏蔽掉不用的模拟量通道。

SM331的每两个听到构成一个通道输入组，可以按通道输入组任意选择测量方法和测量范围。模块上需要接DC24V的负载电压L+，有反接性保护功能；对于变送器或热电偶的输入具有短路保护功能。 2．模拟量输出模块

SM322模拟量输出模块目前有三种规格型号：既4AO×12位模块、2AO×12位模块、4AO×16位模块。其中具有12位的输出模块除通道数不一样外，其工作原理、性能、参