（银川）中国西门子PLC模块代理商

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PLC的I/O接口线路设计和I/O连接方式

 在PLC控制系统中，绝大多数输入/输出都属于开关量信号的范畴，PLC这些开关量信号的连接可以选择多种方式，它取决于I/O模块的具体型号。因此，在确定系统I/O模块时，不仅要考虑到I/O点的数量能够满足系统的要求，而且需要确定I/O模块的具体连接方式。

  如何根据控制对象的基本要求与外部元件的性质，正确选择I/O模块、规划I/O连接线路，是降低设计/制造成本，提高控制系统可靠性的重要内容之一。

  下面将介绍PLC中常用的I/O连接方式、接口电路原则与I/O接口线路的设计要点。

  (1)开关量输入连接

  在PLC控制系统中，绝大多数输入都属于开关量输入信号的范畴，如各种按钮、行程开关、继电器/接触器接点、传感器的检测输入等。这些输入信号一般都可以直接与PLC的输入接口进行连接，经过PLC内部输入接口电路的信号转换变成PLC的输入信号。PLC的输入连接通常采用接线端子的形式与外部开关、传感器进行连接。

  为了提高系统的抗干扰能力与工作可靠性，PLC输入接口电路中通常都采用光电隔离的措施，对1次电路与2次电路进行电"绝缘"，同时，在2次电路或1次电路中，还设计有RC滤波电路以消除干扰。因此，PLC对输入信号的响应一般有10ms左右的延时。

  PLC的输入灵敏度与接口电路的设计与输入限流电阻的选择有关，一般来说，光电耦合器件的1次侧驱动电流在4.5ms以上。为了输入的可靠，当PLC的输入线路中串联(或并联)有二极管、电阻时，需要信号ON时的电流在5～7mA：信号OFF时，输入漏电流在1.5mA以下。

  PLC输入电路的形式多种多样，各PLC生产厂家的产品、同一生产厂家的不同型号PLC甚至是同型号PLC的不同模块，在内部具体电路的设计上可能都不尽相同，但基本工作原理与要求相同。

  从信号电压类型上分，开关量输入主要有直流输入与交流输入两种形式，并以直流输入为常用。从输入信号的连接形式与信号电源提供方式上分，开管量输入可以分为"汇点输入"(亦称"漏形输入"或"负端共用输入")、"源输入"(也称"源形输入"或"正端共用输入")以及"汇点/源通用输入"3种类型。

  由于各PLC生产国家的标准与习惯的不同，一般来说，日本生产的PLC多用"汇点输入"的形式;而欧洲各国生产的PLC习惯上采用“源输入”的形式;SIEMENSS7系列PLC的部分输入模块则为汇点/源输入通用模块;3种形式对外部电路的设计要求不同，具体如下。

  ① 直流汇点输入所谓“汇点输入”，是一种由PLC内部提供输入信号电源、全部输入信号的一端汇总到输入的公共连接端(COM)的输入形式(见图5-31)。汇点输入的优点是不需要外部提供输入信号的电源，输入电源由PLC内部向外部"泄漏"，因此被称为"漏形输入"。"汇点输入"常见于日本的PLC，其实际接口电路从略。

  ②直流源输入所谓“源输入”，是一种由外部提供输入信号电源(或使用PLC内部提供给输入回路的电源)，全部输入信号为“有源”信号，并立输入PLC的输入连接形式(见图5-32)。

  源输入的PLC内部接口电路原理简图如图5-33所示。实际PLC接口电路，根据PLC生产厂家、输入模块型号的不同有所区别，一般还有输入指示用LED(发光二极管)、输入信号滤波、输入稳压等辅助电路(图中未画出)部分，电路设计也各不相同，详情应参见所使用的PLC的硬件说明书。

  由图5-33可见，当输入接点K2闭合时，外部DC24V与0V间，通过光电耦合器件、限流电阻、输入触点经公共端COM构成电流回路，光电耦合器件的输出为"1"，PLC内部获得“1”信号输入。

  由图5-32、图5-33可见，无论是使用外部电源还是使用内部电源，这种输入方式的共同优点是：当输入连接线与外部地(如设备外壳)短路或断路时，不可能有"1"信号的错误输入，防止了设备误动作的可能性，此外，由于输入回路使用的是外部电源，输入故障对PLC的伤害较小。其缺点是输入信号需要外部电源(PLC用于输入的DC24V的容量通常较小，只能适用于I/O点较少的系统)，在一定程度上增加了生产成本。

  源输入常见于欧洲各国的PLC，其实际接口电路也从略

  ③汇点/源通用输入 “汇点/源通用输入”是一种可以根据外部要求连接“有源”输入信号或"汇点"输入信号的连接方式。SIEMENSS7系列采用的就是本方式。

  “汇点/源通用输入”一般在PLC内部需要采用双向光电耦合器件，以适应不同的连接要求。在SIEMENSS7中(以S7-200为例)，其PLC输入连接方法与PLC内部接口电路原理简图如图5-34所示。

  注意：由于汇点/源通用输入常用于SIEMENS或欧洲生产的PLC产品中，在这些产品中其输入地址一般以Ⅰ*.*表示，如输入地址10.0相当于日本产品的地址X00;Q1.7相当于日本产品的Y17地址等。

  “汇点/源通用输入”的工作原理与汇点输入、源输入相似，采用了双向光耦器件，以适应不同连接方式时电流方向改变的需要。对于直流输入，在固定的连接方式下，光耦的两只发光二极管始终只有一个起作用。

  通用输入线路的输入限流电阻较大。此外，在光耦旁还并联了一个470Ω的保护电阻，以防止光耦两端的电压过高或电流过大。

  同样，实际PLC接口电路根据PLC生产厂家、输入模块型号的不同有所区别，一般还有输入指示用LED(发光二极管)、输入信号滤波、输入稳压等辅助电路(图中未画出)部分，电路设计也各不相同，详情应参见所使用的PLC的硬件说明书。

  ④带有整流电路的交流输入带有整流电路的交流输入为PLC交流输入的一般形式。当PLC的输入信号为交流时，一般均采用“源输入”的形式。从原理上说，带有整流电路的交流输入与直流"源输入"的区别，仅仅是在输入接口电路上增加了整流电路而已。

  交流"源输入"的PLC内部接口电路原理简图如图5-35所示。同样，在实际接口电路中，根据PLC输入模块的不同，一般还有输入指示用LED(发光二极管)、输入信号滤波、输入稳压等辅助电路(图中未画出)。

  在PLC采用交流输入的场合，有时会由于输入元件带有RC回路或指示灯等原因，使得输入漏电流过大，导致在无输入信号时，PLC的输入仍然无法正常关断的现象。对于此类情况，应通过在PLC的输入端并联RC回路的方法，减小PLC输入端的泄漏电流，使其在关断电流以下(见图5-36)。

PLC的应用设计主要包括，按设备和工艺流程提出的要求，选用适合的PLC及其配置、控制台和外设，设计并制作硬件系统。软件设计的内容有：编制用户程序，设计和分配I/O接口。由硬件和软件共同组成PLC控制系统。

  应用设计步骤

  在掌握了PLC的基本工作原理及指令系统后，就可以把PLC应用在实际的工程项目中。不论是用PLC组成集散控制系统，还是独立控制系统，PLC控制部分的设计都可以参照图5-1所示的设计步骤进行系统设计。

  (1)分析评估控制任务

  随着PLC功能的不断完善，几乎可以用PLC完成所有的工业控制任务。但是，是否选择PLC控制，是选择单台PLC控制，还是多台PLC的分散控制或分级控制，还应根据该系统所需完成的控制任务和对被控对象的生产工艺及特点进行详细分析，特别是要从以下几方面给以考虑。

  ①控制规模一个控制系统的控制规模可用该系统的输入/输出设备总数来衡量。当控制规模较大时，特别是开关量控制的输入/输出设备较多且联锁控制较多时，Zui适合采用PLC控制。

  ②工艺复杂当工艺要求较复杂时，用燃电器系统控制极不方便，而且造价会相应提高，甚至会缸过PLC控制的成本。因此，采用PLC控制将有更大的优越性。特别是如果工艺要求经常变动或控制系统有扩充功能的要求时，则只能采用PLC控制。

  ③可靠性要求品然有些系统不太复杂，但对可靠性、抗干扰能力要求较高时，也需采用PLC控制。在20世纪70年代，一般认为I/O总数在70点左右时，可考虑PLC控制；到了80年代，一般认为1/0总数在40点左右就可以采用PLC控制：目前，由于PLC性能价格比的进一步提高，当I/O点总数在20点甚至更少时，就趋向于选择PLC控制了。

  ④ 数据处理速度当数据的统计、计算及规模较大，需很大的存储器容量，且要求很高的运算速度时，可考虑带有上位计算机的PLC分级控制；如果数据处理程度较低，而主要以工业过程控制为主时，采用PLC控制将非常适宜。

  PLCZui适合的控制对象是，工业环境较差，而对安全性、可靠性要求较高，系统工艺复杂，输入/输出以开关量为主的工业自控系统或装置。一般来说，能够反映生产过程的运行情况，能用传感器进行直接测量的参数。控制逻辑复杂的部分都由PLC完成。另外一部分，如紧急停车等环节，对主要控制对象还要加上手动控制功能，这就需要在设计电气系统原理图与编程时统一考虑。