欧姆龙系列PLC概述 - 图文

南京理工大学

集散测控系统课程论文

作者： 林波 学号： 111010179 学院（系）： 机械工程学院 专业： 测试技术与仪器 题目： 欧姆龙系列PLC概述

指导老师： 狄长安 评阅老师： 狄长安

时 间： 2012年 6月

目录

欧姆龙系列PLC概述 ................................................. 2

1.引言...................................................................................................................... 2 2.典型PLC简介 .................................................................................................... 4

2.1 C200Hα系列可编程控制器 .................................................................. 4 2.2 CV系列可编程序控制器 .................................................................. 10 2.3 CPM2A系列可编程序控制器 ............................................................ 12 2.4 CQM1H系列可编程序控制器.......................................................... 14 2.5 CS1系列可编程序控制器 ............................................................... 23 3. 欧姆龙PLC控制系统设计 ............................................................................ 27

3.1 PLC控制系统设计和调试的一般步骤： .......................................... 27 3.2 PLC系统设计的基本原则 ..................................................................... 28 3.3 PLC选型原则 ......................................................................................... 29 3.4 实例：污水处理厂DCS自动监控系统 ............................................... 31 4.结语.................................................................................................................... 34 参考文献：........................................................................................................... 35

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欧姆龙系列PLC概述

摘要：日本OMRON公司是世界上生产可编程序控制器（PLC）的著名厂家之一，

OMRON的大、中、小、微型机各具特色各有所长，在中国市场上的占有率位居前列，在国内用户中享有较高声誉。本文主要对欧姆龙系列的一些PLC的发展过程、结构特点进行简单介绍，另外还对PLC系统设计流程就行介绍并举例说明。

Abstract：The Japanese company OMRON is one of the most famous

manufacturers in the world producing programmable controller (PLC) , OMRON’s large, medium and small, miniature PLC each has its characteristic and strong point , and share among the top in the Chinese market, enjoy high reputation in domestic users. This paper briefly introduces development process, structure characteristics of OMRON’s PLC .In addition; it introduces the design process of PLC system and gives an example.

1.引言

为了解决继电气控制系统中存在的许多问题，于是PLC逐步在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为以微处理器为核心，将自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置。欧姆龙公司作为世界最大PLC生产厂商之一，它的PLC产品在市场享有较高的声誉。

OMRON公司从80年代至今，产品多次更新换代，80年代初期，OMRON的大、中、小型机分别为C系列的C2000、C1000、C500、C120、C20等。这些型号的PC指令少，而且指令执行时间长，内存也小，内部器件有限，PC体积大。例如，C20仅20条指令，基本指令执行时间为4us~80us。上述产品目前已基本被淘汰。

随后小型机换代出现P型机，替代了C20机。P型机I/O点数最多可达148点。指令增加到37条，指令执行的速度加快了，基本指令执行时间为4us，体积也明显缩小。P型机有较高的性能价格比，且易于掌握和使用，因而具有较强的竞争力，在当时的小型机市场上独占鳌头。

80年代后期，OMRON开发出H型机，大、中、小型对应由C2000H/C1000H、C200H、C60H/C40H/C28H/C20H。大、中型机为模块式结构，小型机为整体式结构。H型机的指令增加较多，有100多种，特别出现了指令的微分执行，一条指令可顶多条指令使用，为编程提供了方便。H型机指令的执行速度又加快了，大型H机基本指令执行时间才0.4us，而C200H机也只有0.7us。H型机的通信功能增强了，甚至小型H机也配有RS232C口，与计算机可以直接通信。大型机C2000H的CPU可进行热备配置，其一般的I/O单元还可在线插拔。中型机C200H的特殊功能模块很丰富，结构合理，功能齐全，为当时中型机中较优秀的机型，获得了非常广泛的应用。C200H曾用于太空实验站，开创业界先例。

另外，OMRON还开发出微型机SP20/SP16/SP10。这类机型点数少，最少

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10点，但可自身联网（PLC Link），最多可达80点。它的体积很小，功能单一，价格较低，特别适合于安装空间小、点数要求不多的继电控制场合。

90年代初期，OMRON推出无底板模块式结构的小型机CQM1。CQM1控制I/O点数最多可达256点。CQM1的指令已超过100种，它的速度较快，基本指令执行时间为0.5us，比中型机C200H还要快。CQM1的DM区增加很多，虽为小型机，但DM区可达6K，比中型机C200H的2K大很多。CQM1共有7种CPU单元，每种CPU单元都带有16个输入点（称为内置输入点），有输入中断功能，都可接增量式旋转编码器进行高速计数，计数频率单相5kHz、两相2.5kHz。CQM1还有高速脉冲输出功能，标准脉冲输出可达1kHz。此外，CPU42带有模拟量设定功能，CPU43有高速脉冲I/O端口，CPU44有绝对式旋转编码器端口，CPU45由A/D、D/A端口。CQM1虽然是小型机，但采用模块式结构，像中型机一样，也由A/D、D/A、温控等特殊功能单元和各种通信单元。CQM1的CPU单元除CPU11外都自带RS232C通信口。

在CQM1推出之前，OMRON推出大型机CV系列，其性能比C系列大型H机有显著的提高，它极大地提高了OMRON在大型机方面的竞争实力。1998年底，OMRON推出了CVM1D双极热备系统，它具有双CPU单元和双电源单元，不仅CPU可热备，而且电源也可热备。CVM1D继承了CV系列的各种功能，可以使用CV的I/O单元、特殊功能单元和通信单元。CVM1D的I/O单元可在线插拔.明显加快，特别是后5年，OMRON在中型机和小型机上又有不少技术更新。

中型机从C200H发展到C200HS。C200HS于1996年进入中国市场，到了1997年全新的中型机C200Hα又来了。它的性能比C200HS又有显著提高。除基本性能比C200HS提高外，α机突出特点是它的通信组网能力强。例如，CPU单元除自带的RS232C口外，还可插上通信板，板上配有RS232C、RS422/RS485口，α机使用协议宏功能指令，通过上述各种串行通信口与外围设备进行数据通信。α机可加入OMRON的高层信息网Ethernet网，还可加入中层控制网Controller Link网，而C200H、C200HS不可以。

1999年OMRON在中国市场上又推出比α机功能更加完美的CS1系列机型，虽然CS1兼容了α机的功能，但不能简单地看作是α机改进，而是一次质的飞跃，它的性能突飞猛进。CS1代表了当今PLC发展的最新动向。

OMRON在小型机方面也取得了长足的进步。1997年，OMRON在推出α机的同时，就推出P型机的升级产品，即小型机CPM1A。与P型机相比，CPM1A体积很小，只及同样I/O点数P型机的1/2，但是它的性能改进很大，例如，它的指令有93种、153条，基本指令执行时间为0.72us，程序容量达2048字，单相高速计数达5kHz（P型机为2kHz）、两相为2.5kHz（P型机无此功能），有脉冲输出、中断、模拟量设定、子程序调用、宏指令功能等。通信功能也增强了，可实现PLC与PLC链接、PLC与上位机通信、PLC与PT链接。

CPM2AE时OMRON公司专为中国市场开发的，该机型仅有60点继电器输出的CPU单元，使CPM2A-60CDR-A的简化机型。CPM2AE删除CPM2A的一些功能以减少成本，降低售价。被删除的功能主要有：后备电池（可选）、RS232端口、CTBL指令（寄存器比较指令）等。其它功能则与CPM2A完全相同。

CQM1H是小型机CQM1的升级换代产品。CQM1是OMRON PLC家族中的一朵奇葩，它有漂亮的外表，拥有齐全的功能。而CQM1H在延续原先CQM1所有优点的基础上，提升并充实了CQM1的多种功能。CQM1H对CQM1有很

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好的兼容性，对原先使用CQM1的老用户来说，升级换代十分方便。CQM1H的推出更加巩固OMRON在中小型PLC领域无与伦比的优势。CQM1H在三大性能方面作了重大的提升和充实：I/O控制点数、程序容量和数据容量均比CQM1的翻一番；提供多种先进的内装板，能胜任更加复杂和柔性的控制任务；CQM1H可以加入Controller Link网，还支持协议宏通信功能。

可以看出，最近几年OMRON PLC技术的发展日新月异，升级换代呈明显加速趋势，这是计算机技术飞速发展和市场激烈竞争的必然结果限于篇幅，本文选择OMRON当今的主流机型C200Hα、CV系列和新推出CPM2A、CQM1H和CS1系列PLC予以简介。

2.典型PLC简介

2.1 C200Hα系列可编程控制器

C200Hα是C200HX/HG/HE的简称，它是中型机C200H/C200HS的后续机型。α机的模块有电源单元、CPU单元、基本I/O单元、特殊功能单元和通信单元，所有模块通过其底部的总线插头安装在CPU底板或I/O扩展底板上。

图2.1为C200Hα的一种CPU单元面板图。

图2.1 CPU单元面板图

CPU单元上有内存卡（存储器）的插槽，可插接多种存储器盒。外设端口接外围设备如编程器等。有些α机的CPU单元由RS232C口。在CPU上有一个通信板的插槽，插上通信板后，极大地增强了α机的通信联网功能。CPU上的DIP开关设定PC的工作方式。

α机有存储介质为EPROM（电可编程制度存储器）和EEPROM（电可擦可编程序只读存储器）两种形式的内存卡（存储器盒），如图2.2所示。CPU可以直接读写EEPROM内存卡，CPU改写EEPROM的次数几乎不受限制，

但对于EPROM内存卡，CPU只能读出，不能写入，要将程序写入EPROM，

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应使用PROM写入器。

内存卡能长期保存数据，不需要任何后备电源。内存卡安装在CPU的专用插槽上。用户程序、PC设置、I/O注释、DM区域和其它数据区域的数据可以作为一个整体保存到内存卡中，以防误操作而修改。当CPU的DIP开关位2 ON时，内存卡中的内容会在上电时自动地传送至CPU中。在改变控制功能时，可方便地用替换内存卡来改变设定的程序。

图2.2 α机有存储介质图

表2.1列出α机各种规格的内存卡，用户可根据需要选用。

表2.1 α机各种内存卡规格

α机一共有几十种CPU单元，表2.2列出C200Hα与C200HS、C200H的基本性能比较。

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表2.2 C200Hα与C200HS、C200H的基本性能比较表

C200Hα的CPU机架可连接2或3个I/O扩展机架，这取决于CPU的型号，图2.3位CPU机架带3个I/O扩展机架。CPU机架由CPU底板、CPU单元、电源单元和I/O单元组成，I/O扩展机架由I/O扩展底板、电源单元和I/O单元组成。这两种机架的槽数最多有10个，还有3、5、8槽的。

图2.3 CPU机架图

C200Hα基本I/O单元的I/O地址分配规则是：C200Hα的I/O点为5位数，前3位为通道号，第1位为机架号，CPU主机架为0，最靠近主机架的I/O扩展机架为1，最后一个为3；接着确定单元的槽位号，从机架的最左边开始依次为00，01，…，09（3槽机架槽位号00~02，5槽机架00~04，8槽机架00~07，10槽机架00~09）；最后2位是I/O点在单元上的编号。

例如，10槽的CPU机架上，最靠近CPU单元是16点输入单元，则输入点

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的编号范围为IR00900~IR00915。

若在机架上装有特殊功能单元或通信单元，在分配地址时和空槽一样处理，占用槽位号，但不占用通道号，即该槽位号所对应的通道并不被特殊功能单元或通信单元占用，该通道可作为内部工作字使用。

特殊功能单元的通道与它所占据的槽位号无关，而要根据设定的单元号N来确定。其单位号范围是0~9、A~F，各单元的单位号N不能重复，最多可用16个特殊单元。根据单元号，每一个特殊功能单元分配有10个IR通道，通道号为100+N×10~109+N×10(N=0~9)或400+N×10~409+N×10(N=A~F)，每一个单元还在内存工作区中分配100个DM字，字号为DM1000+N×100~DM1099+N×100。

C200Hα的特殊功能单元和通信联网有以下特点： 1．特殊功能单元丰富

C200Hα完全兼容C200HS/C200H的特殊功能单元，非常丰富，接近20种 2．通信板与通信协议宏功能

α机有C200HS/C200H所不具备的通信板和通信协议宏功能，图2.4列出了各种通信板。

α机除C200HE-CPU11-E外，其它机型都可以使用通信板，通信板安装在CPU的插槽上。通信板有的带总线连接器，有的带RS232C、RS422/RS485串行口，有的两者兼而有之。其中，01、04通信板上的总线连接器是与SYSMAC Link、SYSMAC NET Link、Controller Link、PC卡等通信单元连接的端口，04、05、06通信板具有通信协议宏功能，支持下列7种用于OMRON外围设备的标准通信序列：

（1）温度控制器序列； （2）智能信号处理器序列； （3）条形码读入器序列； （4）激光测微器序列； （5）可视检测系统序列； （6）ID控制器序列；

（7）Hayes，AT控制（调制解调器）序列。

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图2.4 各种通信板图

图2.5 α机与外围设备通信的示意图。

C200HS/C200H与温度控制器、条形码读入器等外围设备通信时，要使用ASCII单元并编写BASIC程序，而α机加装带有通信协议宏功能的通信板，只用几条梯形图指令，将通信程序插入梯形图程序中，就可以与外围设备通信，实时处理各类现场数据。除使用标准通信协议外，还可使用通信协议支持软件C200HW-ZW3AT1-E（即PPS，DOS版）或SYSMAC-PST(Windows版)，对非OMRON的外围设备通过简单的操作编制用户通信协议，即创建符合外围设备要求的数据发送/接收通信帧，形成特定应用的序列，最多可登记1000个通信序列，序列号000~999，每一序列最多16步。用户通信协议用PSS或PST写入通信板中。用户在程序中使用通信协议宏功能指令PMCR，调用序列号，就可以方便地使用通信板中内置的标准通信序列或用户通信序列，同配有RS232C口或RS422/RS485口的外围设备通信，交换数据。

图2.6为通信协议宏功能指令PMCR的编程方法。PMCR指令的非执行/执行的判定，用标志28908（端口A）、28912（端口B）来确认。

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图2.6 通信协议宏功能图

图2.7为PMCR使用举例。图2.7（a）为α机与外围设备通信的连接图，α机通过通信板上的端口A连接温度控制器E5J-A2H02。在图5.7（b）中，PMCR调用通信序列205，向#3温度控制器写入目标值85℃。

图2.7 PMCR使用举例框图

3．通信联网

C200Hα通信联网功能要强于C200HS/C200H，例如，C200Hα可以入OMRON的高层信息网Ethernet和中层控制网Controller Link，而C200HS/C200H则不能。即使入同样的网如SYSMAC Link、SYSMAC NET网，C200Hα的通信功能也扩大了，它不仅支持C模式，还支持CV模式（FINS）通信指令。α机在入上述四种网时，要在CPU上插入通信板C200HW-COM01/04，并通过总线连接器把通信板与通信单元连接起来。

α机兼容C200H的通信单元，即可以使用C200H的通信单元接入HOST Link网、PC Link网，也可以在α机上配置Remote I/O主单元形成远程网。α机也有B7A接口单元进行远程扩展，使用和CQM1同样型号的链接终端。另外，以α机为主体可形成CompoBus/D、ComoBus/S网，这是OMRON新近推出的两种设备器件网，作为旧机型C200H则做不到。

α机CPU自带的RS232C口支持上位链接、无协议链接、1:1PC链接、NT链接等。

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2.2 CV系列可编程序控制器

OMRON CV系列PC属大型机，它的性能比C系列大型H机有明显的提高，有CVM1-CPU01-V2/CPU11-V2/CPU21-V2、CV500/CV1000/CV2000等型号。

CVM1采用梯形图编程，而CV除梯形图外，还可以使用顺序功能图SFC（Sequence Function Chart）编程。

CV系列PC有以下特点： 1．改进了系统结构

CV系列PC采用统一的总线结构和多微处理器的设计。第一条总线是I/O总线，用于进行CPU与一般的I/O通信。第二条总线是CPU总线，使得无需CPU控制，也可在CPU和属于CPU总线单元的通信单元之间进行高速的、点对点的总线通信，这种结构不但方便了通信，而且使执行程序及通信处理分开，减少PC的扫描时间。CV机CPU提供RS232C、RS422口，可以通过开关进行选择。

CV机除基本内存外，还可选内存卡及扩展数据存储器，以提高存储容量。

图2.8 CV系列结构图

2．指令功能强、运算速度快

CV机有170种共计333条指令，CVM1机则有284种共计515条指令，远远多于C2000H的174条指令。

同样类型的指令，功能加强了。如定时指令，除了C2000H有的，还增加了可累计计时的、可长计时、可多输出的。长计时的计时值可长达115天，精度为+0.1/-0.1秒。

功能强还表现为，有的指令可带↑（上升沿执行）、↓（下降沿执行）及！（立即刷新）的前缀，可使一条指令起到原先多条指令的作用。

指令执行时间短，基本指令（LD）执行时间0.15us，而C2000H为0.4us。 3．内部器件增多

CV机基本的I/O点数最多可达2048，是C2000H的2倍。CV机内部器

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件种类多，而且数量大。除输入输出继电器（CIO）、内部辅助继电器（CIO）、数据链接继电器（CIO）、保持继电器（CIO）、暂存继电器（TR）、特殊辅助继电器（A）、定时器（T）、计数器（C）、数据存储器（D）外，还有CPU总线链接继电器（G）、扩展数据存储器（EM）、数据寄存器（DR）、变址寄存器（IR）、步标志、转移标志等。

即使C2000H有的器件，CV机的数量也大为增加，如数据存储区，C2000H仅6656字，而CV1000可达24576字。CV机的定时器、计数器分开，数量各为1024个，也比C2000H多得多。

4．程序存储器容量大

CV机程序容量为30K/62K，而且还有文件存储器支持，后者容量可达1M。 另外，还可选用内存卡，用于存储用户程序，有RAM、EPROM、EEPROM类型，卡的容量可多达512K。

5．I/O刷新的方法多

CV机的I/O刷新的方法多，有：

带前缀！指令的刷新，执行指令的同时进行刷新。

循环刷新，完成一个循环，即对所有的I/O进行刷新。传统的PC都是用这种方式刷新。

定时刷新，如定时10ms～100ms刷新所有的I/O。 过零刷新，当交变信号过零时刷新。 6．CV机的特殊功能单元相当丰富 CV机的特殊功能单元有二十几种，见表6.1，这显示出CV机功能的强大性。如在CV机上安装个人计算机单元后，可以像普通计算机一样配置显示器、键盘、硬盘、软驱、鼠标、打印机，此时，这台CV机既具有高可靠控制功能，也具有一般微机的信息处理能力强的特点，使CV机的应用上到一个新台阶。

7．CV机组网能力强 CV机组网能力强，可组成OMRON的各种FA网络。CV机可以组成OMRON的高层信息网、中层控制网，并可作为网关或网桥使用，进行三级通信。CV机也可以组成低层的I/O器件网，如SYSMAC BUS或SYSMAC BUS/2，直接与现场的I/O器件相连，对机器设备进行实时的控制。

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2.3 CPM2A系列可编程序控制器

表2.3

由上表2.3可以看出，通过电源（AC或DC）、输出（继电器/晶体管）和I/O点数（20/30/40/60）的组合，CPM2A共有16种CPU单元。CPM2A和CPM1A使用相同的I/O扩展单元、特殊功能单元和通信单元，扩展方法同CPM1A相同。

CPM2A的基本指令与CPM1A相同，都是14种，但CPM2A的应用指令增加到105种、185条；CPM2A的工作速度明显加快，基本指令LD的执行时间为0.64us，应用指令MOV的执行时间为7.8us；程序容量增加到4096字；读/写DM增加到2048字；最大I/O点数可扩展到120点；内部器件数目也有增加，如内部辅助继电器区（IR）928位，特殊继电器区（SR）448位，定时器/计数器256位，辅助继电器区（AR）384位。

CPM2A除继承CPM1A所有功能外，还有新的发展 1．指令系统有新的增加 增加的指令有：

定时器/计数器指令2种：高精度定时器（单位：1ms），长定时器（单位：1s/10s）。

比较指令2种：区域比较，双字区域比较。

转换指令6种：双字BCD→双字BIN转换，双字BIN→双字BCD转换，ASCⅡ→16进制转换，二进制补码，小时→秒转换，秒→小时转换。

表格数据操作指令5种：帧校验，求和，数据搜索，取最大值，取最小值。 数据控制指令5种：比例转换，比例转换2，比例转换3，PID控制，平均值。

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脉冲输出控制指令3种：占空比可变脉冲输出，加速控制，同步脉冲控制。 通信指令3种：接收，发送，改变RS232C口设置。

另外，在CPM2A中，INI、INT、PRV、CTBL、SPED、PULS等指令比在CPM1A中的功能加强了。

2．中断功能完善，高速计数的计数频率增加很多

CPM2A具有CPM1A的各种中断功能，如输入中断（输入中断模式、计数中断模式）、间隔定时器中断（单次中断模式、重复中断模式）高速计数器中断。高速计数器的工作模式增加到4种：相位差（两相）输入模式、脉冲+方向输入模式、增/减脉冲模式和递增模式。CPM2A高速计数器的计数频率除两相5kHz外，其余模式都是20kHz。CPM2A输入中断下的高速计数频率为2kHz，是CPM1A的2倍。

3．高速脉冲输出功能更加完善

CPM2A中的晶体管输出型具有此项功能，使用01000、01001两个输出点。CPM1A仅有单点无加速/减速单相脉冲输出功能，而CPM2A的脉冲输出功能比CPM1A强得多，有下列三种情况：

（1）两点无加速/减速的单相脉冲输出；输出频率为10Hz～10kHz，占空比50%。

（2）两点不同占空比的脉冲输出：频率范围为0.1Hz～999kHz，占空比0~100%。

（3）带梯形加速/减速的单相脉冲输出：分为脉冲+方向输出和增减（CW/CCW）脉冲输出两种情况，占空比50%。

4．同步脉冲控制

CPM2A的晶体管输出型，它的高速计数器功能配合其脉冲输出功能，可以产生一个频率为输入脉冲特定倍数的输出脉冲（仅SSS支持该功能），如图2.9所示。

5．时钟功能

CPM2A的内置时钟（精确度：±1分钟/月）允许从梯形图程序读取日期和时间。通过编程器和其它编程工具加以改写时间，CPM2A还有一个30秒的补偿位。当该位置ON时，时间将自动调整到最接近的分钟。因此，在电台报时，打开该位就能十分精确地设定时间。

图2.9 CPM2A输出脉冲图

6．完善的通信功能

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同CPM1A一样，CPM2A外设口也可以用RS232C或RS422适配器进行转换，但CPM2A所有CPU单元都带有RS232C口，这就为通信联网提供了更加便利条件。CPM2A支持的通信功能有上位链接、无协议链接、1:1PC链接、NT链接。

无协议链接是CPM2A通过外设端口或RS232C口连接象条形码阅读器等标准设备，并利用TXD和RXD指令进行无协议通信，如图2.10所示。

.图2.10 无协议链接图

2.4 CQM1H系列可编程序控制器

CQM1H是OMRON新近推出的一种功能完善的紧凑型PLC，CQM1H不久将取代CQM1。和CQM1一样，CQM1H也采用无底板模块式结构，模块之间靠侧面的总线连接器相连。

CQM1H有CPU单元、电源单元、存储器盒（可选）、输入单元、输出单元、内装板、特殊功能单元和通信单元。

CQM1H取代CQM1，主要是替代CQM1的CPU单元，而CQM1的其它单元都可继续使用。CQM1原有的七种CPU单元（CQM1-CPU11/CPU21及

CQM1-CPU41~CPU45）将被淘汰，取而代之的是四种CQM1H的CPU单元，它们是CQM1H-CPU11/CPU21/CPU51/CPU61。这四种型号的CPU单元大致分为两类；一类（CQM1H-CPU51/CPU61）支持内装板和Controller Link单元，另一类（CQM1H-CPU11/CPU21）则不支持。

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图2.11 CQM1H型PLC图

CQM1H的CPU上有一组DIP开关，用来设定PC的工作方式。

CQM1H除使用CQM1的EPROM和EEPROM两种形式的内存卡外，还可以使用闪存形式的内存卡。有的内存卡有时钟功能，如果安装了具有时钟功能的内存卡，则可以在程序中使用时钟、日历数据。

由于CQM1H的编程器口和CQM1的不同，原先使用CQM1-PRO01或C200H-PRO27的编程器和CQM1-CIF02适配器的用户，需另外购买一个转换器（CS1W-CN114）。

在上位机上运行SSS、CPT或CX-Programmer等支持软件，可对CQM1H进行编程、调试、监视、控制及维护。

CQM1H的每种CPU单元都有内置的16个输入点。

CQM1H的CPU除CPU11外其它单元都自带RS232C串行通信口，通过RS232C口可以实现CQM1H与上位机链接、无协议链接、1:1PC链接、1:1NT链接。

CQM1H的CPU51/CPU61两种CPU单元，其内装板插在左槽或右槽上，最多可安装两块内装板。

表2.4列出CQM1H的性能指标。

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表2.4

1．I/O字分配

如图2.12所示，CQM1H和CQM1一样按照固定的位置对I/O单元和特殊功能单元进行I/O通道分配。CQM1H的IR000~IR015、IR100~IR115作为输入字和输出字。第一个输入字IR000总是被分配到CPU的16位内置的输入点上，输出字总是从IR100开始依次分配。

图2.12 CQM1H I/0分配图

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2．更大的容量、更快的速度和更强大的指令系统

CQM1H的I/O容量、程序容量和DM容量都比CQM1增加了一倍。CQM1的I/O点数为128或256点， 而CQM1H的增加到256或512点。CQM1的最大程序容量是7.2K字， 而CQM1H的最大程序容量增至15.2K。CQM1的DM区最大才6K字，而CQM1H不光有6K字的DM区，而且还有6K字的EM区（仅限于CQM1H-CPU61）。

CQM1H指令的执行时间加快。例如，基本指令LD的执行时间从0.5us缩短到0.375us，应用指令MOV的执行时间从23.5us缩短到17.7us。

CQM1H除具备CQM1的所有指令外，还增加了许多高级指令，包括浮点运算指令、指数/对数指令、三角函数指令、TTIM（总和定时器）指令、PMCR（协议宏）指令、STUP（改变串行端口）指令和网络（SEND、RECV、CMND）指令。这些高级指令不仅易于使用，而且简化了程序开发。

3．使用各种先进的内装板可灵活地配置控制功能

CQM1H的特色之一在于具有一系列的内装板。通过这些内装板，可实现一般定位、多点高速计数器输入，绝对旋转编码输入，模拟量I/O，模拟量设置和连接到标准串行设备的串行通信。用户可根据控制要求选择合适的内装板进行配置。

内装板共有6种，图2.13为各种内装板的外观图。

图2.13 各种型号内装板图

内装板仅限于CQM1H-CPU51/CPU61使用，安装在CPU面板上提供的左右两个插槽上。有了内装板，原先CQM1 CPU单元的一些特殊功能很容易由CQM1H实现。例如，CQM1H-CPU51或CPU61加一块脉冲I/O板CQM1H-PLB21就可以取代CQM1-CPU41，CQM1H-CPU51或CPU61加一块绝对值型编码器接口板CQM1H-ABB21就可以取代CQM1H-CPU44等等。需要注意的是CQM1H上所插板卡的数量及安装的槽位都有一定的限制。高速计数器板能同时插两块，其它的板卡只能插一块。脉冲I/O板、绝对值编码器接口板、模拟量I/O板只能

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插在右槽，串行通信板只能插在左槽，模拟量设置板可以插在任意槽位上。更进一步说，如果用户同时需要一块脉冲I./O板和一块串行通信板是可以的。因为脉冲I/O板插在右槽，串行通信板插在左槽，两者互不干扰。但如果用户同时需要一块脉冲I/O板和一块模拟量I/O板就不行了，因为两者都只能插在右槽，这样就产生冲突了。

表2.5列出了内装板的技术规格。

表2.5 内装板技术规格板

高速计数器板有4路脉冲输入，输入信号分三种类型：相位差输入，计数频率25kHz（默认值）或250kHz；脉冲+方向输入，计数频率50kHz（默认值）或500kHz；增/减输入，计数频率50kHz（默认值）或500kHz。高速计数器的计数模式有两种：环行模式和线性模式。4路输出为晶体管型，可设置为NPN型或PNP型。

脉冲I/O板有2路脉冲输入和2路脉冲输出。脉冲输入信号有三种类型：相位差输入，计数频率25kHz；脉冲/方向输入，计数频率50kHz；增/减模式，计数频率50kHz。计数模式有两种：环行模式和线性模式。脉冲输出信号有两种类型：标准脉冲（占空比=50%）和可变占空比脉冲（占空比=1%~99%）。标准脉冲的输出频率为10Hz~50kHz，可以进行加速/减速控制，可以是顺时针（CW）或逆时针（CCW）的。可变占空比脉冲的输出频率为91.6Hz、5kHz或5.9kHz，且只能输出一个方向。图2.14为利用脉冲I/O板实现简单的2轴位置和速度控制。

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图2.14

绝对值编码器接口板有2个端口，能以4kHz的频率接收绝对值（ABS）旋转编码器的位置数据，编码器上的数据是二进制格雷码，有8位（0~255）、10位（0~1023）、12位（0~4095）的分辨率可供选择，操作模式有BCD模式和360°模式。如图2.15所示，绝对值编码器接口板接ABS编码器，CPU从编码器读到的格雷码反映了转台的绝对位置，在掉电重新上电时，不需要初始化清零，CPU可以马上读入数据确定出转台当前的绝对位置，也即任何位置都可视为初始位置。

图2.15

模拟量I/O板带4路模拟输入和2路模拟输出。 模拟量设置板带4路模拟设定装置（可调电阻），用螺丝刀简单调整，对应改变内部辅助字IR220~IR223的值，其值为4位BCD码，范围在0~200，从而可以不改变程序而直接改变设定值，这为现场调试带来了方便。

串行通信板有2个通信端口：RS232C口和RS422/RS485口，支持的通信模式有上位机链接、无协议链接、1:1PC链接、1:1NT链接和协议宏。通信协议宏功能可根据外设串行通信端口的（半双工、起动-停止同步）通信规格创建通信协议。该协议宏由CX-Protocol支持软件创建，然后存到串行通信板上。在CPU单元的梯形图中用PMCR指令调用这些协议宏。CX-Protocol软件也提供标准系统协议，用这些协议，串行通信口可方便地与OMRON元件，比如，条形码阅

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读器等进行通信。根据实际使用的需要，也可利用CX-Protocol软件修改标准系统协议。图2.16为通信协议宏功能的示意图。

图2.16 通信协议宏功能的示意图

4．特殊功能单元

CQM1H、CQM1的特殊功能单元除通常的A/D、D/A、温控单元外，还有其它机型没有的传感器单元和线性传感器单元。下面简介传感器单元CQM1-SEN01。

传感器单元的配置如图2.17所示，CQM1-SEN01最多可连接4个传感模块，传感模块有三种：光纤光电模块（E3X-MA11）、光电传感模块（E3C-MA11）和接近传感模块（E2C-MA11），每一种传感模块连结对应的传感器。填充模块（E39-M11）只用来填充传感器单元的一个空槽位。远程控制器（CQM1-TU001）可对传感模块进行监视和示教。传感单元工作前，要用远程控制器示教，以调整传感器灵敏度，例如，要求接近开关到目标的距离小到一定值时，才有指示信号，这个“一定值”就是灵敏度，用户可根据需要加以调整。

图2.17 传感单元配置图

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5．通信单元

CQM1H除了可以继续使用CQM1的通信单元，如远程I/O接口单元、远程I/O链接单元、CompoBus/D从单元、CompoBus/S主单元外，还增加了Controller Link单元。

1）远程I/O接口单元

CQM1H/CQM1具有远程控制的功能，有两种远程I/O接口单元：B7A和G730。

在CQM1H/CQM1配置B7A接口单元，B7A通过双绞线电缆连接远程的I/O链接终端，两者之间的距离可达500m。B7A链接终端有输入、输出两种形式，点数都是16点。B7A接口单元有5种形式，有接输入终端，也有接输出终端，还有既可接输入又可接输出的。B7A接口单元还分接16点和接32点的。PC是将B7A接口单元当作一种I/O单元处理的，只不过B7A具有远程通信能力。图5.18为CQM1H/CQM1通过B7A接口单元构成远程I/O系统。

图2.18 远程I/O系统构成图

应注意的是，B7A的链接终端具有通用性，不仅可用于CQM1H、CQM1机，还可用于其它机型，如C200Hα/C200HS/C200H，但它们的B7A接口单元与CQM1的不同。

在CQM1上配置G730接口单元，通过2芯电缆连接G730远程终端，如图2.19所示，通信接口为RS485，最大传输距离200m，通信波特率为187.5Kbps。

G730接口单元有主单元CQM1-G7M21、输入扩展主单元CQM1-G7N11和输出扩展主单元CQM1-G7N01三种形式。主单元最多能控制32个输入点和32个输出点。若要增加可控的点数，再加接扩展主单元，每加接一个可增加32点，但最多只能加接2个。输入扩展单元可设成32点入或16点入，输出扩展主单元可设成32点出或16点出。

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图2.19

2）远程I/O链接单元

远程I/O链接单元CQM1-LK501允许CQM1H/CQM1成为电线型远程I/O通信系统的一部分，从而与主机构成一个I/O链接，如图2.20所示。通信电缆采用2芯VCTF电缆，通信距离最大200m，RS485接口，波特率位187.5Kbps。CQM1-LK501链接点数为32点入、32点出，CQM1H/CQM1通过I/O链接单元可与主机C200HS交换数据，这里应注意LK501的输入点对应C200HS的输出点，而LK501的输出点对应C200HS的输入点。

图2.20

3）Controller Link单元

由于CQM1H推出了CQM1H-CLK21单元，因此CQM1H就能够加入

Controller Link网。在CQM1H推出之前，Controller Link网只能用于C200Hα、CS1、CV/CVM1/CVM1D等中大型PC。现在多了CQM1H这种小型PC，无疑使OMRON小型PC的应用范围得到扩大，而且让CQM1H这种小型机发挥了高

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一档次的功能。例如，以前用户在选型时，需几台甚至几十台PC连网（PC之间交换数据），要求组成Controller Link网，不过每台PC控制的I/O点数在150点左右。按照I/O点数来看，选用CQM1是最合适的，但是由于CQM1不能连接Controller Link而不得不选用C200Hα，这样得出的性价比就不是最好的。如今有了CQM1H，一切问题就可以迎刃而解了。只要加一个CQM1H-CLK21单元就可使CQM1H上Controller Link网了。这样，配置出来的系统既符合控制点数的要求有满足连接Controller Link网的要求，性价比当然是最合适的了。需要注意的时CQM1H-CLK不能用在CQM1上，它只支持CQM1H机型。而且CQM1H-CPU51/CPU61才能安装这种单元，并且只能装一块。

CQM1H-CPU11/CPU21不支持这种单元。安装位置也有要求，必须安装在电源单元和CPU单元之间。有关Controller Link网的详细情况请参见第13章。

CQM1H/CQM1还有其它通信单元，如CompoBus/D从单元、CompoBus/S主单元等。

2.5 CS1系列可编程序控制器

CS1系列可编程序控制器是OMRON 99年在国内市场上推出的新系列PC。 CS1的模块有CPU单元、电源单元、I/O单元、特殊I/O单元及CPU总线单元。CS1现有9种CPU单元。

CS1的CPU单元上都内置了RS232C通信口，有存储卡、串行通信板的插槽，存贮卡和串行通信板是可选的。

CS1的CPU机架最多可带7个扩展机架，而带C200H I/O扩展机架最多3个。CS1的CPU底板和I/O扩展底板有3、5、8、10槽的。CPU底板还有2槽的，但不能连接扩展底板。

CS1基本配置如图2.21所示。

图2.21 CS1基本配置图

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CS1对中型机C200Hα/C200HS/C200H有很好的向下兼容性，即中型机所有的单元和特殊I/O单元及部分通信单元可用于CS1，甚至C200H的I/O扩展底板也可使用，但CS1使用自己的CPU底板。CS1使用中型机的编程器，但要换上CS1的键盘面纸。

图 5.22 I/O单元通道的分配图

对基本I/O单元通道的分配如图5.22所示，字的范围是CIO0000~CIO0319。分配的顺序同OMRON大型机一样：先CPU机架，后扩展机架；先靠近CPU机架的扩展机架，后远离CPU机架的扩展机架；在一个机架内，先左后右（先远离电源的，后靠近电源的）；按顺序增加编号，未被占用的槽，编号时越过，不预留空号（这一点与α机不同）。机架上的第一字可用编程器由缺省值CIO0000设定为CIO0000~CIO0319之间的任意字。

在基本I/O单元的I/O通道分配期间，特殊I/O单元和CS1 CPU总线单元将被忽略，即它们的插槽被视为空槽。对这两类单元用另外一种办法为它们分配通道号。

特殊I/O单元占用通道CIO2000~CIO2959，每个单元根据单元号分配10个字，即#0、#1、#3、…单元分别占用字CIO2000~CIO2959、CIO2010~CIO2019、CIO2020~CIO2029、…，一共可以设置96个特殊单元。

CS1 CPU总线单元占用通道CIO1500~CIO1899，每个单元根据单元号分配25个字，即#0、#1、#3、…单元分别占用字CIO1500~CIO1524、CIO1525~CIO1549、CIO1550~CIO1574、…，一共可以设置16个CPU总线单元。

与C200Hα相比，CS1系列的功能发生了革命性的变化，主要有如下特点： 1．大容量的CPU、丰富的内部器件 CS1的基本I/O点数可达5120点，是α机1184点的4.3倍；程序容量250K，是α机63.2K的4倍；数据存储区448K，是α机100K的4.5倍；定时器（T）4096个、计数器（C）4096个，而α机定时器、计数器共计512个，CS1是α机的16倍。CS1内部器件的设置变化相当大，α机已无法与之相比，同样的内

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部器件，CS1的数量要几倍于α机。

CS1的内部器件种类多、数量大，与CV机相比毫不逊色，有些甚至超过很多。CS1设有：I/O区（CIO）、链接区（CIO）、CS1 CPU总线单元区（CIO）、特殊I/O单元区（CIO）、内装板区（CIO）、SYSMAC BUS区（CIO）、I/O终端区（CIO）、C200H特殊I/O单元区（CIO）、工作区（W）、保持区（H）、辅助区（A）、暂存区（TR）、定时器（T）、计数器区（C）、DM区、EM区、数据寄存器（DR）、索引寄存器（IR）、任务标志区（TK）、跟踪存储器、文件存储区等。

2．指令的功能强大、功能速度极快

CS1约有400条指令，它的类别及功能与CV/CVM1系列相当，CV/CVM1有的指令CS1几乎都有。

与α机相比增加的指令有：字符串处理，堆栈操作及表格数据的记录处理，文件存储器处理，重复处理（FOR-NEXT），块编程，指令发送（CMND），索引寄存器处理，高速传送，浮点数运算，及许多其它指令。这些指令极大地增强了CS1的信息处理能力，使程序变得更简单，并且容易理解。

CS1指令的基本操作数规格已由BCD转化为二进制，因此，它的指令具有大容量的数据管理能力。

由于使用高速的RISC微处理器，CS1的工作速度目前是最快的。基本指令LD的执行时间仅为0.04us，比α机的0.104us快得多，外设服务和I/O刷新速度也比α机快很多。

3．CS1的程序设计、开发环境发生了巨大的变化 1）程序变得更简单、并且容易理解

CS1提供了索引寄存器、表格数据、重复指令、块编程、文本串等指令，它们可以简化程序设计、提高效率。例如，利用其中的结构化编程的流程控制指令IF-THEN-IEND、FOR-NEXT等，少用或不用跳转指令JMP/JME，可优化程序结构，使程序变得更简单、更容易理解。

2）最新的视窗编程软件提高了设计和开发效率

OMRON最新推出的视窗编程软件CX-Programmer、CX-Protocol，具有强大的显示、监控功能和完善的调试功能、维护功能。将计算机与CS1连接通信后，就可以利用视窗编程软件作设计开发。视窗操作易学易会，可使用视窗环境下的各种工具，发挥剪贴板的作用，在同时开发的不同程序之间剪贴和粘贴程序语句。视窗操作极大地改进了系统的设计，缩短了开发时间。

CX-Programmer提供了结构化编程、多任务程序开发的新方法，可把程序分成多个任务单元，进行单独开发和调试。

CX-Programmer允许程序用I/O符号名称编写，而不需分配地址。这样，在分配I/O地址之前，就可以进行程序开发。

4．更多的串行通信端口，扩展的协议宏功能 CS1的各种串行通信如图5.23所示。

在图5.23中，提供串行通信端口的有：CPU内置的外设口和RS232C口，ASCII单元，串行通信板，串行通信单元。后三种单元提供RS232C口或

RS422/RS485口。每台PC能支持1个串行通信板和16个串行通信单元，每个板或单元提供两个端口，因此，可连接多达34个带串行通信口的设备，通信速度为38.4Kbps，信息长度由以前的256字节增加到1000字节，大大提高了通信功能。

CS1支持下列串行通信协议：

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1）HOST Link

通过上位机发送HOST Link（C模式）指令或FINS指令，能够读写PC存储器，读取/改变PC操作模式，并执行其它相关PC的操作。另外，也可以在PC的梯形图中，通过使用SEND(090)、RECV(098)和CMND（490）指令，由PC发送FINS指令到上位机，以传送非请求信息。HOST Link使用CPU的外设口、RS232C口和串行通信板/单元的通信口。

2）客户协议

使用TXD和RXD指令，与通用外部设备之间进行简单的数据传送，例如从条形码阅读机输入数据，或输出数据到打印机。客户协议仅能用于CPU单元内置的RS232C端口。

3）1:N NT链接

通过CPU内置的外设口、RS232C口及串行通信板/单元的RS232C口或RS422/RS485口，PC与PT可进行交互式访问的高速通信。1台PC最多能连接8台PT。

4）协议宏

串行通信的数据传送协议随着厂商和设备的变化而变化，即使电气标准相同，但由于协议不同，各厂商之间设备互相通信很困难。OMRON的协议宏解决了这一问题，协议宏能让PC同任何使用RS232C或RS422/RS485端口通信的设备之间通信，而不必为此编写特别通信程序。

对于OMRON器件，CS1 PC可以方便地通过通信协议宏功能指令PMCR调用标准的系统协议进行数据传送。

对非OMRON器件，需使用视窗协议支持软件CX-Protocol创建符合器件要求的通信帧，即先由用户创建协议，而后通过PMCR指令调用，以实现PC与非OMRON器件的通信。

协议宏通信使用串行通信板/单元的端口。 5）使用BASIC的通信协议

使用ASCII单元，通过BASIC编程能够创建外部设备所要求的任何协议，提供使用协议宏不能解决的问题。

6）外设总线

上位机与PC通过CPU内置的外设口或RS232C口连接，在上位机上运行支持软件。

5．丰富的特殊功能单元

CS1除兼容C200Hα的所有特殊功能单元外，见表6.1，还增加一些自己的专用单元，如48点入/48点出的I/O单元，96点入或出的高密度I/O单元，4点入/4点出的模拟量I/O单元。

6．CS1系列的PC组网能力很强

CS1在组网方面强于α机，具有CV机的功能。

CS1使用与α机不同的Ethernet单元，更好地支持Ethernet通信，它支持多达8个TCP/IP和UDP/IP端口的Socket（接驳服务），支持FINS通信，还支持FTP文件传送和电子邮件等。

CS1也使用自己的Controller Link单元，除线缆型还有光缆型，数据链接容量比α机大得多，光缆型还能获得更长距离的通信。

CS1可以作为网关或网桥使用，在Ethernet和Controller Link互联网的三层网络内进行通信，如使用CMND发送FINS指令，跨网远距离编程和监控，而

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α机则做不到。

CS1使用Modern通过电话线连接远程的计算机，在计算机上运行CX-Programmer软件，可以对这台PC在线编程和修改。

CS1可以使用α机的一些通信单元，如远程I/O主单元、CompoBus/D主单元、CompoBus/S主单元、PC Link单元、构成相应的网络。

CS1系列PC还有其它独到的功能，不再一一列举。

3. 欧姆龙PLC控制系统设计

3.1 PLC控制系统设计和调试的一般步骤：

1.分析被控对象并提出控制要求

详细分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间 的配合，提出被控对象对PLC控制系统的控制要求，确定控制方案，拟定设计 任务书。

2.确定输入输出设备

根据系统的控制要求，确定系统所需的全部输入设备(如:按纽、位置开 关、转换开关及各种传感器等)和输出设备(如:接触器、电磁阀、信号指示 灯及其它执行器等)，从而确定与PLC有关的输入/输出设备，以确定PLC的 I0点数。

3.选择PLC

PLC选择包括对PLC的机型、容量、I/O模块、电源等的选择。 4.分配I/O点并设计外围硬件线路 (1)分配I/O点

画出PLC的I/O点与输入/输出设备的连接图或对应关系表。 (2)设计PLC外围硬件线路

画出系统其它部分的电气线路图，包括主电路和未进入PLC的控制电路等， 和由PLC的I/O连接图和PLC外围电气线路图组成系统的电气原理图。

5.程序设计

根据系统的控制要求，采用合适的设计方法来设计PLC程序。程序要以满 足系统控制要求为主线，逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序，逐步完 善系统指定的功能。除此之外，程序通常还应包括以下内容:

(1)初始化程序。在PLC上电后，一般都要做一些初始化的操作，为启 动作必要的准备，避免系统发生误动作。初始化程序的主要内容有:对某些数 据区、计数器等进行清零，对某些数据区所需数据进行恢复，对某些继电器进 行置位或复位，对某些初始状态进行显示等等。

(2)检测、故障诊断和显示等程序。这些程序相对独立，一般在程序设计 基本完成时再添加。

(3)保护和连锁程序。保护和连锁是程序中不可缺少的部分，必须认真加 以考虑。它可以避免由于非法操作而引起的控制逻辑混乱。

6.程序模拟调试

程序模拟调试的基本思想是，以方便的形式模拟产生现场实际状态，为程 序的运行创造必要的环境条件。根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬

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件模拟法和软件模拟法两种形式。

(1)硬件模拟法是使用一些硬件设备(如用另一台PLC或一些输入器件 等模拟产生现场的信号，并将这些信号以硬接线的方式连到PLC系统的输入 端，其时效性较强。

(2)软件模拟法是在PLC中另外编写一套模拟程序，模拟提供现场信号， 其简单易行，但时效性不易保证。模拟调试过程中，可采用分段调试的方法， 并利用编程器的监控功能。

7.联机调试

联机调试是将通过模拟调试的程序进一步进行在线统调。联机调试过程应 循序渐进，从PLC只连接输入设备、再连接输出设备、再接上实际负载等逐步 进行调试。如不符合要求，则对硬件和程序作调整。通常只需修改部份程序即 可。

全部调试完毕后，交付试运行。经过一段时间运行，如果工作正常、程序不需要修改，应将程序固化到EPROM中，以防程序丢失。 3.2 PLC系统设计的基本原则

任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和 产品质量。因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则:

1.最大限度地满足被控对象的控制要求

充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC 控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。这就要求设计人员在 设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国 内、国外资料。同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作 人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。

2.保证PLC控制系统安全可靠

保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重 要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑， 以确保控制系统安全可靠。例如:应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行， 而且在非正常情况下(如突然掉电再上电、按钮按错等)，也能正常工作。

3.力求简单、经济、使用及维修方便

一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和 社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增 加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益， 另一方面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系 统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求 自动化和高指标。

4.适应发展的需要

由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当 考虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择PLC、输入/输出模块、 I/O点数和内存容量时，要适当留有余量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。

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3.3 PLC选型原则

在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作便是PLC设计选型。 工艺流程的特点和应用要求是PLC设计选型的主要依据。PLC及有关设备应是 集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的 原则选型。所选用的PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统。

PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程控制器、功能图标及有关的编程语言有利于缩短编程时间。因此，工程设计 和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务及范围确定 所需的控制和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、 确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计 相应的控制系统。

1.输入输出点数的估算

输入输出点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数， 再增加10%至20%的扩展余量后，作为输入输出点数的估算依据。实际订货时， 还需根据制造厂商所提供PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。

2.存储器容量的估算

存储器容量是可编程控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是 存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。 设计阶段，由于用户应用程序还未编制，程序容量因此还是未知的，需要在调 试之后才能知道。为了设计选型时能够对程序容量有一定的估算，通常采用存 储器容量的估算来代替。存储器内存容量的估算没有固定的公式，大体上都是

按照数字量点数的10至15倍，加上模拟量点数的100倍，以此数为内存的总字数(16位为一个字)，另外再按此数的25%考虑余量。

3.控制功能的选择

该选择包括运算功能、控制功能、通讯功能、编程功能、诊断功能和处理 速度等特性的选择。

(1)运算功能

简单PLC的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能;普通PLC的运算功 能还包括数据移位和比较等运算功能;较复杂运算功能有代数运算及数据传送 等;大型PLC中还有模拟量的PID运算和其他高级运算功能。随着开放系统的 出现，目前在PLC中都己具有通讯功能，有些产品具有与下位机的通讯、有些 产品具有与同位机和上位机的通讯、有些产品还具有与工厂或企业网进行数据 通讯的功能。有些应用需要数据传送和比较，当用于模拟量检测和控制时，才 使用代数运算，数值转换和PID运算等。要显示数据时需要译码和编码运算。

(2)控制功能

控制功能包括PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根 据控制要求确定。PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合采用单回路 或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成 所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。例如采用PID控制 单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASC码转换单元等。

(3)通讯功能

大中型PLC系统应支持多种现场总线和标准通讯协议(如TCP/IP协议)，需要时应能与工厂管理网相连接。通讯协议应符合ISO/IEEE通信标准，应是开

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放的通讯网络。

PLC系统的通讯接口应包括串行和并行通讯接口、RIO通信口、工业以太 网、常用DCS接口等，大中型PLC通讯总线(含接口设备和电缆)应1: 1冗余配置，通信总线应符合国际标准，通讯距离应满足实际装置要求。

PLC系统的通讯网络中，上级网络的通讯速率应大于1 Mbps，通讯负荷不 大于60% o PLC系统的通讯网络主要有以下几种形式:

1) PC为主站，多台同型号PLC为从站，组成简易PLC网络;

2) 1台PLC为主站，其他同型号PLC为从站，组成主从式PLC网络; 3 ) PLC网络通过特定的网络接口连接到大型DCS中作为DCS的子网; 4)专用PLC网络(各个厂商的专用PLC通讯网络)

为减轻CPU通讯任务，根据网络组成的实际需要，应选择具有不同通讯功 能的(如点对点、现场总线、工业以太网)通讯处理器。

(4)编程功能

离线编程方式:PLC和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU 只对编程器服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模 式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本， 但使用和调试不方便。

在线编程方式: PLC和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并 在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高， 但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。

五种标准化编程语言:顺序功能图(SFC )、梯形图(LD)、功能模块图(FBD) 三种图形化语言和语句表(IL, )、结构文本(ST)两种文本语言。选用的编程语 言应遵守IEC6113132标准，同时，还应支持多种编程形式，如C } Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。

(5)诊断功能

PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确 定硬件的故障位置。软件诊断分内诊断和外诊断，通过软件对PLC内部的性能 和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信 息交换功能进行诊断是外诊断。

PLC诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影 响平均维修时间。

(6)处理速度

PLC采用扫描方式工作。从实时性要求来看，处理速度应越快越好，如果 信号持续时间小于扫描时间，则PLC将扫描不到该信号，造成信号数据丢失。

处理速度与用户程序的长度、CPU处理速度、软件质量等有关。目前，PLC 接点的响应快、每条二进制指令执行时间约0. 2至0. 4LS，因此能适应控制要 求高、响应要求快的应用需要。扫描周期应满足:小型PLC的扫描时间不大于 0. 5ms/K;大中型PLC的扫描时间不大于0. 2mslKo

4.机型的选择 (1)PLC的类型

PLC按结构分为整体型和模块型两类;按应用环境分为现场安装和控制室 安装两类;按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。应从应 用角度出发，通常可按控制功能和输入输出点数选型。

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整体型PLC的输入输出点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控 制系统;模块型PLC提供多种卡件和插件，以此用户可较合理的选择和配置控制系统的输入输出点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。

(2)输入输出模块的选择

输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑 信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块， 应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命长、响应时间较长等特点;可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。可根据应用要求，合理选用智能性输入输出模块，以提高控制水平和降低应用成本。还应考虑是否需要扩展机架或远程IO机架等。

（3）电源的选择

PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设 计和选用外，一般PLC的供电电源设计选用220VAC电源，与国内电网电压一 致。重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。如果PLC本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。为防止外部高压电源因误操作而引入PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。

(4)存储器的选择

由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已经下降，因此，为保证 应用项目的正常投运，一般要求PLC的存储器容量，按256个I/O点至少选8K存储器。需要复杂控制功能时，应选容量更大，档次更高的存储器。

(5)冗余功能的选择

控制单元的冗余:重要的控制单元，如CPU、存储器及电源应1: 1冗余;在需要时可选用PLC硬件与热备软件构成的热备冗余系统。I/O接口单元的冗余:控制回路的多点I/O卡应冗余配置;重要检测点的多点I/O卡应冗余配置;根据需要对重要的I/O信号，可选用2重化或3重化的I/O接口单元。

(6)经济性的考虑

选择PLC时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩 展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出比较满意的产品。输入输出点数对价格有直接的影响。每增加一块输入输出卡件就需要增加一定的费用。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。 3.4 实例：污水处理厂DCS自动监控系统

3.4.1污水处理厂处理工艺

污水处理厂采用循环式活性污泥法工艺。循环式活性污泥法是SBR工艺的一种变形，该工艺将可变容积活性污泥法过程和生物选择器原理进行有机结合。SBR (Sequencing Batch Reactor)即为序批式活性污泥法。序批式活性污泥法在1914年开始开发，70年代初出现于美国。随后曝气器设备、自控设备的不断更新和技术水平的提高，SBR工艺广泛地应用，并且在传统的序批式活性污泥

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法的基础上，发展出多种变形工艺，循环式活性污泥法即为其中一种。

环式活性污泥法工艺是在一个或多个平行运行、且反应容积可变的池子中，完全生物降解和泥水分离过程。因此在该工艺中无需设置单独的沉淀池。在这一系统中，活性污泥法按照“曝气——非曝气”阶段不断重复进行。在曝气阶段主要完成生物降解过程，在非曝气阶段虽然也有部分生物作用，但主要是完成泥水分离过程。因此，循环式活性污泥法系统无需设置二沉池，可以省去传统活性污泥法中曝气池和二沉池之间的连接管道。完成泥水分离后，利用滗水器排出每一操作循环中的处理出水。根据活性污泥实际增殖情况，在每一处理循环的最后阶段((滗水阶段)自动排出剩余污泥。循环式活性污泥法工艺可以深度去除有机物(BOD ，COD )、通过同时硝化/反硝化过程去除大量的氮，同时完成生物除磷过程。

循环式活性污泥法工艺每一操作循环由下列四个阶段组成: (1)进水/曝气 (2)沉淀 (3)滗水

(4)闲置(视具体运行条件而定)

上述各个阶段组成一个循环，并不断重复。循环开始时，由于充水，池子 中的水位由某一最低水位开始上升，经过一定时间的曝气和混合后，停止曝气， 以使活性污泥进行絮凝并在一个静止的环境中沉淀，在完成沉淀阶段后，由一个 个移动式滗水器排出已处理的上清液，使水位下降至池子所设定的最低水位。完成上述操作阶段后，系统进入下一循环过程，重复以上操作。为保持池子中有一个合适的污泥浓度，需要根据产生的污泥量排出相应的剩余污泥。排除剩余污泥一般在沉淀结束后进行。循环式活性污泥法的工艺流程见图3.1。

图3.1 循环式活性污泥法的工艺流程图

3.4.2 污水处理厂监控设备

污水处理厂监控系统采用二级分布式(集散型)计算机监控系统方案。采用这种结构可使生产过程中的信息能够集中管理，以实现整体操作、管理;同时，也可使生产过程中的控制危险分散，提高系统的可靠性。整个系统分为两个管理级，即由中央控制室操作站OPS和上层管理计算机组成的上位管理级，和由现场各分控制室及现场在线测量仪表组成的现场管理级。现场各种数据通过PLC采集，并通过现场高速数据总线(工业以钦网)传送到中心控制室操作站OPS集中监视

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和管理。同样，中央控制室主机的控制命令也可通过上述高速总线传达到现场PLC的测控终端，实施各单元的分散控制。另外中央控制室的数据服务器和上层管理计算机、化验室计算机构成一个局域网，将完成全厂的数据库管理工作和模拟屏、投影仪的驱动工作。

整个监控系统分为三个组成部分，由数据服务器和上层管理计算机、化验 室计算机构成一个上层局域网进行数据管理，由通讯系统和监控计算机组成中 央控制系统(中央控制室操作站)对全厂实施集中监控，由可编程序控制器PLC 及现场仪表组成现场检测控制系统(分控站)对污水处理厂各个过程进行分散控制。各分控站与中央控制室之间由高速总线(工业以太网)连接进行数据通讯。

3.4.3整个系统组成框图

1.现场控制层

现场控制层由两套具备双机热备的PLC和现场测控仪表及控制设备组成， 该功能层将实现污水处理厂各单元过程，所有过程参数、设备运行状态及电气 参数的数据采集，单元过程及设备的控制，并通过工业以太网向监控层传送数 据和接受监控层控制指令。

2.过程监控层

该层是系统中信息交换与信息显示及控制中心，由挂接在工业以太网上的 作为操作站(工程师/操作员站)的两台工业控制计算机及马赛克监视模拟屏等设备构成，管理网络上的系统数据服务器也同时跨接在该层。该层通过组态工具和监控应用软件实现污水处理全过程的测量数据信息的集中显示与管理，现场各控制单元的控制组态，数据显示的图文组态，实时数据处理、实时控制指令都将在该层实现，自控系统的实时数据库也建在该层。

3.管理层

该层建立在由管理计算机和数据库服务器组成的局域网上。实现污水处理 厂的生产过程，决策调度及各项生产运营管理等功能，并留有具有网络安全防 护的远程数据库用户访问接口，实现授权的用户远程数据库访问。

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4.结语

PLC是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。

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参考文献：

[1] 宋伯生主编.PLC 编程实用指南[M].北京:机械工业出版社,2007. [2] 曹辉,霍罡主编.可编程序控制器过程控制技术[M].北京:机械工业出版社,2006.

[3] 霍罡,樊晓兵等编著.欧姆龙CP1HPLC 应用基础与编程实践[M].北京:机械工业出版社,2009.

[4] 廖常初主编.可编程序控制器编程方法与工程应用[M].重庆:重庆大学出版社,2001.

[5] 高大文，彭永臻，王淑莹等，污水处理智能控制的研究应用和发展[J]中国给水排水，2002年第6期

[6] 王福珍，王淑莹，刘晓阳等，SBR法供气量的最优控制和曝气与沉滨时间的最优分配[J]，哈尔滨建筑工程学报，1994年第4期

[7] 马思乐，王效良，集散控制系统原理及应用「M]，机械工业出版社，1998

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