1.2 PLC的基本組成

PLC是以微處理器為核心的一種特殊的工業用計算機，其結構與一般的計算機相類似，由中央處理單元（CPU）、存儲器（RAM、ROM、EPROM、EEPROM等）、輸入接口、輸出接口、I/O擴展接口、外部設備接口及電源等組成。

根據結構形式不同，PLC可分為整體式（也稱箱體式）和組合式（也稱模塊式）兩類。整體式PLC是將中央處理單元（CPU）、存儲器、輸入單元、輸出單元、電源、通信接口、I/O擴展接口等組裝在一個箱體內構成主機。另外還有獨立的擴展單元等與主機配合使用。整體式PLC的結構緊湊、體積小，小型機常采用這種結構，基本組成如圖1.1所示。日本歐姆龍（OMRON）公司的CPM1A、CPM2A和CP1系列（CP1 H/CP1L/CP1E）均為整體式PLC。

組合式PLC的組成如圖1.2所示。這種結構的PLC是將CPU單元、輸入單元、輸出單元、智能I/O單元和通信單元等分別做成相應的電路板或模塊，各模塊可以插在底板上，模塊之間通過底板上的總線相互聯系。裝有CPU的單元稱為CPU模塊，其他單元稱為擴展模塊。CPU與各擴展模塊之間若通過電纜連接，距離一般不超過10m。中、大型機常采用組合式。日本歐姆龍（OMRON）公司的C200H、CJ1M和CS1等為組合式PLC。

本書將重點介紹的CP1（包括CP1H、CP1L和CP1E）系列PLC為整體式，CP1H單元具有20點和40點規格的輸入/輸出電路，CP1L/CP1E CPU單元具有10點、14點、20點、30點、40點和60點規格的輸入/輸出電路。CP1系列PLC將模塊式的各個單元集成為一體，不如模塊式靈活但是使用方便。如果I/O點數不夠，可用CP1系列的基本I/O擴展單元CP1W（或CPM1A和CPM2A的基本I/O擴展單元CPM1A）進行擴展。不同型號的CP1系列PLC可以連接的擴展單元的類型和數量不同。另外，CP1系列PLC可以連接CJ系列特殊I/O單元或CPU總線單元。

下面以CP1H為例，介紹CP1系列PLC各組成部分及其作用。PLC的具體型號不同時，其組成部分及作用會稍有差異。CP1系列不同PLC的差異將在第2章中介紹。

1.中央處理單元（CPU）

CPU是PLC的核心部件，它類似人的大腦，能指揮PLC按照預先編好的系統程序完成各種任務，其作用有以下幾點。

①接收、存儲由編程工具輸入的用戶程序和數據，并可通過顯示器顯示出程序的內容和存儲地址。

②檢查、校驗用戶程序。對正在輸入的用戶程序進行檢查，發現語法錯誤立即報警，并停止輸入；在程序運行過程中若發現錯誤，則立即報警或停止程序的執行。

③接收、調用現場信息。將接收到現場輸入的數據保存起來，在需要該數據的時候將其調出并送到需要該數據的地方。

④執行用戶程序。當PLC進入運行狀態后，CPU根據用戶程序存放的先后順序，逐條讀取、解釋和執行程序，完成用戶程序中規定的各種操作，并將程序執行的結果送至輸出端，以驅動PLC外部的負載。

⑤故障診斷。診斷電源、PLC內部電路的故障，根據故障或錯誤的類型，通過顯示器顯示出相應的信息，以提示用戶及時排除故障或糾正錯誤。

2.存儲器

存儲器可以分為以下兩種。

（1）系統程序存儲器

系統程序是廠家根據其選用CPU的指令系統編寫的，它決定了PLC的功能。系統程序一般由廠家直接固化在只讀ROM或EPROM之中，用戶不能更改其內容。它包括如下內容。

檢查程序：PLC加電后，由檢查程序檢查PLC各部件操作是否正常，并顯示。

翻譯程序：將用戶輸入的程序變換成由微機指令組成的程序，然后再執行。

監控程序：相當于總控程序，根據用戶的需要調用相應的內部程序。

（2）用戶程序存儲器

用戶根據控制要求而編制的應用程序稱為用戶程序。不同機型的PLC，其用戶程序存儲器的容量可能差異較大。用戶程序經常需要改動，所以用戶程序存儲器必須可讀/寫。用戶程序和數據存儲在隨機存取存儲器RAM中。一般要用后備電池（鋰電池）進行掉電保護，以防掉電時丟失程序和數據。CP1H系列整體式PLC，可選外置快閃存儲卡，容量達512KB，并含有內置閃存，用戶程序和參數區（如PLC設置）是自動備份和自動恢復的。

3.輸入/輸出單元

輸入/輸出（I/O）單元（或I/O模塊）是PLC與外部設備相互聯系的窗口。輸入單元接收現場設備向PLC提供的信號，例如，由按鈕、操作開關、限位開關、繼電器觸點、接近開關、撥碼器等提供的開關量信號，可使用開關量輸入單元接收這些開關量信號；可使用模擬量（A/D）輸入單元接收溫度傳感器及變送器發出的直流電壓信號；可使用高速計數單元接收旋轉編碼器發出的脈沖信號等。輸入單元將接收到的各種現場信號轉換成CPU能夠接收和處理的信號。輸出單元通常有開關量輸出、脈沖輸出和模擬量輸出3種輸出單元。開關量輸出單元用于驅動控制繼電器、接觸器、電磁閥及指示燈等。脈沖輸出單元用于連接步進電動機驅動器，驅動步進電動機，構成定位控制系統；也可以連接具有脈沖輸入端口的交流伺服驅動器，驅動交流永磁同步電動機，構成位置閉環控制系統。模擬量（D/A）輸出單元可用于連接具有模擬量輸入端口的直流驅動器，驅動直流電動機構成直流調速系統或位置控制系統；也可用于連接具有模擬量輸入端口的交流伺服驅動器，驅動交流伺服電動機，構成速度控制系統、位置控制系統或同步控制系統等。

（1）數字量（開關量）輸入單元

歐姆龍公司的CP1H帶有內置輸入/輸出端子。X/XA型CPU單元的數字量（開關量）輸入單元的接點占用輸入繼電器0CH的00～11位12點，和1CH的00～11位12點，共計24點。因為0CH/1CH的高位位12～15通常被系統清除，故不可作為內部輔助繼電器使用。輸入電路如圖1.3所示，性能指標見表1.1。圖1.3（a）中點畫線框內為輸入電路，框外左側為現場用戶接線；3.0kΩ為限流電阻；910Ω與1000pF構成濾波器，用以除去輸入信號中的高頻干擾；虛線框內為光電耦合器輸入指示燈，由發光二極管和光敏三極管組成，它將輸入電路與內部電路（控制電路）隔離，提高輸入單元的抗干擾能力；輸入指示燈在外部輸入電路接通時亮，表示有信號輸入。圖1.3（b）、圖1.3（c）原理與圖1.3（a）一樣，并且可以看出直流電源的極性接法是任意的。輸入可以是按鈕開關、行程開關及位置開關等，使用時外接24V直流電源，如圖1.3所示，也可以是光敏類接近開關和磁敏類接近開關等開關元件。

表1.1 CP1H-XA型數字量（開關量）輸入單元性能指標

（2）數字量（開關量）輸出單元

開關量輸出單元有繼電器輸出單元、晶體管輸出單元及雙向晶閘管（可控硅）輸出單元。

①繼電器輸出單元。X/XA型CPU單元的數字量（開關量）輸出繼電器占用100CH的00～07位8點，101CH的00～07位8點，共計16點。100CH/101CH的高位位08～15可作為內部輔助繼電器使用。圖1.4是電路圖。內部有16只小型24V直流繼電器，其規格性能指標見表1.2。圖中點畫線框內是繼電器單元的輸出電路，框外右側為現場用戶接線，圖中僅畫出1位接點的輸出電路，其他各繼電器輸出點的輸出電路均相同。

表1.2 CP1H-XA型繼電器輸出單元性能指標

繼電器輸出單元的負載可以是接觸器、牽引電磁鐵、比例電磁鐵、氣動電磁閥、液壓電磁閥、信號燈及警報器等。外接電源視負載類型而定，可選用直流或交流電源。使用直流電源時，電源極性接法任意。

②晶體管輸出單元。CP1H-XA的晶體管輸出單元電路如圖1.5所示，性能指標見表1.3。

表1.3 CP1H-XA型的晶體管輸出單元性能指標

圖1.5（a）、圖1.5（b）分別對應地址100CH的8個和101CH的8個輸出端子的輸出電路，圖1.5中點畫線框內是晶體管輸出單元內部的輸出電路，框外右側為現場用戶接線。外接電源為24V直流電源。圖1.5（b）虛線框內為光電耦合器，外面的三極管為功率無觸點開關元件，用于接通或斷開負載電路。圖中只畫出一位即一個輸出點的輸出電路，其他各個輸出點的輸出電路均相同。

晶體管作為無觸點開關元件，壽命長且響應時間短，如本例中晶體管輸出單元ON響應時間為0.1ms左右，OFF響應時間為0.1ms左右。最大通斷范圍為DC1～300mA，4.5～30V。通常晶體管輸出單元采用光電耦合器作為輸出級，使內部電路（控制電路）與輸出電路隔離，內部電路不直接受到負載電流的影響，提高了輸出單元抗干擾能力。對于晶體管輸出單元，當負載為感性負載時，應采用浪涌吸收器，用于吸收浪涌電壓。此外，還應有過電流和過載保護電路。

4.電源部分

PLC中一般配有開關式穩壓電源為內部電路供電。開關電源的輸入電壓范圍寬、體積小、質量輕、效率高、抗干擾性能好。有的PLC能向外部提供24V的直流電源，可給輸入單元所連接的外部開關或傳感器供電。

5.外設端口

每臺PLC都有外設端口。通過外設端口，PLC可與外部設備相連接。例如，連接編程器以輸入、修改用戶程序或監控程序的運行；有的PLC可以通過外設端口與其他PLC、計算機或終端設備PT等連接進行通信，或連成各種網絡等。

CP1系列之前的OMRON PLC的外設端口，可直接連接手持編程器，向PLC寫入程序。CP1系列PLC取消了手持編程器配置，沒有通常的外設端口，有一個外圍設備USB端口。另外，還可以安裝相應的選件板得到RS-232C和RS-422A/485兩個通信端口。

6.編程工具

編程工具是開發應用和檢查維護PLC及監控系統運行不可缺少的外部設備。編程工具的主要作用是用來編輯程序、調試程序和監控程序的執行，還可以在線測試PLC的內部狀態和參數，與PLC進行人機對話等。通常使用的編程工具可以是簡易手持編程器，也可以是配有專用編程軟件包的通用計算機。

（1）簡易編程器

簡易編程器不能直接輸入梯形圖程序，只能輸入語句表程序。用簡易編程器編程時，編程器必須與PLC相連接。簡易編程器的優點是價格低、體積小、質量輕、方便攜帶。

編程器可以不參與現場運行，所以一臺編程器可以供多臺PLC使用。

（2）計算機輔助編程

目前各PLC廠家都設計了PLC的計算機輔助編程軟件。當PLC與裝有編程軟件的計算機連接通信時，可進行計算機輔助編程（見第4章）。編程軟件的功能很強，它可以編輯、修改用戶的程序，監控系統運行，打印文件，采集和分析數據，監控系統運行狀況，對工業現場和系統進行仿真，將程序儲存在磁盤上，實現計算機和PLC之間的程序相互傳送等。

CP1系列之前的OMRON PLC可直接采用手持編程器編程，也可以通過計算機輔助編程。CP1系列PLC取消了手持編程器編程功能，只能通過CX-Programmer（簡稱CX-P）編程軟件在計算機上編程，然后下載到PLC中。

7.I/O擴展端口和擴展單元

當主機上的I/O點數或類型不能滿足用戶需要時，主機可以通過I/O擴展端口連接基本I/O擴展單元來增加I/O點。沒有I/O擴展端口的PLC不能進行I/O點擴展。另外，通過I/O擴展端口還可以連接各種高功能I/O擴展單元和CPU高功能單元，擴展PLC的功能。

CP1系列PLC的高功能I/O擴展單元和CPU單元有：A/D單元、D/A單元、高速計數單元、位置控制單元、溫度控制單元和各種通信單元等。