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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点的数量必须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。为了保输入的可靠,当PLC的输入线路中串联(或并联)有二管、电阻时,需要保证信号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,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,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;SIEMENS S7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,并独立输入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。SIEMENS S7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SIEMENS S7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。
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