第二章 可编程控制器的硬件系统

第二章学时：4可编程序控制器的硬件系统知识回顾1、PLC基本单元由哪几部分组成？他们的作用各是什么？答：基本单元主要由中央处理器（CPU）、总线、存储器、输入/输出（I/O）口、通信接口和电源等部分组成。CPU是PLC的核心部件，控制所有其他部件的操作。总线是为了简化硬件电路设计和系统结构，使CPU与各部件和外围设备连接的共用连接线路。存储器是具有记忆功能的半导体器件，用于存放系统程序、用户程序、逻辑变量和其他信息。I/O单元是PLC进行工业控制的输入信号与输出控制信号的转换接口。通信口是为了实现“人－机”或“机－机”之间的信息交换。2、按结构分，PLC共有几种？他们各有什么优、缺点？

答：（1）整体式PLC，将中央处理器、存储器、I/O点、电源等硬件都装在一个机壳内，具有结构紧凑、体积小、价廉等优点，但维修不如模块式方便。（2）模块式PLC，将PLC的各部分分成若干个单独的模块，具有配置灵活、装配方便、便于扩展及维修等优点，较多用于中型、大型PLC，价格较高。内容提要

本章以OMRON公司的CPM1A、CPM2A、CP1H为例讲解PLC的硬件结构、基本功能和型号规格，剖析基本I/O单元，介绍模拟量I/O单元和特殊扩展设备。通过对典型机型的学习，熟悉PLC的硬件配置，为进一步学习指令系统和设计PLC控制系统打好基础。教学要求：了解欧姆PLC的基本单元、扩展设备、编址方法，掌握编程器的基本应用。教学重点和难点：欧姆龙PLC配置、编址方法与编程器应用。第一节CP系列PLC简介第二节输入/输出单元

特殊扩展单设备导入什么是整体式PLC？PLC的CPM系列CPM是日本欧姆龙公司（OMRON）产品中的一种PLC，即：OMRONSYSMACCPM1A系列PLC，在小规模控制系统中已获广泛应用。第一节CP系列PLC简介CP系列：CPM1A、CPM2A、CPM2AH、CPM2AH-S、CPM2C、CP1H、CP1L和CP1E等。除CPM2C外，都是整体式小型PLC。由电源、CPU、输入/输出口和程序存储器组成，称为CPU单元（或称基本单元）。能方便的加装扩展单元。

8123456791011121．CPU单元结构一、CPM1A简介1—功能接地端子2—电源输入端子3—保护接地端子4—状态显示LED5—输入LED6—输入端子7—扩展连接器8—输出端子9—输出LED10—直流输出电源端子11—外设端口12—模拟设定电位器I/O配置40点I/O型有24个输入点，16个输出点，I/O点按3∶2配置。24个输入点共用一个COM端子。16个输出点分为六组，共有六个COM端，其中10.00、10.01各占有一个，10.02、10.03合用一个，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分别各四点合用一个COM端。状态显示PWR（绿）电源指示，接通时亮，断开时灭。RUN（绿）工作状态指示，处在运行或监控状态时亮，处在编程状态或运行异常时灭。ERR/ALM（红）错误/警告指示，正常时灭，出现致命性错误时，指示灯亮；出现警告性错误时，指示灯闪烁时。COMM（橙）通信指示，PLC通过外设端口与外部设备通信时闪烁，不通信时灭。2．功能简介高速计数器脉冲输出通信指令系统存储器后备模拟设定电位器（定时器、计数器数值）输入时间常数设定（滤波时间）外部中断（直接模式、计数模式）快速响应输入间隔定时中断3．编程工具使用编程器使用计算机编程器和安装了编程软件的个人计算机编程时要通过RS-232通信适配器或专用电缆4．型号规格例：CP1H–XA40DR-ACP1H

CP1H系列X

基本型，XA

内置模拟量，Y带脉冲输入/输出专用端子型40

内置输入/输出点数DDC输入R

继电器输出，T晶体管输出A

交流电源，D直流电源。CPM1A的特点：1.CPM1A可连接可编程终端，选用通讯适配器以相应的上位Link或高速NTLink与PT之间进行高速通讯。2.CPM1A有10点至40点多种CPU单元。CPU单元与扩展I/O并用，可完成10点到100点的输入输出要求。并有AC和DC两种电源型号可选择。3.CPM1A汇集了各种先进的功能，如高速响应功能、高速计数功能、中断功能，还备有2个模拟量设定。4.CPM1A由充足的程序容量，具有2048字的用户程序存储器和1024字的数据存储器。CPM1A的基本指令：

1：LD取指令

2：LDNOT取反指令

3：AND与指令

4：ANDNOT与反指令

5：OUT输出指令

6：OUTNOT输反指令

7：OR或指令

8；ORNOT或反指令

9：ANDLD块与指令

10：ORLD块或指令

11：END（01）结束指令1．CPU单元结构RS-232C串口二、CPM2*简介外观增加RS-232通信接口PLC设计规范中,RS232通讯的距离是多少?

A、1300M

B、200M

C、30M

D、15M

正确答案：D

PLC的RS485专用通讯模块的通讯距离呢?

A、1300M

B、200M

C、500M

D、15M

正确答案：C

2．新增加的功能增加新的指令完善中断功能、增加计数频率高速脉冲输出功能更加完善，频率达10Hz~10kH增加同步脉冲控制功能增加时钟功能完善通信功能增加RS-232C串口3．编程工具4．型号规格表示方法和CPM1A一致1．CPU单元结构三、CP1H简介1）电池盖2）工作指示LED3）外围设备USB端口4）7段LED显示5）模拟电位器6）外部模拟设定输入8）内置模拟输入输出9）内置模拟输入切换开关10）存储盒槽位11）供给电源/输出端子台12）输出指示LED13）扩展I/O单元连接器14）选件板槽位15）电源、接地、输入端16）输入指示LED状态显示PWR（绿）电源指示，接通时亮，断开时灭。RUN（绿）工作状态指示，处在运行或监控状态时亮，处在编程状态或运行异常时灭。ERR/ALM（红）错误/警告指示，正常时灭，出现致命性错误时，指示灯亮；出现警告性错误时，指示灯闪烁时。INH（黄）负载切断（A500.15）为ON时亮；BKUP（黄）程序、参数、数据内存向内置闪存（备份存储器）写入、访问和复位时亮；PRPHL（黄）在USB端口通信时闪烁，平时灭。串行通信功能模拟电位器7段LED显示无电池运行存储盒程序保护故障诊断时钟2.功能简介中断高速计数器50kHz，100kHz脉冲输出1~100kHz，1~1MHz快速响应输入30μs模拟输入输出1/6000，1/12000串行通信功能3．编程工具也可通过RS-232C选件板CP1W-CIF01编程4．型号规格例：CP1H–XA40DR-ACP1H

CP1H系列X

基本型，XA

内置模拟量，Y带脉冲输入/输出专用端子型40

内置输入/输出点数DDC输入R

继电器输出，T晶体管输出A

交流电源，D直流电源。第二节输入/输出单元一、开关量基本I/O单元I/O单元分类:按信号的流向

输入单元和输出单元按信号的形式

开关量I/O单元和模拟量I/O单元按电源形式

直流型和交流型电压型和电流型按功能

基本I/O单元和特殊I/O单元

（一）开关量输入单元

输入模块组成框图

现场输入信号输入端子输入电路输入映像寄存器CPU按信号电源的不同分：直流输入交流输入交直流输入直流输入模块电原理图R1、R2、C作用：分压、限流、滤波实现电平的转换——将DC24V输入信号转换成TTL（5V）标准信号双向光耦合器作用:整流、隔离和电平转换。隔离——抗干扰，将电信号转换为光信号进行传输。AC/DC外部电源COM光耦合器输入端PLCLED输入开关CR2内部电路R1内部电路输入模板（二）开关量输出单元

输出模块组成框图

现场执行元件CPU输出锁存器输出电路输出端子元件映像寄存器输出形式：继电器输出晶闸管输出晶体管输出1.继电器输出（交直流）模块

R1内部电路R2ACCOMLED输出端负载DCKA继电器PLCKAC内部电路输出模板继电器既是输出开关器件，又是隔离器件R1和LED组成输出状态显示器R2和C组成RC灭弧电路继电器触点动作的响应时间约为10ms继电器输出模块的负载回路，可选用直流电源，也可选用交流电源在电阻性负载时，输出的最大负载电流为2A/点2.晶闸管输出（交流）模块

ACCR1LEDR2负载输出端COMFUU固态继电器内部电路双向晶闸管为输出开关器件，由它组成的固态继电器（ACSSR）具有光电隔离作用R2与C组成高频滤波电路压敏电阻作为消除尖峰电压的浪涌吸收器双向晶闸管开通响应时间≤1ms，关断响应时间≤10ms在输出负载回路中的电源只能选用交流电源3.晶体管输出（直流）模块内部电路R2R3PLC输出端COMLED光耦合器V1VSVDFU负载DCR1V1为输出开关器件，光耦合器为隔离器件VS和FU分别用于输出端的过压保护和过流保护二极管VD可禁止负载电源反向接入晶体管输出模块所带负载只能使用直流电源在电阻性负载时，最大负载电流为0.5A/点，通断响应时间均＜0.2ms（三）I/O单元规格

1．输入单元规格输入电压DC24V（1）继电器输出规格（2）晶体管输出规格2．输出单元规格问题的提出当CPU自带的输入输出点数不够时，怎么办？可以考虑加装扩展输入输出单元来实现，但扩展的点数随机型不同而不同。123456有40点I/O、20点I/O、8点I、8点O等几种，型号在CPM1A后分别后缀40EDR、40EDT、20EDR、20EDT、8ED、8ER、8ED，其中E表示为扩展单元。1-输入端子

2-输入LED3-扩展连接器

4-输出LED5-输出端子

6-扩展I/O连接电缆（一）扩展I/O单元简介二、开关量扩展I/O单元CPM1A型（二）扩展I/O单元的使用CPM1A的10点、20点，受到系统软件和供电电源的限制，不能扩展。CPM1A的30点、40点，可扩展到100点CP1H型连接限制1）最大可连接7个单元。（一）扩展I/O单元的使用2）占用通道数，输入、输出都必须在15CH以下。5）环境温度的限制。3）合计消耗功率在30W以下。4）高功能单元合计不超过2台。问题：CP1H最多能加几个扩展单元？最多能扩展到多少个输入点？多少个输出点？答：接7个CPM1A系列的I/O扩展单元，整体输入/输出最大可达320点，输入/输出最大扩展280点，但扩展输入、输出都必须在15CH以下。现场模拟信号变送器V/VI/VA/D光电隔离输入暂存CPU三、模拟量I/O单元

1.模拟量输入单元

作用：连续变化的电压、电流信号转换成CPU能处理的若干位数字信号。

组成：2.模拟量输出单元CPUV/VV/ID/A光电隔离输出锁存电压输出电流输出作用：把CPU处理后的若干位数字信号，转换成相应的模拟量信号输出。组成：

A/D、D/A模块的主要参数：

分辨率精度转换速度输入阻抗输出阻抗最大允许输入范围模拟通道数内部电流消耗……

3.外置模拟量I/O单元（不同的机型有不同的输入输出路数）模拟量输出单元DA003模拟量输入单元AD003CPM1A-MAD01

4.内置模拟量I/O单元XA型CP1HCPU单元内置具有4路输入、2路输出的拟量I/O单元。模拟量范围可设置成DC-10V~10V、0~10V、1~5V、0~5V、0~20mA和4~20mA6种，分辨率有1/6000和1/12000两种。第三节

特殊扩展设备

特殊I/O功能单元作为智能单元，有自己的CPU、存储器和控制逻辑，与I/O接口电路及总线接口电路组成一个完整的微型计算机系统。作用：1）在自己的CPU和控制程序的控制下，通过I/O接口完成相应的输出、输入和控制功能；

2）通过总线接口与PLC单元的主CPU进行数据交换，接受主CPU发来的命令和参数，并将执行结果和运行状态返回主CPU。效果：既实现了特殊I/O单元的独立运行，减轻了主CPU的负担，又实现了主CPU单元对整个系统的控制与协调，从而大幅度地增强了系统的处理能力和运行速度。一、高速计数单元

用途：

用于脉冲或方波计数器、实时时钟、脉冲发生器、数字码盘等输出信号的检测和处理，及快速变化过程中的测量或精确定位控制。主要技术参数：计数脉冲频率、计数范围、计数方式、输入信号规格、独立计数器个数……

二、位置控制单元

作用：

用于位置控制的智能I/O单元，能改变被控点的位移速度和位置，适用于步进电动机或脉冲输入的伺服电动机驱动器。主要参数：

占用I/O点数、控制轴数、输出控制脉冲数、脉冲速率、脉冲速率变化、间隙补偿、定位点数、位置控制范围、最大速度、加/减速时间……

三、PID控制单元作用：多用于执行闭环控制的系统中。技术指标：

PID算法和参数、操作方式、PID回路数、控制速度……四、温度传感器单元

温度传感器单元TS102作用：

通过单元内的变送器和A/D转换器，将温度值转换为BCD码传送给PLC。传感器配置：热电偶或热电阻。主要技术参数：

输入点数、温度检测元件、测温范围、数据转换范围及误差、数据转换时间、温度控制模式、显示精度、控制周期……五、通信单元以太网单元ETN22CONTROLLERLINK单元CLK23DEVICENET主单元DRM21上位链接（以太网）单元

PLC与计算机的互联和通信远程I/O（CONTROLLERLINK）单元主站PLC与从站PLC远程互联和通信PLC链接（DEVICENET）单元

PLC和PLC之间的互联和通信主要技术参数：

数据通信的协议格式、通信接口传输距离、数据传输长度、数据传输速率、传输数据校验……特殊功能单元和I/O链接单元。DEVICENET从单元DRT21A/D、D/A单元MAD01温度传感器单元TS102本章小结1.学习PLC，首先要熟悉其硬件结构。2.接线时要分清电源接入端子、输入端子、输出端子，特别是输出公共端。3.三种输出单元对应了不同负载的要求。4.扩