秦皇西门子授权PLC模块总代理

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。

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)。

图5-36中的并联RC支路的参数，取决于实际泄漏电流的情况，常用的推荐值为：

C=0.1～0.47μF;

R=47～120Ω(0.5W)。

⑤采用双向光耦的交流输入 在SIEMENS S7中(以S7-200为例)，交流输入常采用双向光耦的输入形式，其PLC输入连接方法与PLC内部接口电路原理简图参见图5-37。

采用双向光耦的交流输入形式中，光电耦合二管同时起到了“整流”的作用，两只发光二管交替发光，同时工作。

输入端的R1、C1起限流作用，R2起到了电压限制与分流的作用。R1、Cl、R2 的值与交流输入电压的大小有关，在不同规格的输入模块中有所区别。

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(发光二管)、输入信号滤波、输入稳压等辅助电路(图中未画出)。

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。