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。为了保证输入的可靠，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;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。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)。

  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，光电耦合二极管同时起到了“整流”的作用，两只发光二极管交替发光，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(发光二极管)、输入信号滤波、输入稳压等辅助电路(图中未画出)。