1.4 欧姆龙PLC概述
欧姆龙（立石公司）电机株式会社是世界上生产PLC的著名厂商之一。SYSMAC C系列PLC产品以较高的性价比广泛应用于电力、化学、食品、材料处理等工业控制过程中，在日本销量仅次于三菱，居第二位，在我国也是应用非常广泛的PLC之一。
欧姆龙C系列PLC产品门类齐、型号多、功能强、适应面广，大致分成微型、小型、中型和大型四大类。整体式结构的微型PLC以C20P为代表；叠装式（或称紧凑型）结构的微型PLC以CJ型最为典型，它具有超小型和超薄型尺寸。小型PLC以P型机和CPM型机最为典型，这两种都属于坚固整体型结构，体积更小、指令更丰富、性能更优越，通过I/O扩展可实现（10～140）I/O点数的灵活配置，并可连接可编程终端直接从屏幕上进行编程，CPM型机是欧姆龙产品中选用最多的小型机系列产品。中型机以C200H系列最为典型，主要有C200H、C200HS、C200HX、C200HG和C200HE等型号，在程序容量、扫描速度和指令功能等方面都优于小型机，除具备小型机的基本功能外，还可配置更完善的接口单元模块，如模拟量I/O、温度传感器、高速计数、位置控制、通信连接等模块。可与微型计算机、其他PLC及各种外部设备组成具有各种用途的计算机控制系统和工业自动化网络。
在一般的工业控制系统中，小型PLC要比大、中型机的应用更广泛。在电气设备的控制应用方面，一般采用小型PLC都能够满足需求。
1.4.1 欧姆龙PLC的历史与发展
一般从基本性能、特殊功能及通信连网三个方面考察PLC性能。基本性能包括指令系统、工作速度、控制规模、程序容量、PLC内部器件、数据存储器容量等；特殊功能指中断、A-D、D-A、温度控制等，模块式PLC的特殊功能由智能单元完成；通信连网是指PLC与各种外设通信及组成各种网络，由专用通信板或通信单元完成。欧姆龙早期产品即立石SCY-022，自20世纪80年代以来，产品多次更新换代，下面依时间顺序对其发展情况做一简单回顾。
1.20世纪80年代的欧姆龙PLC
20世纪80年代初期，欧姆龙的大、中、小型PLC有C系列的C2000、C1000、C500、C120、C20等。它们指令少，而且指令执行时间长，内存也小，内部器件有限，体积大。例如，C20仅有20条指令，基本指令执行时间为4～80μs。这些产品已基本被淘汰。
随后小型机换代，P型机替代C20机。P型机的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4μs，体积也明显缩小。P型机有较高的性价比，且易于掌握和使用，因而具有较强的竞争力，在当时小型机市场上独占鳌头。
20世纪80年代后期，欧姆龙开发出H型机，大、中、小型对应有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，特别是出现了指令的微分执行，一条指令可代替多条指令使用，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型机基本指令执行时间才0.4μs，而C200H机也只有0.7μs。H型机的通信功能增强了，甚至小型H型机也配有RS-232C接口，与计算机可以直接通信。大型机C2000H的CPU可进行热备配置，一般I/O单元还可在线插拔。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，得到了非常广泛的应用。C200H曾用于太空实验站，开创了业界先例。
另外，欧姆龙还开发出微型机SP20/SP16/SP10。这类机型点数少，最少为10点，但可自身连网（PLC Link），最多可达80点。它的体积很小，功能单一，价格较低，特别适合用于安装空间小、点数要求不多的继电控制场合。
2.20世纪90年代的欧姆龙PLC
20世纪90年代初期，欧姆龙推出无底板模块式结构的小型机CQM1，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0.5μs，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6KB，比中型机C200H的2KB大很多。CQM1共有七种CPU，每种CPU都带有16个内置输入点，有输入中断功能，都可接增量式旋转编码器进行高速计数，计数频率单相为5kHz、两相为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接口，CPU44有绝对式旋转编码器接口，CPU45有A-D、D-A接口。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组成。CQM1的CPU单元除CPU11外都自带RS-232C通信接口。
在CQM1推出之前，欧姆龙推出了大型机及CV系列，性能比C系列大型H型机显著提高，极大提高了欧姆龙在大型机方面的竞争实力。1998年底，欧姆龙推出CVM1D双极热备系统，具有双CPU和双电源单元，都可热备。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。
值得注意的是进入20世纪90年代后，欧姆龙更新换代的速度明显加快，特别是后5年，欧姆龙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，于1996年进入中国市场；到了1997年全新的中型机C200Hα问世，性能比C200HS又有显著提高。除基本性能比C200HS提高外，α机的突出特点是通信组网能力强。例如，CPU除自带RS-232C接口外，还可插上通信板，板上配有RS-232C、RS-422/RS-485接口，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机可加入欧姆龙高层信息Ethernet，还可加入中层控制Controller Link网，而C200H、C200HS则不可以。
1999年欧姆龙在中国市场上又推出比α机功能更加完善的CS1系列机型，虽然兼容了α机的功能，但不能简单地看作是α机的改进，而是性能的一次质的飞跃。CS1代表了当今PLC发展的最新动向。
欧姆龙在小型机方面也取得了长足进步。1997年，欧姆龙在推出α机的同时，还推出了P型机的升级产品，即小型机CPM1A。与P型机相比，CPM1A体积很小，只有同样I/O点数P型机的1/2，但它的性能改进很大，例如，它的指令有93种、153条，基本指令执行时间为0.72μs，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彼此间、与计算机间通信，还与PT连接。
1999年，欧姆龙在推出CS1系列的同时，在小型机方面相继推出了CPM2A/CPM2C/CPM2AE、CQM1H等机型。
CPM2A是CPM1A之后的另一系列机型。CPM2A的性能比CPM1A有新的提升，例如，CPM2A指令的条数增加、功能增强、执行速度加快，可扩展的I/O点数、PLC内部器件的数目、程序容量、数据存储器容量等也都增加了；所有CPM2A的CPU都自带RS-232C接口，在通信连网方面比CPM1A改进不少。
CPM2C具有独特的超薄、模块化设计，由CPU和I/O扩展单元，以及模拟量I/O、温度传感和CompoBus/S I/O链接等特殊功能单元组成。CPM2C的I/O采用I/O端子台或I/O连接器形式，每种单元的体积都极小，仅90mm×65mm×33mm。CPU使用DC电源，共十种型号，输出是继电器或晶体管形式，有的CPU带时钟功能。CPM2C的I/O扩展单元也有十种型号，最多可扩展到140点，单元之间通过侧面的连接器相连。CPM2C有RS-232C接口，通过专用通信接口CPM2C-CIF01/CIF02，可把外设接口转换为RS-232C接口或RS-422/RS-485接口。CPM2C CPU的基本性能、特殊功能和通信联网功能与CPM2A相一致。
CPM2AE是欧姆龙公司专为中国市场开发的，仅有60点继电器输出的CPU，是CPM2A-60CDR-A的简化机型。CPM2AE删除CPM2A的一些功能，如后备电池（可选）、RS-232接口、CTBL指令（寄存器比较指令）等，以减少成本、降低售价，其他功能则与CPM2A完全相同。
紧凑型CQM1H是小型机CQM1的升级换代产品，是欧姆龙PC家族中的一朵奇葩，拥有漂亮的外表、齐全的功能，用于分散控制。CQM1H延续了原先CQM1的所有优点，提升并充实了CQM1的多种功能，对CQM1有很好的兼容性，使CQM1的老用户升级换代十分方便。CQM1H巩固了欧姆龙在中小型PLC领域无与伦比的优势，提升和充实了三大性能：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。
3.21世纪初的欧姆龙PLC
进入21世纪初，欧姆龙小型PLC除CQM1H、CPM外还有CJ1、CJ2。CJ1是无底板结构，综合了自动化控制和过程控制的必要功能，实现DeviceNet及串行通信；CJ2继承了CJ1的所有功能并全新升级至大容量数据存储，并搭载多功能型Ethernet接口、标签访问功能、USB接口的CPU；CPM2C发展到最多192个I/O点，CPM2C-CIF21只需简单初始设定即可方便地实现元器件和CPM2C的数据交换，新增CPM2B。
欧姆龙中型PLC有CS1、C200HX/C200HG/C200HE。CS1有丰富的CPU型号，可实现960～5120个I/O点，更有内置I/F等型号；C200HX/C200HG/C200HE有多样的CPU及电源装置，640～1184个I/O点全覆盖。CVM1/CV最适宜大规模机器的控制；NSJ将触摸屏和控制器封装在一起；通信网络八个产品无缝连接信息系统控制系统的各种PLC单元和周边工具软件产品。还有时序控制与过程控制融合的PLC仪表系统、C120、C20HB、C500-NC、C500等。
CP1E/L/H内置脉冲输出、模拟量输入输出、串行通信功能，是多功能一体机，可以简单共享CS/CJ的梯形图，提供Function block（FB）、Structure text（ST）语言，无论是小规模还是大规模的控制都可以通过同样的规格与操作来完成，包括FB的程序编程。CP1H系统处理速度快，基本指令0.1μs/条、高级指令0.3μs/条；程序容量（20KB）与I/O容量（DM区32KB）大；整体式体积小、功能强、空间利用率大、软硬件兼容性好；可扩展七个扩展单元，最多达320个I/O点；能模拟量输入/输出、高速中断、高速计数、高频脉冲输出、高速处理400条指令、FB编程；可将程序划分为最多32个实现不同控制功能的循环任务段，另外提供电源断开中断、定时中断、I/O中断和外部I/O中断等四类256个中断任务；两个通信接口实现与可编程终端（PT）、变频器、温度控制器、智能传感器及PLC之间的各种连接；能通过USB通信。
可以看出，近年欧姆龙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。
1.4.2 欧姆龙C系列P型PLC内部资源分配
欧姆龙C系列P型PLC内部资源分配包括输入继电器（IR）、输出继电器（OR）、内部辅助继电器（MR）、专用内部辅助继电器（SMR）、暂时存储继电器（TR）、保持继电器（HR）、定时器/计数器（TIM/CNT）和数据存储区等等。
1.内部资源（存储区）的分配
C系列P型PLC引用电气控制系统中的术语，用继电器定义存储区中的位，将用户数据区按继电器的类型分为八大类，即输入继电器区、输出继电器区、内部辅助继电器区、专用内部辅助继电器区、暂时存储继电器区保持继电器区、定时器/计数器区和数据存储区。对各区的访问采用通道的概念，将各区划分为若干连续的通道，每个通道包含16个二进制位（Word），用标识符及一个或两个数字组成通道号来标识各区的各个通道。有些区可按继电器（位）寻址，要在通道号后面再加两位数字00～15组成继电器号（位号）来标识通道中的各位。整个数据存储区的任一继电器或位都可用通道号或继电器号唯一表示。数据区通道号分配见表1-2。
表1-2 数据区通道号分配
（续）
2.输入/输出继电器
（1）输入继电器 输入继电器是用来接收可编程序控制器外部开关（或模拟）信号的“窗口”，只能由外部信号驱动。P型PLC输入继电器加装I/O扩展后最多可占有五个通道，编号为00～04，每个通道有16个继电器。可见输入继电器最多有80个，编号为0000～0415，见表1-3。
表1-3 输入继电器编号
（2）输出继电器 输出继电器是用来将信号传送到外部负载的器件，它有一个对外部输出的动合触点，是按照程序的执行结果而被驱动的。P型PLC输出继电器加装I/O扩展后最多可占有五个通道，编号为05～09。每个通道有16个输出继电器，但其中编号为12～15的继电器是用来执行可编程序控制器内部操作的内部辅助继电器，故实际使用的输出继电器是12个。最大输出继电器的数目为60个，编号为0500～0911，见表1-4。
表1-4 输出继电器编号
由于欧姆龙C系列P型PLC是一个系列产品，所以不同型号和不同配置的系列，其I/O点数也是不同的。
3.内部继电器
PLC内部继电器与I/O继电器不同，既不能被外部信号所驱动，也不能直接驱动外部设备，但可以由PLC中各种触点来驱动。内部继电器包括内部辅助继电器、保持继电器、暂存继电器和数据存储继电器。
（1）内部辅助继电器 内部辅助继电器（AR）在适当指令条件下，可使继电器建立起一定的逻辑关系，功能相当于继电器-接触器系统的中间继电器。P型PLC内部辅助继电器共有九个通道，编号为10～18，除18通道外，每个通道都有16个AR，即共有136个AR，编号为1000～1807，见表1-5。
表1-5 内部辅助继电器编号
（2）保持继电器 保持继电器（HR）具有掉电保护的功能，用于控制对象需要保存掉电前的状态，以便当PLC恢复工作时再现这些状态。保持继电器共占有十个通道，编号为HR0～HR9，每个通道有16个HR，总共160个HR，编号为HR000～HR915，见表1-6。
（3）暂时存储继电器 C系列P型PLC有八个暂存继电器（TR），编号为TR0～THR7。暂存继电器可不按顺序进行分配，在同一程序段中不能重复使用相同的HR编号，但不同程序段中可以使用。
（4）数据存储继电器 数据存储继电器（DM）具有掉电保护功能，通道编号为DM00～DM63，不能以单独的点（位）来使用，要以通道编号（数据区DM、字）为单位来使用。
表1-6 保持继电器编号
4.专用内部辅助继电器
C系列P型PLC有16个专用内部辅助继电器（1808～1907），它们是内部辅助继电器18通道的左字节和19通道的右字节，用来表示PLC的工作状态，以及产生脉冲和对PLC做一些特殊处理。它们的编号和功能见表1-7。
表1-7 专用内部辅助继电器编号和功能
5.定时器/计数器
C系列P型PLC提供48个定时器或48个计数器，或者是总数不超过48个定时器与计数器的组合。定时器和计数器的编号为TIM00～TIM47或CNT00～CNT47，在分配定时器和计数器编号时，两者的编号不能相同，例如不能既有TIM09定时器又有CNT09计数器。
当电源掉电时，定时器被复位，而计数器不复位，具有掉电保护功能。定时器和计数器不能直接产生输出，若要输出则必须通过输出继电器。
1.4.3 欧姆龙CS/CJ系列PLC简介
CS和CJ系列PLC是欧姆龙公司C系列PLC的高端中型机，各有几种模拟量I/O单元，以此为例进行图示如下。
1.基本配置
CS和CJ系列PLC模拟量I/O单元的安装位置是有差异的，CS在左、CJ在右。
（1）CS系列PLC CS系列模拟量I/O单元，能使CS系列PLC在4000分辨率下获得高精度输入和输出，有的输出单元甚至提供8000分辨率设置，如图1-7所示。
图1-7 CS系列PLC配置举例
（2）CJ系列PLC CJ系列模拟量I/O单元都是特殊I/O单元，可在4000分辨率下进行高精度模拟量输入和输出，如图1-8所示。
2.安装步骤
（1）CS系列PLC使用下述过程将模拟量I/O单元安装到背板：
1）将模拟量I/O单元的顶部锁进背板的插槽，并如图1-9a所示向下移动单元；
2）确定单元与连接器正确排列后，拧紧安装螺钉，直到拧紧的转矩达到0.4N·m；
3）卸下单元时，首先用十字螺钉旋具拧松安装螺钉，如图1-9b所示。
（2）CJ系列PLC CJ系列PLC系统配置中，模拟量I/O单元作为I/O单元连接，如图1-10所示。
图1-8 CJ系列PLC配置举例
图1-9 CS系列PLC模拟量I/O单元的安装与拆卸
图1-10 CJ系列模拟量I/O单元作为I/O单元连接
3.CS系列PLC操作步骤
当使用模拟量输入单元时应遵守下列程序：
① 将单元背板上的DIP开关操作模式设置为普通模式；
② 设置接线板下的电压/电流开关；
③ 单元配线；
④ 使用单元前板上的单元号开关来设置单元号；
⑤ 打开PLC电源；
⑥ 创建I/O表；
⑦ 进行特殊输入单元DM区域的设置，包括将使用的输入号码、输入信号范围、均值处理样本号、转换时间和分辨率（仅对V1版）；
⑧ 关闭然后接通PLC电源，或将特殊I/O单元重启动位开到ON。
（1）指示器 指示器表示单元的操作状态，有RUN（绿）、ERG（红）、ADJ（黄）、ERH（红）等指示灯。
（2）单元号开关 CPU和模拟量输入单元通过特殊I/O单元区域和特殊I/O单元DM区域交换数据，每个模拟量输入单元占据的特殊I/O区域和DM区域字地址是由单元板上单元号开关设置的。设置单元号前，保持电源OFF状态，使用一字螺钉旋具，并保证设置过程中不离开开关。
（3）操作模式开关 单元背板上的操作模式开关用来将操作模式设置成普通模式（1-OFF、2-OFF）或调整模式（1-ON、2-OFF），安装或拆卸单元前确保PLC电源关闭。
（4）电压/电流开关 接线板下有电压/电流开关，模拟量转换输入可设置它们从电压输入（OFF）调成电流输入（ON），注意安装或拆卸接线板前确定关闭电源。
（5）端子排列 接线端子一般分两列，如A1～A11、B1～B10，其中N.C.表示不做任何连接。
4.CJ系列PLC操作步骤
基本与上述CS系列PLC的操作步骤相同，只是CJ的DIP开关不在背板，而在前板上。
1.4.4 欧姆龙CV系列PLC简介
欧姆龙CV系列PLC有CVM1-CPU01-V2/CPU11-V2/CPU21-V2、CV500/CV1000/CV2000等型号，属大型机，性能明显优于C系列H型机。CVM1采用梯形图编程，而CV除梯形图外，还可使用顺序功能图（Sequence Function Chart, SFC）编程。CV系列PLC有以下特点：
1.系统结构改进
CV系列PLC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，减少了PLC的扫描时间。图1-11所示为CV机的CPU面板。
CV机CPU提供RS-232C、RS-422端口，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，以提高储存容量。
图1-11 CV机的CPU面板
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已有的指令，还增加了可累计计时的、可长计时的、可多输出的。长计时的时间可长达115天，精度为±0.1s。
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）执行时间仅为0.15μs，而C2000H的为0.4μs。
3.内部器件多
CV机基本的I/O点最多可达2048，是C2000H的2倍。CV机内部器件很多，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总线连接继电器（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.程序储存器容量大
CV机程序容量为30KB/62KB，还有文件存储器容量达1MB。另外可选用内存卡，用于存储用户程序，有RAM、EPROM、EEPROM类型，卡的容量可达512KB。
5.I/O刷新的方式多
CV机的I/O刷新方式多，即有：①带前缀指令!的刷新，是在执行指令的同时进行刷新；②循环刷新，是在完成一个循环时对所有的I/O进行刷新，这是传统PLC的刷新方式；③定时刷新，如定时10～100ms刷新所有的I/O；④过零刷新，是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，这显示出CV机功能的强大性。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，也具有一般计算机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机的组网能力强，可组成欧姆龙PLC的各种FA网络。CV机可以组成欧姆龙PLC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I/O器件相连，对机器设备进行实时控制。