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PLC的I/O接口線路設(shè)計和I/O連接方式

?在PLC控制系統(tǒng)中，絕大多數(shù)輸入/輸出都屬于開關(guān)量信號的范疇，PLC這些開關(guān)量信號的連接可以選擇多種方式，它取決于I/O模塊的具體型號。因此，在確定系統(tǒng)I/O模塊時，不僅要考慮到I/O點的數(shù)量能夠滿足系統(tǒng)的要求，而且需要確定I/O模塊的具體連接方式。

??如何根據(jù)控制對象的基本要求與外部元件的性質(zhì)，正確選擇I/O模塊、規(guī)劃I/O連接線路，是降低設(shè)計/制造成本，提高控制系統(tǒng)可靠性的重要內(nèi)容之一。

??下面將介紹PLC中常用的I/O連接方式、接口電路原則與I/O接口線路的設(shè)計要點。

??(1)開關(guān)量輸入連接

??在PLC控制系統(tǒng)中，絕大多數(shù)輸入都屬于開關(guān)量輸入信號的范疇，如各種按鈕、行程開關(guān)、繼電器/接觸器接點、傳感器的檢測輸入等。這些輸入信號一般都可以直接與PLC的輸入接口進(jìn)行連接，經(jīng)過PLC內(nèi)部輸入接口電路的信號轉(zhuǎn)換變成PLC的輸入信號。PLC的輸入連接通常采用接線端子的形式與外部開關(guān)、傳感器進(jìn)行連接。

??為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力與工作可靠性，PLC輸入接口電路中通常都采用光電隔離的措施，對1次電路與2次電路進(jìn)行電"絕緣"，同時，在2次電路或1次電路中，還設(shè)計有RC濾波電路以消除干擾。因此，PLC對輸入信號的響應(yīng)一般有10ms左右的延時。

??PLC的輸入靈敏度與接口電路的設(shè)計與輸入限流電阻的選擇有關(guān)，一般來說，光電耦合器件的1次側(cè)驅(qū)動電流在4.5ms以上。為了輸入的可靠，當(dāng)PLC的輸入線路中串聯(lián)(或并聯(lián))有二極管、電阻時，需要信號ON時的電流在5～7mA：信號OFF時，輸入漏電流在1.5mA以下。

??PLC輸入電路的形式多種多樣，各PLC生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品、同一生產(chǎn)廠家的不同型號PLC甚至是同型號PLC的不同模塊，在內(nèi)部具體電路的設(shè)計上可能都不盡相同，但基本工作原理與要求相同。

??從信號電壓類型上分，開關(guān)量輸入主要有直流輸入與交流輸入兩種形式，并以直流輸入為常用。從輸入信號的連接形式與信號電源提供方式上分，開管量輸入可以分為"匯點輸入"(亦稱"漏形輸入"或"負(fù)端共用輸入")、"源輸入"(也稱"源形輸入"或"正端共用輸入")以及"匯點/源通用輸入"3種類型。

??由于各PLC生產(chǎn)國家的標(biāo)準(zhǔn)與習(xí)慣的不同，一般來說，日本生產(chǎn)的PLC多用"匯點輸入"的形式;而歐洲各國生產(chǎn)的PLC習(xí)慣上采用“源輸入”的形式;SIEMENSS7系列PLC的部分輸入模塊則為匯點/源輸入通用模塊;3種形式對外部電路的設(shè)計要求不同，具體如下。

??① 直流匯點輸入所謂“匯點輸入”，是一種由PLC內(nèi)部提供輸入信號電源、全部輸入信號的一端匯總到輸入的公共連接端(COM)的輸入形式(見圖5-31)。匯點輸入的優(yōu)點是不需要外部提供輸入信號的電源，輸入電源由PLC內(nèi)部向外部"泄漏"，因此被稱為"漏形輸入"。"匯點輸入"常見于日本的PLC，其實際接口電路從略。

??②直流源輸入所謂“源輸入”，是一種由外部提供輸入信號電源(或使用PLC內(nèi)部提供給輸入回路的電源)，全部輸入信號為“有源”信號，并立輸入PLC的輸入連接形式(見圖5-32)。

??源輸入的PLC內(nèi)部接口電路原理簡圖如圖5-33所示。實際PLC接口電路，根據(jù)PLC生產(chǎn)廠家、輸入模塊型號的不同有所區(qū)別，一般還有輸入指示用LED(發(fā)光二極管)、輸入信號濾波、輸入穩(wěn)壓等輔助電路(圖中未畫出)部分，電路設(shè)計也各不相同，詳情應(yīng)參見所使用的PLC的硬件說明書。

??由圖5-33可見，當(dāng)輸入接點K2閉合時，外部DC24V與0V間，通過光電耦合器件、限流電阻、輸入觸點經(jīng)公共端COM構(gòu)成電流回路，光電耦合器件的輸出為"1"，PLC內(nèi)部獲得“1”信號輸入。

??由圖5-32、圖5-33可見，無論是使用外部電源還是使用內(nèi)部電源，這種輸入方式的共同優(yōu)點是：當(dāng)輸入連接線與外部地(如設(shè)備外殼)短路或斷路時，不可能有"1"信號的錯誤輸入，防止了設(shè)備誤動作的可能性，此外，由于輸入回路使用的是外部電源，輸入故障對PLC的傷害較小。其缺點是輸入信號需要外部電源(PLC用于輸入的DC24V的容量通常較小，只能適用于I/O點較少的系統(tǒng))，在一定程度上增加了生產(chǎn)成本。

??源輸入常見于歐洲各國的PLC，其實際接口電路也從略

??③匯點/源通用輸入 “匯點/源通用輸入”是一種可以根據(jù)外部要求連接“有源”輸入信號或"匯點"輸入信號的連接方式。SIEMENSS7系列采用的就是本方式。

??“匯點/源通用輸入”一般在PLC內(nèi)部需要采用雙向光電耦合器件，以適應(yīng)不同的連接要求。在SIEMENSS7中(以S7-200為例)，其PLC輸入連接方法與PLC內(nèi)部接口電路原理簡圖如圖5-34所示。

??注意：由于匯點/源通用輸入常用于SIEMENS或歐洲生產(chǎn)的PLC產(chǎn)品中，在這些產(chǎn)品中其輸入地址一般以Ⅰ*.*表示，如輸入地址10.0相當(dāng)于日本產(chǎn)品的地址X00;Q1.7相當(dāng)于日本產(chǎn)品的Y17地址等。

??“匯點/源通用輸入”的工作原理與匯點輸入、源輸入相似，采用了雙向光耦器件，以適應(yīng)不同連接方式時電流方向改變的需要。對于直流輸入，在固定的連接方式下，光耦的兩只發(fā)光二極管始終只有一個起作用。

??通用輸入線路的輸入限流電阻較大。此外，在光耦旁還并聯(lián)了一個470Ω的保護電阻，以防止光耦兩端的電壓過高或電流過大。

??同樣，實際PLC接口電路根據(jù)PLC生產(chǎn)廠家、輸入模塊型號的不同有所區(qū)別，一般還有輸入指示用LED(發(fā)光二極管)、輸入信號濾波、輸入穩(wěn)壓等輔助電路(圖中未畫出)部分，電路設(shè)計也各不相同，詳情應(yīng)參見所使用的PLC的硬件說明書。

??④帶有整流電路的交流輸入帶有整流電路的交流輸入為PLC交流輸入的一般形式。當(dāng)PLC的輸入信號為交流時，一般均采用“源輸入”的形式。從原理上說，帶有整流電路的交流輸入與直流"源輸入"的區(qū)別，僅僅是在輸入接口電路上增加了整流電路而已。

??交流"源輸入"的PLC內(nèi)部接口電路原理簡圖如圖5-35所示。同樣，在實際接口電路中，根據(jù)PLC輸入模塊的不同，一般還有輸入指示用LED(發(fā)光二極管)、輸入信號濾波、輸入穩(wěn)壓等輔助電路(圖中未畫出)。

??在PLC采用交流輸入的場合，有時會由于輸入元件帶有RC回路或指示燈等原因，使得輸入漏電流過大，導(dǎo)致在無輸入信號時，PLC的輸入仍然無法正常關(guān)斷的現(xiàn)象。對于此類情況，應(yīng)通過在PLC的輸入端并聯(lián)RC回路的方法，減小PLC輸入端的泄漏電流，使其在關(guān)斷電流以下(見圖5-36)。

?

PLC的應(yīng)用設(shè)計主要包括，按設(shè)備和工藝流程提出的要求，選用適合的PLC及其配置、控制臺和外設(shè)，設(shè)計并制作硬件系統(tǒng)。軟件設(shè)計的內(nèi)容有：編制用戶程序，設(shè)計和分配I/O接口。由硬件和軟件共同組成PLC控制系統(tǒng)。

??應(yīng)用設(shè)計步驟

??在掌握了PLC的基本工作原理及指令系統(tǒng)后，就可以把PLC應(yīng)用在實際的工程項目中。不論是用PLC組成集散控制系統(tǒng)，還是獨立控制系統(tǒng)，PLC控制部分的設(shè)計都可以參照圖5-1所示的設(shè)計步驟進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計。

??(1)分析評估控制任務(wù)

??隨著PLC功能的不斷完善，幾乎可以用PLC完成所有的工業(yè)控制任務(wù)。但是，是否選擇PLC控制，是選擇單臺PLC控制，還是多臺PLC的分散控制或分級控制，還應(yīng)根據(jù)該系統(tǒng)所需完成的控制任務(wù)和對被控對象的生產(chǎn)工藝及特點進(jìn)行詳細(xì)分析，特別是要從以下幾方面給以考慮。

??①控制規(guī)模一個控制系統(tǒng)的控制規(guī)?？捎迷撓到y(tǒng)的輸入/輸出設(shè)備總數(shù)來衡量。當(dāng)控制規(guī)模較大時，特別是開關(guān)量控制的輸入/輸出設(shè)備較多且聯(lián)鎖控制較多時，Zui適合采用PLC控制。

??②工藝復(fù)雜當(dāng)工藝要求較復(fù)雜時，用燃電器系統(tǒng)控制極不方便，而且造價會相應(yīng)提高，甚至?xí)走^PLC控制的成本。因此，采用PLC控制將有更大的優(yōu)越性。特別是如果工藝要求經(jīng)常變動或控制系統(tǒng)有擴充功能的要求時，則只能采用PLC控制。

??③可靠性要求品然有些系統(tǒng)不太復(fù)雜，但對可靠性、抗干擾能力要求較高時，也需采用PLC控制。在20世紀(jì)70年代，一般認(rèn)為I/O總數(shù)在70點左右時，可考慮PLC控制；到了80年代，一般認(rèn)為1/0總數(shù)在40點左右就可以采用PLC控制：目前，由于PLC性能價格比的進(jìn)一步提高，當(dāng)I/O點總數(shù)在20點甚至更少時，就趨向于選擇PLC控制了。

??④ 數(shù)據(jù)處理速度當(dāng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、計算及規(guī)模較大，需很大的存儲器容量，且要求很高的運算速度時，可考慮帶有上位計算機的PLC分級控制；如果數(shù)據(jù)處理程度較低，而主要以工業(yè)過程控制為主時，采用PLC控制將非常適宜。

??PLCZui適合的控制對象是，工業(yè)環(huán)境較差，而對安全性、可靠性要求較高，系統(tǒng)工藝復(fù)雜，輸入/輸出以開關(guān)量為主的工業(yè)自控系統(tǒng)或裝置。一般來說，能夠反映生產(chǎn)過程的運行情況，能用傳感器進(jìn)行直接測量的參數(shù)?？刂七壿嫃?fù)雜的部分都由PLC完成。另外一部分，如緊急停車等環(huán)節(jié)，對主要控制對象還要加上手動控制功能，這就需要在設(shè)計電氣系統(tǒng)原理圖與編程時統(tǒng)一考慮。