第二章 可編程控制器的硬件系統(tǒng)

第二章學(xué)時：4可編程序控制器的硬件系統(tǒng)知識回顧1、PLC基本單元由哪幾部分組成？他們的作用各是什么？答：基本單元主要由中央處理器（CPU）、總線、存儲器、輸入/輸出（I/O）口、通信接口和電源等部分組成。CPU是PLC的核心部件，控制所有其他部件的操作。總線是為了簡化硬件電路設(shè)計和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使CPU與各部件和外圍設(shè)備連接的共用連接線路。存儲器是具有記憶功能的半導(dǎo)體器件，用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序、邏輯變量和其他信息。I/O單元是PLC進行工業(yè)控制的輸入信號與輸出控制信號的轉(zhuǎn)換接口。通信口是為了實現(xiàn)“人－機”或“機－機”之間的信息交換。2、按結(jié)構(gòu)分，PLC共有幾種？他們各有什么優(yōu)、缺點？

答：（1）整體式PLC，將中央處理器、存儲器、I/O點、電源等硬件都裝在一個機殼內(nèi)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、價廉等優(yōu)點，但維修不如模塊式方便。（2）模塊式PLC，將PLC的各部分分成若干個單獨的模塊，具有配置靈活、裝配方便、便于擴展及維修等優(yōu)點，較多用于中型、大型PLC，價格較高。內(nèi)容提要

本章以O(shè)MRON公司的CPM1A、CPM2A、CP1H為例講解PLC的硬件結(jié)構(gòu)、基本功能和型號規(guī)格，剖析基本I/O單元，介紹模擬量I/O單元和特殊擴展設(shè)備。通過對典型機型的學(xué)習(xí)，熟悉PLC的硬件配置，為進一步學(xué)習(xí)指令系統(tǒng)和設(shè)計PLC控制系統(tǒng)打好基礎(chǔ)。教學(xué)要求：了解歐姆PLC的基本單元、擴展設(shè)備、編址方法，掌握編程器的基本應(yīng)用。教學(xué)重點和難點：歐姆龍PLC配置、編址方法與編程器應(yīng)用。第一節(jié)CP系列PLC簡介第二節(jié)輸入/輸出單元

特殊擴展單設(shè)備導(dǎo)入什么是整體式PLC？PLC的CPM系列CPM是日本歐姆龍公司（OMRON）產(chǎn)品中的一種PLC，即：OMRONSYSMACCPM1A系列PLC，在小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)中已獲廣泛應(yīng)用。第一節(jié)CP系列PLC簡介CP系列：CPM1A、CPM2A、CPM2AH、CPM2AH-S、CPM2C、CP1H、CP1L和CP1E等。除CPM2C外，都是整體式小型PLC。由電源、CPU、輸入/輸出口和程序存儲器組成，稱為CPU單元（或稱基本單元）。能方便的加裝擴展單元。

8123456791011121．CPU單元結(jié)構(gòu)一、CPM1A簡介1—功能接地端子2—電源輸入端子3—保護接地端子4—狀態(tài)顯示LED5—輸入LED6—輸入端子7—擴展連接器8—輸出端子9—輸出LED10—直流輸出電源端子11—外設(shè)端口12—模擬設(shè)定電位器I/O配置40點I/O型有24個輸入點，16個輸出點，I/O點按3∶2配置。24個輸入點共用一個COM端子。16個輸出點分為六組，共有六個COM端，其中10.00、10.01各占有一個，10.02、10.03合用一個，10.04、10.05、10.06、10.07和11.00、11.01、11.02、11.03和11.04、11.05、11.06、11.07分別各四點合用一個COM端。狀態(tài)顯示PWR（綠）電源指示，接通時亮，斷開時滅。RUN（綠）工作狀態(tài)指示，處在運行或監(jiān)控狀態(tài)時亮，處在編程狀態(tài)或運行異常時滅。ERR/ALM（紅）錯誤/警告指示，正常時滅，出現(xiàn)致命性錯誤時，指示燈亮；出現(xiàn)警告性錯誤時，指示燈閃爍時。COMM（橙）通信指示，PLC通過外設(shè)端口與外部設(shè)備通信時閃爍，不通信時滅。2．功能簡介高速計數(shù)器脈沖輸出通信指令系統(tǒng)存儲器后備模擬設(shè)定電位器（定時器、計數(shù)器數(shù)值）輸入時間常數(shù)設(shè)定（濾波時間）外部中斷（直接模式、計數(shù)模式）快速響應(yīng)輸入間隔定時中斷3．編程工具使用編程器使用計算機編程器和安裝了編程軟件的個人計算機編程時要通過RS-232通信適配器或?qū)Ｓ秒娎|4．型號規(guī)格例：CP1H–XA40DR-ACP1H

CP1H系列X

基本型，XA

內(nèi)置模擬量，Y帶脈沖輸入/輸出專用端子型40

內(nèi)置輸入/輸出點數(shù)DDC輸入R

繼電器輸出，T晶體管輸出A

交流電源，D直流電源。CPM1A的特點：1.CPM1A可連接可編程終端，選用通訊適配器以相應(yīng)的上位Link或高速NTLink與PT之間進行高速通訊。2.CPM1A有10點至40點多種CPU單元。CPU單元與擴展I/O并用，可完成10點到100點的輸入輸出要求。并有AC和DC兩種電源型號可選擇。3.CPM1A匯集了各種先進的功能，如高速響應(yīng)功能、高速計數(shù)功能、中斷功能，還備有2個模擬量設(shè)定。4.CPM1A由充足的程序容量，具有2048字的用戶程序存儲器和1024字的數(shù)據(jù)存儲器。CPM1A的基本指令：

1：LD取指令

2：LDNOT取反指令

3：AND與指令

4：ANDNOT與反指令

5：OUT輸出指令

6：OUTNOT輸反指令

7：OR或指令

8；ORNOT或反指令

9：ANDLD塊與指令

10：ORLD塊或指令

11：END（01）結(jié)束指令1．CPU單元結(jié)構(gòu)RS-232C串口二、CPM2*簡介外觀增加RS-232通信接口PLC設(shè)計規(guī)范中,RS232通訊的距離是多少?

A、1300M

B、200M

C、30M

D、15M

正確答案：D

PLC的RS485專用通訊模塊的通訊距離呢?

A、1300M

B、200M

C、500M

D、15M

正確答案：C

2．新增加的功能增加新的指令完善中斷功能、增加計數(shù)頻率高速脈沖輸出功能更加完善，頻率達10Hz~10kH增加同步脈沖控制功能增加時鐘功能完善通信功能增加RS-232C串口3．編程工具4．型號規(guī)格表示方法和CPM1A一致1．CPU單元結(jié)構(gòu)三、CP1H簡介1）電池蓋2）工作指示LED3）外圍設(shè)備USB端口4）7段LED顯示5）模擬電位器6）外部模擬設(shè)定輸入8）內(nèi)置模擬輸入輸出9）內(nèi)置模擬輸入切換開關(guān)10）存儲盒槽位11）供給電源/輸出端子臺12）輸出指示LED13）擴展I/O單元連接器14）選件板槽位15）電源、接地、輸入端16）輸入指示LED狀態(tài)顯示PWR（綠）電源指示，接通時亮，斷開時滅。RUN（綠）工作狀態(tài)指示，處在運行或監(jiān)控狀態(tài)時亮，處在編程狀態(tài)或運行異常時滅。ERR/ALM（紅）錯誤/警告指示，正常時滅，出現(xiàn)致命性錯誤時，指示燈亮；出現(xiàn)警告性錯誤時，指示燈閃爍時。INH（黃）負載切斷（A500.15）為ON時亮；BKUP（黃）程序、參數(shù)、數(shù)據(jù)內(nèi)存向內(nèi)置閃存（備份存儲器）寫入、訪問和復(fù)位時亮；PRPHL（黃）在USB端口通信時閃爍，平時滅。串行通信功能模擬電位器7段LED顯示無電池運行存儲盒程序保護故障診斷時鐘2.功能簡介中斷高速計數(shù)器50kHz，100kHz脈沖輸出1~100kHz，1~1MHz快速響應(yīng)輸入30μs模擬輸入輸出1/6000，1/12000串行通信功能3．編程工具也可通過RS-232C選件板CP1W-CIF01編程4．型號規(guī)格例：CP1H–XA40DR-ACP1H

CP1H系列X

基本型，XA

內(nèi)置模擬量，Y帶脈沖輸入/輸出專用端子型40

內(nèi)置輸入/輸出點數(shù)DDC輸入R

繼電器輸出，T晶體管輸出A

交流電源，D直流電源。第二節(jié)輸入/輸出單元一、開關(guān)量基本I/O單元I/O單元分類:按信號的流向

輸入單元和輸出單元按信號的形式

開關(guān)量I/O單元和模擬量I/O單元按電源形式

直流型和交流型電壓型和電流型按功能

基本I/O單元和特殊I/O單元

（一）開關(guān)量輸入單元

輸入模塊組成框圖

現(xiàn)場輸入信號輸入端子輸入電路輸入映像寄存器CPU按信號電源的不同分：直流輸入交流輸入交直流輸入直流輸入模塊電原理圖R1、R2、C作用：分壓、限流、濾波實現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換——將DC24V輸入信號轉(zhuǎn)換成TTL（5V）標準信號雙向光耦合器作用:整流、隔離和電平轉(zhuǎn)換。隔離——抗干擾，將電信號轉(zhuǎn)換為光信號進行傳輸。AC/DC外部電源COM光耦合器輸入端PLCLED輸入開關(guān)CR2內(nèi)部電路R1內(nèi)部電路輸入模板（二）開關(guān)量輸出單元

輸出模塊組成框圖

現(xiàn)場執(zhí)行元件CPU輸出鎖存器輸出電路輸出端子元件映像寄存器輸出形式：繼電器輸出晶閘管輸出晶體管輸出1.繼電器輸出（交直流）模塊

R1內(nèi)部電路R2ACCOMLED輸出端負載DCKA繼電器PLCKAC內(nèi)部電路輸出模板繼電器既是輸出開關(guān)器件，又是隔離器件R1和LED組成輸出狀態(tài)顯示器R2和C組成RC滅弧電路繼電器觸點動作的響應(yīng)時間約為10ms繼電器輸出模塊的負載回路，可選用直流電源，也可選用交流電源在電阻性負載時，輸出的最大負載電流為2A/點2.晶閘管輸出（交流）模塊

ACCR1LEDR2負載輸出端COMFUU固態(tài)繼電器內(nèi)部電路雙向晶閘管為輸出開關(guān)器件，由它組成的固態(tài)繼電器（ACSSR）具有光電隔離作用R2與C組成高頻濾波電路壓敏電阻作為消除尖峰電壓的浪涌吸收器雙向晶閘管開通響應(yīng)時間≤1ms，關(guān)斷響應(yīng)時間≤10ms在輸出負載回路中的電源只能選用交流電源3.晶體管輸出（直流）模塊內(nèi)部電路R2R3PLC輸出端COMLED光耦合器V1VSVDFU負載DCR1V1為輸出開關(guān)器件，光耦合器為隔離器件VS和FU分別用于輸出端的過壓保護和過流保護二極管VD可禁止負載電源反向接入晶體管輸出模塊所帶負載只能使用直流電源在電阻性負載時，最大負載電流為0.5A/點，通斷響應(yīng)時間均＜0.2ms（三）I/O單元規(guī)格

1．輸入單元規(guī)格輸入電壓DC24V（1）繼電器輸出規(guī)格（2）晶體管輸出規(guī)格2．輸出單元規(guī)格問題的提出當(dāng)CPU自帶的輸入輸出點數(shù)不夠時，怎么辦？可以考慮加裝擴展輸入輸出單元來實現(xiàn)，但擴展的點數(shù)隨機型不同而不同。123456有40點I/O、20點I/O、8點I、8點O等幾種，型號在CPM1A后分別后綴40EDR、40EDT、20EDR、20EDT、8ED、8ER、8ED，其中E表示為擴展單元。1-輸入端子

2-輸入LED3-擴展連接器

4-輸出LED5-輸出端子

6-擴展I/O連接電纜（一）擴展I/O單元簡介二、開關(guān)量擴展I/O單元CPM1A型（二）擴展I/O單元的使用CPM1A的10點、20點，受到系統(tǒng)軟件和供電電源的限制，不能擴展。CPM1A的30點、40點，可擴展到100點CP1H型連接限制1）最大可連接7個單元。（一）擴展I/O單元的使用2）占用通道數(shù)，輸入、輸出都必須在15CH以下。5）環(huán)境溫度的限制。3）合計消耗功率在30W以下。4）高功能單元合計不超過2臺。問題：CP1H最多能加幾個擴展單元？最多能擴展到多少個輸入點？多少個輸出點？答：接7個CPM1A系列的I/O擴展單元，整體輸入/輸出最大可達320點，輸入/輸出最大擴展280點，但擴展輸入、輸出都必須在15CH以下。現(xiàn)場模擬信號變送器V/VI/VA/D光電隔離輸入暫存CPU三、模擬量I/O單元

1.模擬量輸入單元

作用：連續(xù)變化的電壓、電流信號轉(zhuǎn)換成CPU能處理的若干位數(shù)字信號。

組成：2.模擬量輸出單元CPUV/VV/ID/A光電隔離輸出鎖存電壓輸出電流輸出作用：把CPU處理后的若干位數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量信號輸出。組成：

A/D、D/A模塊的主要參數(shù)：

分辨率精度轉(zhuǎn)換速度輸入阻抗輸出阻抗最大允許輸入范圍模擬通道數(shù)內(nèi)部電流消耗……

3.外置模擬量I/O單元（不同的機型有不同的輸入輸出路數(shù)）模擬量輸出單元DA003模擬量輸入單元AD003CPM1A-MAD01

4.內(nèi)置模擬量I/O單元XA型CP1HCPU單元內(nèi)置具有4路輸入、2路輸出的擬量I/O單元。模擬量范圍可設(shè)置成DC-10V~10V、0~10V、1~5V、0~5V、0~20mA和4~20mA6種，分辨率有1/6000和1/12000兩種。第三節(jié)

特殊擴展設(shè)備

特殊I/O功能單元作為智能單元，有自己的CPU、存儲器和控制邏輯，與I/O接口電路及總線接口電路組成一個完整的微型計算機系統(tǒng)。作用：1）在自己的CPU和控制程序的控制下，通過I/O接口完成相應(yīng)的輸出、輸入和控制功能；

2）通過總線接口與PLC單元的主CPU進行數(shù)據(jù)交換，接受主CPU發(fā)來的命令和參數(shù)，并將執(zhí)行結(jié)果和運行狀態(tài)返回主CPU。效果：既實現(xiàn)了特殊I/O單元的獨立運行，減輕了主CPU的負擔(dān)，又實現(xiàn)了主CPU單元對整個系統(tǒng)的控制與協(xié)調(diào)，從而大幅度地增強了系統(tǒng)的處理能力和運行速度。一、高速計數(shù)單元

用途：

用于脈沖或方波計數(shù)器、實時時鐘、脈沖發(fā)生器、數(shù)字碼盤等輸出信號的檢測和處理，及快速變化過程中的測量或精確定位控制。主要技術(shù)參數(shù)：計數(shù)脈沖頻率、計數(shù)范圍、計數(shù)方式、輸入信號規(guī)格、獨立計數(shù)器個數(shù)……

二、位置控制單元

作用：

用于位置控制的智能I/O單元，能改變被控點的位移速度和位置，適用于步進電動機或脈沖輸入的伺服電動機驅(qū)動器。主要參數(shù)：

占用I/O點數(shù)、控制軸數(shù)、輸出控制脈沖數(shù)、脈沖速率、脈沖速率變化、間隙補償、定位點數(shù)、位置控制范圍、最大速度、加/減速時間……

三、PID控制單元作用：多用于執(zhí)行閉環(huán)控制的系統(tǒng)中。技術(shù)指標：

PID算法和參數(shù)、操作方式、PID回路數(shù)、控制速度……四、溫度傳感器單元

溫度傳感器單元TS102作用：

通過單元內(nèi)的變送器和A/D轉(zhuǎn)換器，將溫度值轉(zhuǎn)換為BCD碼傳送給PLC。傳感器配置：熱電偶或熱電阻。主要技術(shù)參數(shù)：

輸入點數(shù)、溫度檢測元件、測溫范圍、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換范圍及誤差、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間、溫度控制模式、顯示精度、控制周期……五、通信單元以太網(wǎng)單元ETN22CONTROLLERLINK單元CLK23DEVICENET主單元DRM21上位鏈接（以太網(wǎng)）單元

PLC與計算機的互聯(lián)和通信遠程I/O（CONTROLLERLINK）單元主站PLC與從站PLC遠程互聯(lián)和通信PLC鏈接（DEVICENET）單元

PLC和PLC之間的互聯(lián)和通信主要技術(shù)參數(shù)：

數(shù)據(jù)通信的協(xié)議格式、通信接口傳輸距離、數(shù)據(jù)傳輸長度、數(shù)據(jù)傳輸速率、傳輸數(shù)據(jù)校驗……特殊功能單元和I/O鏈接單元。DEVICENET從單元DRT21A/D、D/A單元MAD01溫度傳感器單元TS102本章小結(jié)1.學(xué)習(xí)PLC，首先要熟悉其硬件結(jié)構(gòu)。2.接線時要分清電源接入端子、輸入端子、輸出端子，特別是輸出公共端。3.三種輸出單元對應(yīng)了不同負載的要求。4.擴