1.2 PLC的基本组成
PLC是以微处理器为核心的一种特殊的工业用计算机，其结构与一般的计算机相类似，由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM、EPROM、EEPROM等）、输入接口、输出接口、I/O扩展接口、外部设备接口及电源等组成。
根据结构形式不同，PLC可分为整体式（也称箱体式）和组合式（也称模块式）两类。整体式PLC是将中央处理单元（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口、I/O扩展接口等组装在一个箱体内构成主机。另外还有独立的扩展单元等与主机配合使用。整体式PLC的结构紧凑、体积小，小型机常采用这种结构，基本组成如图1.1所示。日本欧姆龙（OMRON）公司的CPM1A、CPM2A和CP1系列（CP1 H/CP1L/CP1E）均为整体式PLC。
图1.1 整体式PLC的组成示意图
组合式PLC的组成如图1.2所示。这种结构的PLC是将CPU单元、输入单元、输出单元、智能I/O单元和通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块可以插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系。装有CPU的单元称为CPU模块，其他单元称为扩展模块。CPU与各扩展模块之间若通过电缆连接，距离一般不超过10m。中、大型机常采用组合式。日本欧姆龙（OMRON）公司的C200H、CJ1M和CS1等为组合式PLC。
图1.2 组合式PLC的组成示意图
本书将重点介绍的CP1（包括CP1H、CP1L和CP1E）系列PLC为整体式，CP1H单元具有20点和40点规格的输入/输出电路，CP1L/CP1E CPU单元具有10点、14点、20点、30点、40点和60点规格的输入/输出电路。CP1系列PLC将模块式的各个单元集成为一体，不如模块式灵活但是使用方便。如果I/O点数不够，可用CP1系列的基本I/O扩展单元CP1W（或CPM1A和CPM2A的基本I/O扩展单元CPM1A）进行扩展。不同型号的CP1系列PLC可以连接的扩展单元的类型和数量不同。另外，CP1系列PLC可以连接CJ系列特殊I/O单元或CPU总线单元。
下面以CP1H为例，介绍CP1系列PLC各组成部分及其作用。PLC的具体型号不同时，其组成部分及作用会稍有差异。CP1系列不同PLC的差异将在第2章中介绍。
1.中央处理单元（CPU）
CPU是PLC的核心部件，它类似人的大脑，能指挥PLC按照预先编好的系统程序完成各种任务，其作用有以下几点。
①接收、存储由编程工具输入的用户程序和数据，并可通过显示器显示出程序的内容和存储地址。
②检查、校验用户程序。对正在输入的用户程序进行检查，发现语法错误立即报警，并停止输入；在程序运行过程中若发现错误，则立即报警或停止程序的执行。
③接收、调用现场信息。将接收到现场输入的数据保存起来，在需要该数据的时候将其调出并送到需要该数据的地方。
④执行用户程序。当PLC进入运行状态后，CPU根据用户程序存放的先后顺序，逐条读取、解释和执行程序，完成用户程序中规定的各种操作，并将程序执行的结果送至输出端，以驱动PLC外部的负载。
⑤故障诊断。诊断电源、PLC内部电路的故障，根据故障或错误的类型，通过显示器显示出相应的信息，以提示用户及时排除故障或纠正错误。
2.存储器
存储器可以分为以下两种。
（1）系统程序存储器
系统程序是厂家根据其选用CPU的指令系统编写的，它决定了PLC的功能。系统程序一般由厂家直接固化在只读ROM或EPROM之中，用户不能更改其内容。它包括如下内容。
检查程序：PLC加电后，由检查程序检查PLC各部件操作是否正常，并显示。
翻译程序：将用户输入的程序变换成由微机指令组成的程序，然后再执行。
监控程序：相当于总控程序，根据用户的需要调用相应的内部程序。
（2）用户程序存储器
用户根据控制要求而编制的应用程序称为用户程序。不同机型的PLC，其用户程序存储器的容量可能差异较大。用户程序经常需要改动，所以用户程序存储器必须可读/写。用户程序和数据存储在随机存取存储器RAM中。一般要用后备电池（锂电池）进行掉电保护，以防掉电时丢失程序和数据。CP1H系列整体式PLC，可选外置快闪存储卡，容量达512KB，并含有内置闪存，用户程序和参数区（如PLC设置）是自动备份和自动恢复的。
3.输入/输出单元
输入/输出（I/O）单元（或I/O模块）是PLC与外部设备相互联系的窗口。输入单元接收现场设备向PLC提供的信号，例如，由按钮、操作开关、限位开关、继电器触点、接近开关、拨码器等提供的开关量信号，可使用开关量输入单元接收这些开关量信号；可使用模拟量（A/D）输入单元接收温度传感器及变送器发出的直流电压信号；可使用高速计数单元接收旋转编码器发出的脉冲信号等。输入单元将接收到的各种现场信号转换成CPU能够接收和处理的信号。输出单元通常有开关量输出、脉冲输出和模拟量输出3种输出单元。开关量输出单元用于驱动控制继电器、接触器、电磁阀及指示灯等。脉冲输出单元用于连接步进电动机驱动器，驱动步进电动机，构成定位控制系统；也可以连接具有脉冲输入端口的交流伺服驱动器，驱动交流永磁同步电动机，构成位置闭环控制系统。模拟量（D/A）输出单元可用于连接具有模拟量输入端口的直流驱动器，驱动直流电动机构成直流调速系统或位置控制系统；也可用于连接具有模拟量输入端口的交流伺服驱动器，驱动交流伺服电动机，构成速度控制系统、位置控制系统或同步控制系统等。
（1）数字量（开关量）输入单元
欧姆龙公司的CP1H带有内置输入/输出端子。X/XA型CPU单元的数字量（开关量）输入单元的接点占用输入继电器0CH的00～11位12点，和1CH的00～11位12点，共计24点。因为0CH/1CH的高位位12～15通常被系统清除，故不可作为内部辅助继电器使用。输入电路如图1.3所示，性能指标见表1.1。图1.3（a）中点画线框内为输入电路，框外左侧为现场用户接线；3.0kΩ为限流电阻；910Ω与1000pF构成滤波器，用以除去输入信号中的高频干扰；虚线框内为光电耦合器输入指示灯，由发光二极管和光敏三极管组成，它将输入电路与内部电路（控制电路）隔离，提高输入单元的抗干扰能力；输入指示灯在外部输入电路接通时亮，表示有信号输入。图1.3（b）、图1.3（c）原理与图1.3（a）一样，并且可以看出直流电源的极性接法是任意的。输入可以是按钮开关、行程开关及位置开关等，使用时外接24V直流电源，如图1.3所示，也可以是光敏类接近开关和磁敏类接近开关等开关元件。
图1.3 CP1H-XA型数字量（开关量）输入单元电路图
表1.1 CP1H-XA型数字量（开关量）输入单元性能指标
（2）数字量（开关量）输出单元
开关量输出单元有继电器输出单元、晶体管输出单元及双向晶闸管（可控硅）输出单元。
①继电器输出单元。X/XA型CPU单元的数字量（开关量）输出继电器占用100CH的00～07位8点，101CH的00～07位8点，共计16点。100CH/101CH的高位位08～15可作为内部辅助继电器使用。图1.4是电路图。内部有16只小型24V直流继电器，其规格性能指标见表1.2。图中点画线框内是继电器单元的输出电路，框外右侧为现场用户接线，图中仅画出1位接点的输出电路，其他各继电器输出点的输出电路均相同。
图1.4 CP1H-XA型数字量（开关量）输出单元电路图
表1.2 CP1H-XA型继电器输出单元性能指标
继电器输出单元的负载可以是接触器、牵引电磁铁、比例电磁铁、气动电磁阀、液压电磁阀、信号灯及警报器等。外接电源视负载类型而定，可选用直流或交流电源。使用直流电源时，电源极性接法任意。
②晶体管输出单元。CP1H-XA的晶体管输出单元电路如图1.5所示，性能指标见表1.3。
图1.5 CP1H-XA型晶体管输出单元电路图
表1.3 CP1H-XA型的晶体管输出单元性能指标
图1.5（a）、图1.5（b）分别对应地址100CH的8个和101CH的8个输出端子的输出电路，图1.5中点画线框内是晶体管输出单元内部的输出电路，框外右侧为现场用户接线。外接电源为24V直流电源。图1.5（b）虚线框内为光电耦合器，外面的三极管为功率无触点开关元件，用于接通或断开负载电路。图中只画出一位即一个输出点的输出电路，其他各个输出点的输出电路均相同。
晶体管作为无触点开关元件，寿命长且响应时间短，如本例中晶体管输出单元ON响应时间为0.1ms左右，OFF响应时间为0.1ms左右。最大通断范围为DC1～300mA，4.5～30V。通常晶体管输出单元采用光电耦合器作为输出级，使内部电路（控制电路）与输出电路隔离，内部电路不直接受到负载电流的影响，提高了输出单元抗干扰能力。对于晶体管输出单元，当负载为感性负载时，应采用浪涌吸收器，用于吸收浪涌电压。此外，还应有过电流和过载保护电路。
4.电源部分
PLC中一般配有开关式稳压电源为内部电路供电。开关电源的输入电压范围宽、体积小、质量轻、效率高、抗干扰性能好。有的PLC能向外部提供24V的直流电源，可给输入单元所连接的外部开关或传感器供电。
5.外设端口
每台PLC都有外设端口。通过外设端口，PLC可与外部设备相连接。例如，连接编程器以输入、修改用户程序或监控程序的运行；有的PLC可以通过外设端口与其他PLC、计算机或终端设备PT等连接进行通信，或连成各种网络等。
CP1系列之前的OMRON PLC的外设端口，可直接连接手持编程器，向PLC写入程序。CP1系列PLC取消了手持编程器配置，没有通常的外设端口，有一个外围设备USB端口。另外，还可以安装相应的选件板得到RS-232C和RS-422A/485两个通信端口。
6.编程工具
编程工具是开发应用和检查维护PLC及监控系统运行不可缺少的外部设备。编程工具的主要作用是用来编辑程序、调试程序和监控程序的执行，还可以在线测试PLC的内部状态和参数，与PLC进行人机对话等。通常使用的编程工具可以是简易手持编程器，也可以是配有专用编程软件包的通用计算机。
（1）简易编程器
简易编程器不能直接输入梯形图程序，只能输入语句表程序。用简易编程器编程时，编程器必须与PLC相连接。简易编程器的优点是价格低、体积小、质量轻、方便携带。
编程器可以不参与现场运行，所以一台编程器可以供多台PLC使用。
（2）计算机辅助编程
目前各PLC厂家都设计了PLC的计算机辅助编程软件。当PLC与装有编程软件的计算机连接通信时，可进行计算机辅助编程（见第4章）。编程软件的功能很强，它可以编辑、修改用户的程序，监控系统运行，打印文件，采集和分析数据，监控系统运行状况，对工业现场和系统进行仿真，将程序储存在磁盘上，实现计算机和PLC之间的程序相互传送等。
CP1系列之前的OMRON PLC可直接采用手持编程器编程，也可以通过计算机辅助编程。CP1系列PLC取消了手持编程器编程功能，只能通过CX-Programmer（简称CX-P）编程软件在计算机上编程，然后下载到PLC中。
7.I/O扩展端口和扩展单元
当主机上的I/O点数或类型不能满足用户需要时，主机可以通过I/O扩展端口连接基本I/O扩展单元来增加I/O点。没有I/O扩展端口的PLC不能进行I/O点扩展。另外，通过I/O扩展端口还可以连接各种高功能I/O扩展单元和CPU高功能单元，扩展PLC的功能。
CP1系列PLC的高功能I/O扩展单元和CPU单元有：A/D单元、D/A单元、高速计数单元、位置控制单元、温度控制单元和各种通信单元等。