用CPU；主CPU工作，而备用CPU的输出是被禁止的，当主CPU发生故障时，备用CPU自动投入运行。这一切换过程是由冗余处理单元RPU控制的，切换时间在1~3个扫描周期，I/O系统的切换也是由RPU完成的。
2.热备用系统
在热备用系统中，两台CPU用通讯接口连接在一起，均处于通电状态。当系统出现故障时， 由主CPU通知备用CPU，使备用CPU投入运行。这一切换过程一般不太快，但它的结构有比冗余系统简单
三.可编程序控制器的基本结构
（一）基本结构
可编程序控制器主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程装置组成(见图3.1).
图3.1 PLC控制系统示意图
(1) CPU模块
在可编程序控制器中，CPU模块相当于人的大脑，它不断地采集输入信号，执用户程序，刷新系统的输出。 (2)I/0模块
输入(Input)模块和输出(Output)模块简称为I/O模块，它们是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。输入模块用来采集输入信号。数字量(或开关量)输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的数字量输入信号;模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。数字量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装置。
CPU模块的工作电压一般是DC 5V,而可编程序控制器的输入/输出信号电压一般较高，如DC 24V和AC 220V。从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件，或影响可编程序控制器的正常工作。在I/O模块中，用光耦合器、小型继电器等器件来隔离外部输入电路和负载。I/O模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。 (3)编程装置
编程装置用来生成用户程序，并对它进行编辑、检查和修改。手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又叫做指令编程器。它的体积小，价格便宜，一般用来给小型可编程序控制器编程，或者用于现场调试和维修。
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使用编程软件可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、指令表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的相互转换。程序被编辑后下载到可编程序控制器，也可以将可编程序控制器中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。
可以用编程软件设置可编程控制器的各种参数。通过通信，可以显示梯形图中触点和线圈的通断情况，以及运行时可编程序控制器内部的各种参数，对于查找故障非常有用。
给S7-200编程时，应配备一台安装有STEP 7-Micro/WIN 32编程软件的计算机和一根连接计算机和可编程序控制器的PC/PPI通信电缆。 (4) 电源
可编程序控制器使用220V交流电源或24V直流电源。内部的开关电源为各模块提供DC 5V, ±12V, 24V等直流电源。小型可编程序控制器一般都可以为输入电路和外部的电子传感器(如接近开关)提供24V直流电源，驱动可编程序控制器负载的直流电源一般由用户提供。 1.可编程序控制器的物理结构
根据硬件结构的不同，可将可编程序控制器分为整体式、模块式和混合式。 (1)整体式可编程序控制器
整体式又叫做单元式或箱体式，它的体积小，价格低，小型可编程序控制器一般采用整体式结构。
整体式可编程序控制器中的CPU模块、I/O模块和电源装载一个箱型机壳内，称为基本单元，S7-200称为CPU模块。图中的“前盖”下面有RUN/STOP开关，模拟量电位器和扩展I/O连接器。S7-200系列可编程序控制器提供多种具有不同I/O点数的CPU模块和数字量、模拟量I/O扩展模块供用户选用。CPU模块和扩展模块用扁平电缆连接，可选用全输入或全输出型的数字量I/0扩展单元来改变输入/输出的比例。
整体式可编程序控制器还配备有许多专用的特殊功能模块，如模拟量输入/输出模块、热电偶、热电阻模块、通信模块等，使可编程序控制器的功能得到扩展。 (2)模块式可编程序控制器
大、中型可编程序控制器(如西门子的S7-300,S7-400系列)一般采用模块式结构，用搭积木的方式组成系统，它由机架和模块组成。模块插在模块插座上，后者焊在机架中的总线连接板上。可编程序控制器厂家备有不同槽数的机架供用户选用，如果一个机架容纳不下所选用的模块，可以增设一个或数个扩展机架，各机架之间用I/0扩展电缆连接。
用户可选用不同档次的CPU模块、品种繁多的I/O模块和特殊功能模块，对硬件选择的余地较大，维修时更换模块也很方便。
整体式可编程序控制器每一I/O点的平均价格比模块式的便宜，在小型控制系统中一般采用整体式结构。但是模块式可编程序控制器的硬件组态方便灵活，I/O点数的多少，输入点数与输出点数的比例、I/O模块的种类和块数、特殊I/O模块的使用等方面的选择余地都比整体式可编程序控制器大的多，维修时更换模块、判断故障范围也很方便，因此较复杂的、要求较高的系统一般选用模块式可编程序控制器。 2. CPU模块 (1) CPU芯片
CPU模块主要由微处理器(CPU芯片)和存储器组成。可编程序控制器使用下列微处理器:
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1) 通用微处理器。如Intel公司的8086. 80186到Pentium系列芯片。 2) 单片微处理器(单片机)。如Intel公司的MCS-96系列单片机。 3) 位片式微处理器。如AMD 2900系列位片式微处理器。 (2)存储器
存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。系统程序相当于个人计算机的操作系统，它使可编程序控制器具有基本的智能，能够完成可编程序控制器设计者规定的各种工作。系统程序由可编程序控制器生产厂家设计并固化在ROM(只读存储器)中，用户不能读取。用户程序由用户设计，它使可编程序控制器完成用户要求的特定功能。用户程序存储器的容量以字为单位。
可编程序控制器使用以下几种物理存储器: 1)随机存取存储器(RAM)
用户可以用编程装置读出RAM 中的内容，也可以将用户程序写入RAM，因此RAM又叫读/写存储器。它是易失性的存储器，它的电源中断后，存储器的信息将会丢失。RAM的工作速度高，价格便宜，改写方便。在关断可编程序控制器的外部电源后，可用锂电池保存RAM中的用户程序和某些数据。锂电池可用2～5年，需要更换锂电池时，由可编程序控制器发出信号。现在部分可编程序控制器仍用RAM来存储用户程序。 2)只读存储器(ROM)
ROM的内容只能读出，不能写入.它是非易失的，它的电源消失后，仍能保存存储器的内容。ROM一般用来存放可编程序控制器的系统程序。 3)可电擦除可编程的只读存储器(EEPROM)
它是非易失性的，但是可以用编程装置对它编程，兼有ROM的非易失性和RAM的随机存取优点，但是将信息写入它所需的时间比RAM长得多。EEPROM用来存放用户程序和需长期保存得重要数据。 3. I/0模块
各I/0点得通断状态用发光二极管显示，外部接线一般接在模块面板得接线端子上。某些模块使用可拆卸的插座型端子板，不需断开端子板上的外部连线，就可以迅速地更换模块。点数多的高密度1/0模块的外部接线一般用插座连接，用户可选用连接插座的电缆和端子板。 (1)输入模块
输入电路中设有RC滤波电路，以防止由于输入触电抖动或外部干扰脉冲引起错误的输入信号。滤波电路延迟时间的典型值为10～20ms(信号上升沿)和20～50ms(信号下降沿)，输入电流为数毫安。
图3.2输入电路
图3.2是某直流输入模块的内部电路和外部接线图，图中只画出了一路输入电路，1M是同一输入组内各输入信号的公共点。S7-200可以用CPU模块输出的24V直流电源作为输入回路的电源，它还可以为接近开关、光电开关之类的传感器提供24V直流电源。
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当图中的外接触电接通时，光耦合器中两个反并联的发光二极管亮，光敏三极管饱和导通:外接触点断开时，光耦合器中的发光二极管熄灭，光敏三极管截止。信号经内部电路送给CPU模块。显然，可以改变图中输入回路的电源极性。
交流输入方式适合于在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用，输入电压有110V, 220V两种。直流输入电路的延迟时间较短，可以直接与接近开关、光电开关等电子输入装置连接。 (2)输出模块
输出模块的功率放大元件有驱动直流负载的大功率晶体管和场效应管、驱动交流负载的双向晶闸管，以及既可以驱动交流负载又可以驱动直流负载的小型继电器。输出电流的典型值为0.5～2A,负载电源由外部现场提供。
输出电流的额定值与负载的性质有关，例如S7-200的继电器输出电路可以驱动2A的电阻性负载，但是只能驱动200W的白炽灯。输出电路一般分为若干组，对每一组的总电流也有限制。额定输出电流还与温度有关，温度升高时额定输出电流减少，有的可编程序控制器提供了有关的曲线。 图3.3是继电器输出电路。继电器同时起隔离和功率放大作用，每一路只给用户提供一对常开触点。与触点并联的RC电路和压敏电阻用来消除触点断开时产生的电弧。
图3.4是使用场效应管(MOSFET)的输出电路。输出信号送给内部电路中的输出锁存器，再经光耦合器送给场效应管，后者的饱和导通状态和截断状态相当于触点的接通和断开。图中的稳压管用来抑制关断过电压和外部的浪涌电压，以保护场效应管。场效应管输出电路的工作频率可达20KHz.
图3.3 PLC输出电路
图3.4 PLC输出电路
除了输入模块和输出模块，还有一种既有输入电路又有输出电路的模块，输入输出的点数一般相同，这种模块使用户确定可编程序控制器的硬件配置更为方便。
继电器输出模块的使用电压范围广，导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但是动作速度较慢，寿命(动作次数)有一定的限制。如果系统输出量的变化不是频繁，建议优先选用继电器型的。
晶体管型与双向晶闸管型模块分别用于直流负载和交流负载，它们的可靠性高，反应速度快，
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寿命长，但是过载能力差。 4.可编程序控制器的外部接线
图3.5是CPU222模块的外部接线图，8个输入点10.0～10.7分为两组，1M和2M分别是两组输入点内部电路的公共端。L+和M端子分别是模块提供24V直流电源的正极和负极，可用该电源作为输入电路的电源。24V直流电源还可以用于外部的电子传感器。
1L和2L分别是两组输出点内部电路的公共端。如果是继电器输出，输出回路可使用AC 220V电源电压。可编程序控制器的交流电源接在L1(相线)和N(零线)端，此外还有保护接地(PE)端子。
图3.5 CPU222的外部接线
（二）可编程序控制器的工作原理 1.用触点和线圈实现逻辑运算
在数字控制系统中，变量仅有两种相反的工作状态，如高电平和低电平、继电器线圈的通电和断电、触点的接通和断开，可用逻辑代数中的1和0表示它们。在波形图中，用高电平表示1状态，用低电平表示0状态。
“与”、“或”、“非”逻辑运算的输入/输出关系如表3-1所示，用继电器电路或梯形图可以实现 “与”、“或”、“非”逻辑运算。用多个触点的串、并联电路可以实现复杂的逻辑运算。 表3-1逻辑运算关系表
与 Q0. 0=I0.02IO.1 IO.0 0 0 1 1 IO.1 0 1 0 1 QO.0 0 0 0 1 或 Q0. 1=I0.2+I0.3 IO.2 0 0 1 1 IO.3 0 1 0 1 QO.1 0 1 1 1 非 Q0.2=IO.4 IO.4 0 1 QO.2 1 0 接触器的结构和工作原理与继电器的基本相同，区别仅在于继电器触点的额定电流较小(如几十毫安)，而接触器是用来控制大电流负载的，例如它可以控制额定电流为几十安培至上千安培的异步电动机。
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