1.4 歐姆龍PLC概述

歐姆龍（立石公司）電機株式會社是世界上生產PLC的著名廠商之一。SYSMAC C系列PLC產品以較高的性價比廣泛應用于電力、化學、食品、材料處理等工業控制過程中，在日本銷量僅次于三菱，居第二位，在我國也是應用非常廣泛的PLC之一。

歐姆龍C系列PLC產品門類齊、型號多、功能強、適應面廣，大致分成微型、小型、中型和大型四大類。整體式結構的微型PLC以C20P為代表；疊裝式（或稱緊湊型）結構的微型PLC以CJ型最為典型，它具有超小型和超薄型尺寸。小型PLC以P型機和CPM型機最為典型，這兩種都屬于堅固整體型結構，體積更小、指令更豐富、性能更優越，通過I/O擴展可實現（10～140）I/O點數的靈活配置，并可連接可編程終端直接從屏幕上進行編程，CPM型機是歐姆龍產品中選用最多的小型機系列產品。中型機以C200H系列最為典型，主要有C200H、C200HS、C200HX、C200HG和C200HE等型號，在程序容量、掃描速度和指令功能等方面都優于小型機，除具備小型機的基本功能外，還可配置更完善的接口單元模塊，如模擬量I/O、溫度傳感器、高速計數、位置控制、通信連接等模塊。可與微型計算機、其他PLC及各種外部設備組成具有各種用途的計算機控制系統和工業自動化網絡。

在一般的工業控制系統中，小型PLC要比大、中型機的應用更廣泛。在電氣設備的控制應用方面，一般采用小型PLC都能夠滿足需求。

1.4.1 歐姆龍PLC的歷史與發展

一般從基本性能、特殊功能及通信連網三個方面考察PLC性能。基本性能包括指令系統、工作速度、控制規模、程序容量、PLC內部器件、數據存儲器容量等；特殊功能指中斷、A-D、D-A、溫度控制等，模塊式PLC的特殊功能由智能單元完成；通信連網是指PLC與各種外設通信及組成各種網絡，由專用通信板或通信單元完成。歐姆龍早期產品即立石SCY-022，自20世紀80年代以來，產品多次更新換代，下面依時間順序對其發展情況做一簡單回顧。

1.20世紀80年代的歐姆龍PLC

20世紀80年代初期，歐姆龍的大、中、小型PLC有C系列的C2000、C1000、C500、C120、C20等。它們指令少，而且指令執行時間長，內存也小，內部器件有限，體積大。例如，C20僅有20條指令，基本指令執行時間為4～80μs。這些產品已基本被淘汰。

隨后小型機換代，P型機替代C20機。P型機的I/O點數最多可達148點，指令增加到37條。指令執行的速度加快了，基本指令執行時間為4μs，體積也明顯縮小。P型機有較高的性價比，且易于掌握和使用，因而具有較強的競爭力，在當時小型機市場上獨占鰲頭。

20世紀80年代后期，歐姆龍開發出H型機，大、中、小型對應有C2000H/C1000H、C200H、C60H/C40H/C28H/C20H。大、中型機為模塊式結構，小型機為整體式結構。H型機的指令增加較多，有100多種，特別是出現了指令的微分執行，一條指令可代替多條指令使用，為編程提供了方便。H型機指令的執行速度又加快了，大型H型機基本指令執行時間才0.4μs，而C200H機也只有0.7μs。H型機的通信功能增強了，甚至小型H型機也配有RS-232C接口，與計算機可以直接通信。大型機C2000H的CPU可進行熱備配置，一般I/O單元還可在線插拔。C200H的特殊功能模塊很豐富，結構合理，功能齊全，為當時中型機中較優秀的機型，得到了非常廣泛的應用。C200H曾用于太空實驗站，開創了業界先例。

另外，歐姆龍還開發出微型機SP20/SP16/SP10。這類機型點數少，最少為10點，但可自身連網（PLC Link），最多可達80點。它的體積很小，功能單一，價格較低，特別適合用于安裝空間小、點數要求不多的繼電控制場合。

2.20世紀90年代的歐姆龍PLC

20世紀90年代初期，歐姆龍推出無底板模塊式結構的小型機CQM1，I/O點數最多可達256點。CQM1的指令已超過100種，它的速度較快，基本指令執行時間為0.5μs，比中型機C200H還要快。CQM1的DM區增加很多，雖為小型機，但DM區可達6KB，比中型機C200H的2KB大很多。CQM1共有七種CPU，每種CPU都帶有16個內置輸入點，有輸入中斷功能，都可接增量式旋轉編碼器進行高速計數，計數頻率單相為5kHz、兩相為2.5kHz。CQM1還有高速脈沖輸出功能，標準脈沖輸出可達1kHz。此外，CPU42帶有模擬量設定功能，CPU43有高速脈沖I/O接口，CPU44有絕對式旋轉編碼器接口，CPU45有A-D、D-A接口。CQM1雖然是小型機，但采用模塊式結構，像中型機一樣，也由A-D、D-A、溫控等特殊功能單元和各種通信單元組成。CQM1的CPU單元除CPU11外都自帶RS-232C通信接口。

在CQM1推出之前，歐姆龍推出了大型機及CV系列，性能比C系列大型H型機顯著提高，極大提高了歐姆龍在大型機方面的競爭實力。1998年底，歐姆龍推出CVM1D雙極熱備系統，具有雙CPU和雙電源單元，都可熱備。CVM1D繼承了CV系列的各種功能，可以使用CV的I/O單元、特殊功能單元和通信單元。CVM1D的I/O單元可在線插拔。

值得注意的是進入20世紀90年代后，歐姆龍更新換代的速度明顯加快，特別是后5年，歐姆龍在中型機和小型機上又有不少技術更新。

中型機從C200H發展到C200HS，于1996年進入中國市場；到了1997年全新的中型機C200Hα問世，性能比C200HS又有顯著提高。除基本性能比C200HS提高外，α機的突出特點是通信組網能力強。例如，CPU除自帶RS-232C接口外，還可插上通信板，板上配有RS-232C、RS-422/RS-485接口，α機使用協議宏功能指令，通過上述各種串行通信口與外圍設備進行數據通信。α機可加入歐姆龍高層信息Ethernet，還可加入中層控制Controller Link網，而C200H、C200HS則不可以。

1999年歐姆龍在中國市場上又推出比α機功能更加完善的CS1系列機型，雖然兼容了α機的功能，但不能簡單地看作是α機的改進，而是性能的一次質的飛躍。CS1代表了當今PLC發展的最新動向。

歐姆龍在小型機方面也取得了長足進步。1997年，歐姆龍在推出α機的同時，還推出了P型機的升級產品，即小型機CPM1A。與P型機相比，CPM1A體積很小，只有同樣I/O點數P型機的1/2，但它的性能改進很大，例如，它的指令有93種、153條，基本指令執行時間為0.72μs，程序容量達2048字，單相高速計數達5kHz（P型機為2kHz）、兩相為2.5kHz（P型機無此功能），有脈沖輸出、中斷、模擬量設定、子程序調用、宏指令功能等。通信功能也增強了，可實現PLC彼此間、與計算機間通信，還與PT連接。

1999年，歐姆龍在推出CS1系列的同時，在小型機方面相繼推出了CPM2A/CPM2C/CPM2AE、CQM1H等機型。

CPM2A是CPM1A之后的另一系列機型。CPM2A的性能比CPM1A有新的提升，例如，CPM2A指令的條數增加、功能增強、執行速度加快，可擴展的I/O點數、PLC內部器件的數目、程序容量、數據存儲器容量等也都增加了；所有CPM2A的CPU都自帶RS-232C接口，在通信連網方面比CPM1A改進不少。

CPM2C具有獨特的超薄、模塊化設計，由CPU和I/O擴展單元，以及模擬量I/O、溫度傳感和CompoBus/S I/O鏈接等特殊功能單元組成。CPM2C的I/O采用I/O端子臺或I/O連接器形式，每種單元的體積都極小，僅90mm×65mm×33mm。CPU使用DC電源，共十種型號，輸出是繼電器或晶體管形式，有的CPU帶時鐘功能。CPM2C的I/O擴展單元也有十種型號，最多可擴展到140點，單元之間通過側面的連接器相連。CPM2C有RS-232C接口，通過專用通信接口CPM2C-CIF01/CIF02，可把外設接口轉換為RS-232C接口或RS-422/RS-485接口。CPM2C CPU的基本性能、特殊功能和通信聯網功能與CPM2A相一致。

CPM2AE是歐姆龍公司專為中國市場開發的，僅有60點繼電器輸出的CPU，是CPM2A-60CDR-A的簡化機型。CPM2AE刪除CPM2A的一些功能，如后備電池（可選）、RS-232接口、CTBL指令（寄存器比較指令）等，以減少成本、降低售價，其他功能則與CPM2A完全相同。

緊湊型CQM1H是小型機CQM1的升級換代產品，是歐姆龍PC家族中的一朵奇葩，擁有漂亮的外表、齊全的功能，用于分散控制。CQM1H延續了原先CQM1的所有優點，提升并充實了CQM1的多種功能，對CQM1有很好的兼容性，使CQM1的老用戶升級換代十分方便。CQM1H鞏固了歐姆龍在中小型PLC領域無與倫比的優勢，提升和充實了三大性能：I/O控制點數、程序容量和數據容量均比CQM1的翻一番；提供多種先進的內裝板，能勝任更加復雜和柔性的控制任務；CQM1H可以加入Controller Link網，還支持協議宏通信功能。

3.21世紀初的歐姆龍PLC

進入21世紀初，歐姆龍小型PLC除CQM1H、CPM外還有CJ1、CJ2。CJ1是無底板結構，綜合了自動化控制和過程控制的必要功能，實現DeviceNet及串行通信；CJ2繼承了CJ1的所有功能并全新升級至大容量數據存儲，并搭載多功能型Ethernet接口、標簽訪問功能、USB接口的CPU；CPM2C發展到最多192個I/O點，CPM2C-CIF21只需簡單初始設定即可方便地實現元器件和CPM2C的數據交換，新增CPM2B。

歐姆龍中型PLC有CS1、C200HX/C200HG/C200HE。CS1有豐富的CPU型號，可實現960～5120個I/O點，更有內置I/F等型號；C200HX/C200HG/C200HE有多樣的CPU及電源裝置，640～1184個I/O點全覆蓋。CVM1/CV最適宜大規模機器的控制；NSJ將觸摸屏和控制器封裝在一起；通信網絡八個產品無縫連接信息系統控制系統的各種PLC單元和周邊工具軟件產品。還有時序控制與過程控制融合的PLC儀表系統、C120、C20HB、C500-NC、C500等。

CP1E/L/H內置脈沖輸出、模擬量輸入輸出、串行通信功能，是多功能一體機，可以簡單共享CS/CJ的梯形圖，提供Function block（FB）、Structure text（ST）語言，無論是小規模還是大規模的控制都可以通過同樣的規格與操作來完成，包括FB的程序編程。CP1H系統處理速度快，基本指令0.1μs/條、高級指令0.3μs/條；程序容量（20KB）與I/O容量（DM區32KB）大；整體式體積小、功能強、空間利用率大、軟硬件兼容性好；可擴展七個擴展單元，最多達320個I/O點；能模擬量輸入/輸出、高速中斷、高速計數、高頻脈沖輸出、高速處理400條指令、FB編程；可將程序劃分為最多32個實現不同控制功能的循環任務段，另外提供電源斷開中斷、定時中斷、I/O中斷和外部I/O中斷等四類256個中斷任務；兩個通信接口實現與可編程終端（PT）、變頻器、溫度控制器、智能傳感器及PLC之間的各種連接；能通過USB通信。

可以看出，近年歐姆龍PLC技術的發展日新月異，升級換代呈明顯加速趨勢，這是計算機技術飛速發展和市場激烈競爭的必然結果。

1.4.2 歐姆龍C系列P型PLC內部資源分配

歐姆龍C系列P型PLC內部資源分配包括輸入繼電器（IR）、輸出繼電器（OR）、內部輔助繼電器（MR）、專用內部輔助繼電器（SMR）、暫時存儲繼電器（TR）、保持繼電器（HR）、定時器/計數器（TIM/CNT）和數據存儲區等等。

1.內部資源（存儲區）的分配

C系列P型PLC引用電氣控制系統中的術語，用繼電器定義存儲區中的位，將用戶數據區按繼電器的類型分為八大類，即輸入繼電器區、輸出繼電器區、內部輔助繼電器區、專用內部輔助繼電器區、暫時存儲繼電器區保持繼電器區、定時器/計數器區和數據存儲區。對各區的訪問采用通道的概念，將各區劃分為若干連續的通道，每個通道包含16個二進制位（Word），用標識符及一個或兩個數字組成通道號來標識各區的各個通道。有些區可按繼電器（位）尋址，要在通道號后面再加兩位數字00～15組成繼電器號（位號）來標識通道中的各位。整個數據存儲區的任一繼電器或位都可用通道號或繼電器號唯一表示。數據區通道號分配見表1-2。

2.輸入/輸出繼電器

（1）輸入繼電器 輸入繼電器是用來接收可編程序控制器外部開關（或模擬）信號的“窗口”，只能由外部信號驅動。P型PLC輸入繼電器加裝I/O擴展后最多可占有五個通道，編號為00～04，每個通道有16個繼電器。可見輸入繼電器最多有80個，編號為0000～0415，見表1-3。

（2）輸出繼電器 輸出繼電器是用來將信號傳送到外部負載的器件，它有一個對外部輸出的動合觸點，是按照程序的執行結果而被驅動的。P型PLC輸出繼電器加裝I/O擴展后最多可占有五個通道，編號為05～09。每個通道有16個輸出繼電器，但其中編號為12～15的繼電器是用來執行可編程序控制器內部操作的內部輔助繼電器，故實際使用的輸出繼電器是12個。最大輸出繼電器的數目為60個，編號為0500～0911，見表1-4。

由于歐姆龍C系列P型PLC是一個系列產品，所以不同型號和不同配置的系列，其I/O點數也是不同的。

3.內部繼電器

PLC內部繼電器與I/O繼電器不同，既不能被外部信號所驅動，也不能直接驅動外部設備，但可以由PLC中各種觸點來驅動。內部繼電器包括內部輔助繼電器、保持繼電器、暫存繼電器和數據存儲繼電器。

（1）內部輔助繼電器 內部輔助繼電器（AR）在適當指令條件下，可使繼電器建立起一定的邏輯關系，功能相當于繼電器-接觸器系統的中間繼電器。P型PLC內部輔助繼電器共有九個通道，編號為10～18，除18通道外，每個通道都有16個AR，即共有136個AR，編號為1000～1807，見表1-5。

（2）保持繼電器 保持繼電器（HR）具有掉電保護的功能，用于控制對象需要保存掉電前的狀態，以便當PLC恢復工作時再現這些狀態。保持繼電器共占有十個通道，編號為HR0～HR9，每個通道有16個HR，總共160個HR，編號為HR000～HR915，見表1-6。

（3）暫時存儲繼電器 C系列P型PLC有八個暫存繼電器（TR），編號為TR0～THR7。暫存繼電器可不按順序進行分配，在同一程序段中不能重復使用相同的HR編號，但不同程序段中可以使用。

（4）數據存儲繼電器 數據存儲繼電器（DM）具有掉電保護功能，通道編號為DM00～DM63，不能以單獨的點（位）來使用，要以通道編號（數據區DM、字）為單位來使用。

4.專用內部輔助繼電器

C系列P型PLC有16個專用內部輔助繼電器（1808～1907），它們是內部輔助繼電器18通道的左字節和19通道的右字節，用來表示PLC的工作狀態，以及產生脈沖和對PLC做一些特殊處理。它們的編號和功能見表1-7。

5.定時器/計數器

C系列P型PLC提供48個定時器或48個計數器，或者是總數不超過48個定時器與計數器的組合。定時器和計數器的編號為TIM00～TIM47或CNT00～CNT47，在分配定時器和計數器編號時，兩者的編號不能相同，例如不能既有TIM09定時器又有CNT09計數器。

當電源掉電時，定時器被復位，而計數器不復位，具有掉電保護功能。定時器和計數器不能直接產生輸出，若要輸出則必須通過輸出繼電器。

1.4.3 歐姆龍CS/CJ系列PLC簡介

CS和CJ系列PLC是歐姆龍公司C系列PLC的高端中型機，各有幾種模擬量I/O單元，以此為例進行圖示如下。

1.基本配置

CS和CJ系列PLC模擬量I/O單元的安裝位置是有差異的，CS在左、CJ在右。

（1）CS系列PLC CS系列模擬量I/O單元，能使CS系列PLC在4000分辨率下獲得高精度輸入和輸出，有的輸出單元甚至提供8000分辨率設置，如圖1-7所示。

（2）CJ系列PLC CJ系列模擬量I/O單元都是特殊I/O單元，可在4000分辨率下進行高精度模擬量輸入和輸出，如圖1-8所示。

2.安裝步驟

（1）CS系列PLC使用下述過程將模擬量I/O單元安裝到背板：

1）將模擬量I/O單元的頂部鎖進背板的插槽，并如圖1-9a所示向下移動單元；

2）確定單元與連接器正確排列后，擰緊安裝螺釘，直到擰緊的轉矩達到0.4N·m；

3）卸下單元時，首先用十字螺釘旋具擰松安裝螺釘，如圖1-9b所示。

（2）CJ系列PLC CJ系列PLC系統配置中，模擬量I/O單元作為I/O單元連接，如圖1-10所示。

3.CS系列PLC操作步驟

當使用模擬量輸入單元時應遵守下列程序：

① 將單元背板上的DIP開關操作模式設置為普通模式；

② 設置接線板下的電壓/電流開關；

③ 單元配線；

④ 使用單元前板上的單元號開關來設置單元號；

⑤ 打開PLC電源；

⑥ 創建I/O表；

⑦ 進行特殊輸入單元DM區域的設置，包括將使用的輸入號碼、輸入信號范圍、均值處理樣本號、轉換時間和分辨率（僅對V1版）；

⑧ 關閉然后接通PLC電源，或將特殊I/O單元重啟動位開到ON。

（1）指示器 指示器表示單元的操作狀態，有RUN（綠）、ERG（紅）、ADJ（黃）、ERH（紅）等指示燈。

（2）單元號開關 CPU和模擬量輸入單元通過特殊I/O單元區域和特殊I/O單元DM區域交換數據，每個模擬量輸入單元占據的特殊I/O區域和DM區域字地址是由單元板上單元號開關設置的。設置單元號前，保持電源OFF狀態，使用一字螺釘旋具，并保證設置過程中不離開開關。

（3）操作模式開關 單元背板上的操作模式開關用來將操作模式設置成普通模式（1-OFF、2-OFF）或調整模式（1-ON、2-OFF），安裝或拆卸單元前確保PLC電源關閉。

（4）電壓/電流開關 接線板下有電壓/電流開關，模擬量轉換輸入可設置它們從電壓輸入（OFF）調成電流輸入（ON），注意安裝或拆卸接線板前確定關閉電源。

（5）端子排列 接線端子一般分兩列，如A1～A11、B1～B10，其中N.C.表示不做任何連接。

4.CJ系列PLC操作步驟

基本與上述CS系列PLC的操作步驟相同，只是CJ的DIP開關不在背板，而在前板上。

1.4.4 歐姆龍CV系列PLC簡介

歐姆龍CV系列PLC有CVM1-CPU01-V2/CPU11-V2/CPU21-V2、CV500/CV1000/CV2000等型號，屬大型機，性能明顯優于C系列H型機。CVM1采用梯形圖編程，而CV除梯形圖外，還可使用順序功能圖（Sequence Function Chart, SFC）編程。CV系列PLC有以下特點：

1.系統結構改進

CV系列PLC采用統一的總線結構和多微處理器的設計。第一條總線是I/O總線，用于進行CPU與一般的I/O通信。第二條總線是CPU總線，使得無需CPU控制，也可在CPU和屬于CPU總線單元的通信單元之間進行高速的、點對點的總線通信。這種結構不但方便了通信，而且使執行程序及通信處理分開，減少了PLC的掃描時間。圖1-11所示為CV機的CPU面板。

CV機CPU提供RS-232C、RS-422端口，可以通過開關進行選擇。CV機除基本內存外，還可選內存卡及擴展數據存儲器，以提高儲存容量。

2.指令功能強、運算速度快

CV機有170種共計333條指令，CVM1機則有284種共計515條指令，遠遠多于C2000H的174條指令。

同樣類型的指令，功能加強了。如定時指令，除了C2000H已有的指令，還增加了可累計計時的、可長計時的、可多輸出的。長計時的時間可長達115天，精度為±0.1s。

功能強還表現為，有的指令可帶“↑”（上升沿執行）、“↓”（下降沿執行）及“!”（立即刷新）的前綴，可使一條指令起到原先多條指令的作用。

指令執行時間短，基本指令（LD）執行時間僅為0.15μs，而C2000H的為0.4μs。

3.內部器件多

CV機基本的I/O點最多可達2048，是C2000H的2倍。CV機內部器件很多，除輸入輸出繼電器（CIO）、內部輔助繼電器（CIO）、數據鏈接繼電器（CIO）、保持繼電器（CIO）、暫存繼電器（TR）、特殊輔助繼電器（A）、定時器（T）、計數器（C）、數據存儲器（D）外，還有CPU總線連接繼電器（G）、擴展數據存儲器（EM）、數據寄存器（DR）、變址寄存器（IR）、步標志、轉移標志等。

即使C2000H有的器件，CV機的數量也大為增加，如數據存儲區，C2000H僅6656字，而CV1000可達24576字。CV機的定時器、計數器分開，數量各為1024個，也比C2000H多得多。

4.程序儲存器容量大

CV機程序容量為30KB/62KB，還有文件存儲器容量達1MB。另外可選用內存卡，用于存儲用戶程序，有RAM、EPROM、EEPROM類型，卡的容量可達512KB。

5.I/O刷新的方式多

CV機的I/O刷新方式多，即有：①帶前綴指令!的刷新，是在執行指令的同時進行刷新；②循環刷新，是在完成一個循環時對所有的I/O進行刷新，這是傳統PLC的刷新方式；③定時刷新，如定時10～100ms刷新所有的I/O；④過零刷新，是當交變信號過零時刷新。

6.CV機的特殊功能單元相當豐富

CV機的特殊功能單元有二十幾種，這顯示出CV機功能的強大性。在CV機上安裝個人計算機單元后，可以像普通計算機一樣配置顯示器、鍵盤、硬盤、軟驅、鼠標、打印機，此時，這臺CV機既具有高可靠控制功能，也具有一般計算機信息處理能力強的特點，使CV機的應用上到一個新臺階。

7.CV機組網能力強

CV機的組網能力強，可組成歐姆龍PLC的各種FA網絡。CV機可以組成歐姆龍PLC的高層信息網、中層控制網，并可作為網關或網橋使用，進行三級通信。CV機也可以組成低層的I/O器件網，如SYSMAC BUS或SYSMAC BUS/2，直接與現場I/O器件相連，對機器設備進行實時控制。