PLC输入/输出单元的结构及作用

    输入/输出单元(InpuUOutput Unit)由输入模块、输出模块和功能模块构成，是PLC的CPU与现场输入、输出装置或其他外部设备之间的连接接口部件。PLC通过输入模块把工业设备或生产过程的状态或信息读人中央处理单元，通过用户程序的运算与操作，把结果通过输出模块输出给执行单元。PLC提供了各种操作电平与驱动能力的I/O模块，以及各种用途的I/O组件：I/O电平转换、电气隔离、串／并行转换、数据传送、A/D转换、D/A转换、误码校验等。I/O模块可与CPU放在一起，也可远程放置，通常I/O模块上还具有状态显示和I/O接线端子排。I/O模块及其接口的主要类型有：数字量（开关量）输入、数字量（开关量）输出、模拟量输入、模拟量输出等。    输入模块将现场的输入信号经滤波、光耦合隔离、电平转换等，变换为中央处理器能接收的和识别的低电压信号并锁存，送交中央处理器进行运算；输出模块则将中央处理器输出的低电压信号变换、光耦合、放大为能被控制器件接收的电压、电流信号，以驱动信号灯、电磁阀、电磁开关等。I/O电压一般为1.6～5V，低电压能解决耗电过大和发热过高的问题。    如图1.2所示，PLC输入电路按外接电源的类型不同，可分为直流输入电路、交流输入电路和交直流输入电路；按PLC输入模块公共端（COM端）电流的流向不同，可分为源输入电路和漏输入电路；按光耦发光二极管公共端的连接方式不同，可分为共阳极和共阴极输入电路。    图1-3所示为直流输入电路的一种形式（只画出一路输人电路），当外部线路开关闭合时，PLC内部光耦的发光二极管点亮，光敏晶体管管饱和导通，该导通信号再传送给处理器，从而CPU认为该路有信号输入；外界开关断开时，光耦中的发光二极管熄灭，光敏晶体管管截止，CPU认为该路没有信号。
    图1-2    PLC输入电路的分类
    图1-3    直流输入电路    交流输入电路如图1-4所示，可以看出，它与直流输入电路的主要区别是增加了一个整流的环节。交流输入的输入电压一般为交流120V或交流230V。交流电经过电阻R的限流和电容C的隔离（去除电源中的直流成分），再经过桥式整流变为直流电，其后工作原理和直流输入电路一样，不再赘述。
    图1-4    交流输入电路    由于交流输入电路中增加了限流、隔离和整流三个环节，因此输入信号的延迟时间要比直流输入电路的要长，这是其不足之处。但由于其输入端是高电压，因此输入信号的可靠性要比直流输入电路要高。一般交流输入方式用于有油雾、粉尘等恶劣环境中，对响应性要求不高的场合，而直流输入方式用于环境较好，电磁干扰不严重，对响应性要求高的场合。    源型输入——共阳极电路如图1-5所示，此时电流从PLC公共端（COM端或M端）流进，而从输入端流出，即PLC公共端接外接直流电源的正极。在多路输人情况下，所有输入的二极管阳极相连，就构成了共阳极电路。    图1-6所示的电路是漏型输入——共阴极电路的形式，此时电流的流向正好和源型电路相反。漏型输入电路的电流是从PLC的输入端流进，而从公共端流出，即公共端接外接电源的负极。如果所有输入回路的二极管的阴极相连，就构成了共阴极电路，如图1-6所示。
    图1-5    源型输入——共阳极电路
    图1-6    漏型输入——共阴极电路    还有一种混合型输入电路，PLC公共端既可以流出电流，也可以流出电流（即PLC公共端既可以接外接电源的正极，也可以接负极，例如S7-200），同时具有源输入电路和漏输入电路的特点，把这种输入电路称为混合型输入电路。作为源输入时，公共端接电源的正极；作为漏输入时，公共端接电源的负极。    需要说明的是，西门子和三菱关于“源输入”和“漏输入”电路的划分正好相反，以上介绍的是西门子的划分方法，在应用过程中应注意。西门子S7-300/400系列PLC的直流输入模块大多为漏型输入（公共端接外部电源的负极）。在S7-300系列PLC中，只有SM321-IBH50-OAAO输入模块为源输入（公共端接正），S7-400系列PLC中则没有源输入模块。小型PLC S7-200的输入模块则全部为混合型输入形式，大项目中不建议使用，因其输入形式虽然接线方便，但容易造成电源的混乱。    PLC的输出模块类型有继电器、晶体管、双向晶闸管三种方式。继电器输出的价格便宜，既用于驱动交流负载，又用于直流负载，适用的电压范围较宽、导通压降小，同时承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但属于有触点元件，动作速度较慢（驱动感性负载时触点动作频率不得超过1kHz）、寿命较短、可靠性较差，只能适用于不频繁通断的场合；对于频繁通断的负载，应选用晶闸管输出或晶体管输出，它们属于无触点元件，晶闸管输出只能用于交流负载，而晶体管输出只能用于直流负载。    直流输出模块的电路原理图如图1-7所示，其输出电路采用晶体管驱动，所以也称晶体管输出模块。其输出方式一般为集电极输出，外加直流负载电源，带负载的能力一般每一个输出点为0.75A左右。因为晶体管输出模块为无触点输出模块，所以使用寿命比较长。    直流输出模块的工作原理是，当CPU根据用户程序的运算把输出信号送入PLC的输出映像区后，通过内部总线把输出信号送到输出锁存器中。输出锁存器的对应位为“1”时，其对应的晶体管VT导通，发光二极管LED发光。其中，发光二极管指示该位的输出为ON状态，晶体管VT则把负载L和电源隔断，使得负载L不会获得电流。当晶体管由导通变为截止时，如果负载中含有电感的话，电感中的磁场能量的释放是通过续流二极管VD1（图中未示出）来完成的。
    图1-7    直流输出模块电路原理图    (a)晶体管输出型（PNP集电极开路）：(b)晶体管输出型（NPN集电极开路）    交流输出模块的电路原理图如图1-8所示，其输出电路采用光控双向硅开关驱动，所以又叫双向晶闸管输出模块。该模块需要外加交流电源，带负载能力一般为1A左右，不同型号的交流输出模块的外加电压和带负载的能力有所不同。晶闸管输出模块为无触点输出模块，使用寿命较长。    交流输出模块的工作原理是，当CPU根据用户程序的运算把输出信号送人PLC的输出映像区后，通过内部总线把输出信号送到输出锁存器中。输出锁存器的对应位为“1”时，其对应的光耦合器VLC中晶闸管导通，发光二极管LED发光。其中，发光二极管指示该位的输出为ON状态，光耦合器VLC中晶闸管把负载L和电源接通，使得负载L获得电流。输出锁存器的对应位为“0”时，其对应的光耦合器VLC中晶闸管阻断，二极管VD不导通。其中，发光二极管不发光指示该位的输出为OFF状态，光耦合器VLC中晶闸管阻断则把负载L和电源隔断，使得负载L不会获得电流。当晶闸管由导通变为阻断时，如果负载中含有电感的话，电感中的磁场能量是由阻容吸收电路R、C和压敏电阻RV吸收的。    继电器输出模块的电路原理图如图1-9所示，其输出驱动电路是继电器，继电器的常开触点的接通或断开把负载和负载电源接通或隔断开，使负载可以得电或失电。外接的负载电源可以是直流，也可以是交流。继电器是有触点的器件，它的带负载能力比较强，一般在2A左右，而开关的寿命相对于无触点器件要短一些，一般在5万次左右。开关动作的频率也相对低一些，一般为10Hz以下。
    图1-8    交流输出模块电路原理图
    图1-9    继电器输出模块电路原理图    继电器输出模块的工作原理是，当CPU根据用户程序的运算把输出信号送人PLC的输出映像区后，通过内部总线把输出信号送到输出锁存器中。输出锁存器对应位为“1”时，其对应的继电器KA的线圈带电发光，发光二极管LED发光。其中，发光二极管发光指示该位的输出为ON状态，继电器KA的触点则把负载L和电源接通，使得负载L获得电流。输出锁存器的对应位为“0”时，其对应的继电器KA的线圈不带电，二极管VD不导通。其中，发光二极管不发光指示该位的输出为OFF状态，继电器KA的触点则把负载L和电源隔断，使得负载L不会获得电流。    此外，PLC还提供一些智能型I/O模块，如温度检测、位置检测、位置控制、PID控制、高速计数、运动控制、中断控制等模块，智能模块有独立的CPU、系统程序、存储器，通过总线在PLC的协调管理下独立地进行工作。    中央处理单元与I/O模块的连接是由输入接口和输出接口完成的。