在PLC控制系统输出中,开关量输出信号占的比重大,如各种继电器/接触器、电磁阀/电磁铁的线圈输出、指示灯输出等。当负载较小时,一般都可用PLC的输出直接驱动,但对大电流负载需要经中间继电器进行转换,用中间继电器的触点进行驱动。
为了提高系统的抗干扰能力与工作可靠性,在PLC输出接口电路中,通常也都采用光电隔离的措施,同时还设计有各种滤波电路,以干扰。PLC的输出连接通常采用接线端子的形式。
PLC输出负载的电源原则上都需要外部提供,根据负载电源的类型与实际需要的驱动电流大小,可以选择不同类型的PLC输出形式。
PLC输出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甚至是同一型号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PLC的输出驱动形式上来说,主要有继电器触点输出、直流晶体管(或场效应晶体管)输出与双向晶闸管输出三种类型。
继电器触点输出为交/直流通用驱动方式,输出驱动能力强(一般可以到2~10A),使信号连接时,直流晶体管输出可以大大减少输出延迟时间,提高信号处理速度与可靠性。
双向晶闸管输出一般用于开关频率高、存在感性的交流执行元件的驱动,与继电器接点输出相比,它可以减少输出延迟时间,延长使用寿命。
三种形式对外部电路的设计要求不同。
①继电器触点输出 继电器触点输出是PLC常用的输出形式。其主要优点是使用灵活,既可以用于驱动交流负载,也可以驱动直流负载;允许负载电压一般为AC250V/DC50V、电流2A以下。但在SIEMENS S7系列PLC中,负载电流大可到10A,容量可达80~1000VA(取决于负载性质)。
但是,继电器触点输出有使用寿命的限制(数十万次),当开关频率高、负荷重或承受冲击电流时,接点寿命将显著降低。因此,通常不宜用来直接驱动电磁阀、制动器等大电流负载。此外,继电器输出受接触性能与响应时间(一般需要10ms左右)等方面的限制,不宜用于DC12V或3mA以下的小电流、低电压的负载或高速输出。
继电器触点输出的连接方式常用的有两种:一是每一输出点的触点均独立输出,即输出触点间完全隔离,无公共端;二是输出触点一端独立,另一端由若干输出接点共用(见图5-38),公共端为L 。
继电器触点输出的连接较自由,对电压的类型、性无特殊要求,即使对于使用公共端的输出,也只需"统一"即可。
当连接感性负载时,为了延长触点使用寿命,对于直流驱动,通常应在负载两端加过电压抑制(续流)二管;对于交流驱动,应在负载两端加RC抑制器。
②直流晶体管输出 直流晶体管输出的主要优点是响应时间快(一般在0.2ms以下),使用寿命长。当PLC需要与系统其他控制装置进行电子线路连接时,采用晶体管输出可以显著提高处理速度。
直流晶体管输出可以分NPN集电开路输出与PNP集电开路输出两种形式,分别如图5-39(a)、(b)所示,这两种输出形式与外部的连接和继电器接点输出(见图5-38)基本相同,但要注意公共端的连接要求。
由图5-39可见,两种晶体管输出形式公共端的连接区别在于:NPN集电开路输出以0V作为输出公共端;PNP集电开路输出以24V作为输出公共端。在SIEMENS S7系列PLC中,一般采用场效应晶体管作为驱动元件,其连接方式与PNP集电开路输出相同,其输出额定电流大可达到5A。
晶体管的驱动能力一般要小于继电器触点输出,允许负载电压一般为DC5~30V,允许的负载电流为0.2~0.5A。当晶体管输出用于驱动感性负载时,为了防止过电压冲击,应在负载两端加过电压抑制(续流)二管,但在这种情况下应特别注意二管的性,防止性错误引起的输出短路。
③ 双向晶闸管输出 双向晶闸管输出用于驱动交流负载,可以使交流电路实现"无触点通/断",解决继电器触点的使用寿命问题。此外,双向晶闸管输出的响应速度也比继电器触点输出要高得多。
双向晶闸管输出一般采用公共端连接的形式,每4~8点为一组,晶闸管的触发电路与PLC内部电路间采用光电耦合器件隔离。双向晶闸管输出驱动能力一般要小于继电器触点输出,允许负载电压一般为AC85~242V;单点输出电流在0.2~0.5A,当多点共用公共端时,每点的输出电流应相应减小(如单点驱动能力为0.3A的双向晶闸管输出,在4点共用公共端时,大允许输出为0.8A/4点)。
注意:晶闸管的两端通常并联有RC过电压抑制器(通常为0.015μF/22Ω左右),因此,与继电器触点输出不同,它在PLC输出OFF时,仍然有1~2mA的开路漏电流,所以对于小型继电器与微电流负载,可能会产生无法关断的现象。
双向晶闸管输出的电路原理与连接方法如图5-40所示。
1 . 单元式
单元式的特点是结构紧凑。它将所有的电路都装入一个模块内,构成一个整体,这样体积小巧、、安装方便。
FX2 系列可编程控制器由基本单元、扩展单元、扩展模块及特殊适配器等四种产品构成。仅用基本单元或将上述各种产品组合起来使用均可。
基本单元( M ):内有 CPU 与存贮器,为必用装置。
扩展单元( E ) : 要增加I/O点数时使用的装置。
可利用扩展模块,以 8 为单位增加输入/输出点数。也可只增加输入点数或只增加输出点数,因而使输入/输出的点数比率改变。
2 .模块式
模块式可编程控制器采用搭积木的方式组成系统,在一块基板上插上 CPU 、电源、I/O模块及特殊功能模块,构成一个总I/O点数很多的大规模综合控制系统。
这种结构形式的特点是 CPU 为独立的模块 , 输入、输出也是独立模块。
3 .叠装式
它的结构也是各种单元、 CPU 自成独立的模块,但安装不用基板,仅用电缆进行单元间联接,且各单元可以一层层地叠装。
FX2 系列 PLC 是单元式和模块式相结合的叠装式结构。
PLC控制系统硬件设计需要考虑的PLC产品种类
对输入 / 输出点的选择
要先弄控制系统的 I/O 总点数,再按实际所需总点数的 15 ~ 20 %留出备用量(为系统的改造等留有余地)后确定所需 PLC 的点数。
PLC 的输出点可分为共点式、分组式和隔离式几种接法。隔离式的各组输出点之间可以采用不同的电压种类和电压等级,但这种 PLC 平均每点的价格较高。如果输出信号之间不需要隔离,则应选择前两种输出方式的 PLC 。
(2) 对存储容量的选择
对用户存储容量只能作粗略的估算。在仅对开关量进行控制的系统中,可以用输入总点数乘 10 字 / 点+输出总点数乘 5 字 / 点来估算;计数器 / 定时器按( 3 ~ 5 )字 / 个估算;有运算处理时按( 5 ~ 10 )字 / 量估算;在有模拟量输入 / 输出的系统中,可以按每输入 / (或输出)一路模拟量约需( 80 ~ 100 )字左右的存储容量来估算;有通信处理时按每个接口 200 字以上的数量粗略估算。后,一般按估算容量的 50 ~ 100 %留有裕量。对缺乏经验的设计者,选择容量时留有裕量要大些。
(3) 对 I/O 响应时间的选择
PLC 的 I/O 响应时间包括输入电路延迟、输出电路延迟和扫描工作方式引起的时间延迟(一般在 2 ~ 3 个扫描周期)等。对开关量控制的系统, PLC 和 I/O 响应时间一般都能满足实际工程的要求,可不必考虑 I/O 响应问题。但对模拟量控制的系统、特别是闭环系统就要考虑这个问题。
(4) 根据输出负载的特点选型
不同的负载对 PLC 的输出方式有相应的要求。例如,频繁通断的感性负载,应选择晶体管或晶闸管输出型的,而不应选用继电器输出型的。但继电器输出型的 PLC 有许多优点,如导通压降小,有隔离作用,价格相对较便宜,承受瞬时过电压和过电流的能力较强,其负载电压灵活(可交流、可直流)且电压等级范围大等。所以动作不频繁的交、直流负载可以选择继电器输出型的 PLC 。
(5) 对在线和离线编程的选择
离线编程是指主机和编程器共用一个 CPU ,通过编程器的方式选择开关来选择 PLC 的编程、和运行工作状态。编程状态时, CPU 只为编程器服务,而不对现场进行控制。在线编程是指主机和编程器各有一个 CPU ,主机的 CPU 完成对现场的控制,在每一个扫描周期末尾与编程器通信,编程器把修改的程序发给主机,在下一个扫描周期主机将按新的程序对现场进行控制。计算机编程既能实现离线编程,也能实现在线编程。在线编程需购置计算机,并配置编程软件。采用哪种编程方法应根据需要决定。
(6) 据是否联信选型
若 PLC 控制的系统需要联入工厂自动化网络,则 PLC 需要有通信联网功能,即要求 PLC 应具有连接其他 PLC 、上位计算机及 CRT 等的接口。大、中型机都有通信功能,目前大部分小型机也具有通信功能。
(7) 对 PLC 结构形式的选择
在相同功能和相同 I/O 点数据的情况下,整体式比模块式价格低。但模块式具有功能扩展灵活,维修方便(换模块),容易判断故障等优点,要按实际需要选择 PLC 的结构形式。
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