罗克韦尔PLC应用技术最新章节_郑阿奇著

2.7　数字量输入/输出模块

1．数字量输入/输出模块原理

（1）数字量输入模块原理

数字量输入模块用于连接外部的机械触点和数字式电气信号处理器，它将来自于现场设备（如转换开关、限位开关、接近开关、温度传感器、电磁线圈、阀执行机构等）的电气信号转换成一种可由CPU处理的电平信号。所有I/O模块均采用光电隔离方式连接到总线上，且均可由软件配置。

PLC的输入电路按外接电源的类型分为直流输入电路和交流输入电路；按PLC输入模块公共端（COM 端）电流的流向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分为共阳极和共阴极输入电路；按接线方式分为汇点式、分组式和分隔式。

汇点式的各I/O电路有一个公共点，各输入点或输出点共用一个电源；分组式的I/O电路分为若干组，每个组的I/O电路有一个公共点，各组之间的电路是分开的，可以分别使用不同的电源；分隔式的各I/O电路之间都是相互隔离的，每一个I/O均可以使用单独的电源，如图2-14所示。

因此，数字量输入模块分为两种基本的信号类型：直流信号输入和交流信号输入。

图2-14　PLC输入电路的分类

PLC数字输入模块为了防止外界线路产生的干扰（如尖峰电压、干扰噪声等）而引起PLC非正常工作甚至损坏元器件，一般在PLC的输入侧采用光耦来切断PLC内部线路和外部线路的电气联系，保证PLC正常工作，并且在输入线路中都设有RC滤波电路，以防止由于输入点抖动或外部干扰脉冲引起的错误信号。

直流输入模块的内部电路如图2-15所示。

图2-15　直流输入模块内部电路

在图2-15中，当外部线路的开关闭合时，24V直流电源经过电阻R1、R2、电容C、稳压管D的分压、滤波、稳压后，形成稳定电压，将PLC内部光耦的发光二极管点亮，光敏三极管饱和导通，内部+5V电经过RC滤波，形成适合CPU输入的标准信号，该导通信号接到内部回路中锁存器的输入端，再传送给CPU，则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，光敏三极管截止，CPU认为该路没有信号。

模块内部回路中的锁存器将输入的信号暂存，信号何时送入CPU，以及如何送入CPU，均由PLC的CPU决定。CPU通过地址信号和控制信号实现数据的读入。

输入信号进入模块后，一般都经过光电隔离和RC滤波，然后才送至输入缓冲器等待CPU采样。采样时，信号经过背板总线进入输入映像区。

直流输入电路的延迟时间较短，可以直接与电子输入装置连接。如果信号线不是很长，电磁干扰较小，应优先考虑用DC 24V的输入模块。

交流输入模块的内部电路如图2-16所示。

图2-16　交流输入模块内部电路

因为PLC的CPU只能接收和处理标准的直流信号，所以，交流输入模块内部电路与直流输入模块内部电路的主要区别就是增加了一个整流的环节。交流输入的输入电压一般为AC 120V或AC 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），再经过桥式电路整流为直流电，其后的工作原理和直流输入电路一样。

由此可以看出，交流输入电路增加了限流、隔离和整流3个环节，因此，输入信号的延迟时间要比直流输入电路长，但其输入端是高电压，故输入信号的可靠性要比直流输入电路高。

一般的，交流输入方式应用于那些有油雾、粉尘等现场环境恶劣、响应要求不高的场合；而直流输入方式则应用于环境较好、电磁干扰不严重、响应要求高的场合。

交流输入电路按流入公共端电流的流向可分为漏型输入电路和源型输入电路。

其中，漏型输入电路的电流从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DC电源的正极。如果所有输入的二极管阳极相连，就构成了共阳极电路。

源型输入电路的电流流向正好和漏型电路相反，其电流从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，如果所有输入回路二极管的阴极相连，就构成了共阴极电路。

如果PLC的公共端既可以流出电流，又可以流入电流，即PLC公共端既可以外接电源的正极，又可以接负极。同时它还具有源输入电路和漏输入电路的特点，这种输入电路称为混合型输入电路。

输入模块的主要技术指标如下：

● 输入电压，PLC外接电源的电压值；

● 输入点数，输入模块开关量输入的个数；

● AC频率，输入电压的工作频率，一般为50～60Hz；

● 输入电流，开关闭合时，流入模块内的电流，一般为5～10mA；

● 输入阻抗，输入电路的等效阻抗；

● ON电压，逻辑“1”的电压值，开关接通时为“1”；

● OFF电压，指逻辑“0”的电压值，开关断开时为“0”；

● OFF→ON的响应时间，开关由断→通时，导致内部逻辑电路由“0”→“1”的变化时间；

● ON→OFF的响应时间，开关由通→断时，导致内部逻辑电路由“1”→“0”的变化时间；

● 内部功耗，整个模块所消耗的最大功率。

选择输入模块时通常应注意以下几个方面：

● 电压的选择应考虑实际现场设备与模块之间的距离，一般5V、12V、24V属于低电压，其传输距离不宜过远，如5V模块最远一般不超过10m。距离较远的设备应考虑用高电压的模块。

● 同时接通的点数，高密度的输入模块（如32点模块）同时接通的点数与输入电压的高低及使用环境温度有关，同时接通的点数不宜过多，一般不要超过输入点数的60%。

（2）数字量输出模块原理

同样，数字量输出模块也有两种基本的信号类型：直流信号输出和交流信号输出。

直流输出模块的内部电路如图2-17所示。

图2-17　直流输出模块内部电路

交流输出模块的内部电路如图2-18所示。

图2-18　交流输出模块内部电路

图2-18中，左侧部分的内部回路为控制部分，与输入模块类似，输出模块的内部回路也包括输出缓冲锁存、控制驱动等。当内部回路缓冲器的信号允许输出时，经过光电隔离器、功率驱动器、发光二极管后，向负载供电。

数字量输出通常有3种类型：继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出。

按照外接设备的电流方向可以分为灌入电流（Sink）、拉出电流（Source）。

在继电器输出电路中，外部控制信号通过光电隔离传送给三极管，当控制信号为高电平时，三极管导通，从而使继电器得电，其常开触点闭合。同时，发光二极管导通发光，表示继电器在工作。继电器同时起隔离和功放的作用，与触点并联的电阻和电容在触点断开时起消弧作用。继电器输出型模块的电源既满足负载的要求，又适应继电器的要求。在这种形式的输出中，不同公共点之间可以带不同的交流负载或直流负载，且电压不同，其负载电流可达2A/点。

在晶体管输出电路中，大功率晶体管的饱和导通/截止相当于触点的通/断，稳压管可抑制过电压，起保护晶体管的作用。这种形式输出的响应时间短，一般约为0.2ms，但只能带DC 5～30V的负载，最大输出负载电流为0.5A/点，但每4点不大于0.8A。

在晶闸管输出电路中，光电晶闸管起着隔离、功放的作用，电阻和电容用来抑制关断时产生的过电压和外部浪涌电流。

每个输出点都有LED发光管、隔离元件、功率驱动元件和输出保护电路。

输出模块最大通断电流的能力大小依次为继电器、晶闸管、晶体管，而通断响应时间的快慢则恰好相反。使用时，应根据以上特性选择不同的输出形式。

输出模块的主要技术指标如下。

● 工作电压：输出触点所能承受的外部负载电压。

● 最大通断能力：输出触点在一定的电压下能通过的最大电流，一般的电压等级有AC 120V、AC 220V、AC/DC 24V。

● 漏电流：当输出点断开时（逻辑“0”）触点所通过的最大电流。此参数主要针对晶体管、晶闸管输出模块。无保护电路的继电器输出模块漏电流为0，有保护电路的继电器输出模块漏电流为1～2mA。

● 接通压降：当输出点接通时（逻辑“1”）触点两端的压降。

● 回路数：等于公共点的个数。对于独立式模块，等于输出点数。

● OFF→ON响应时间：开关由断→通时，导致内部逻辑电路由“0”→“1”的变化时间。

● ON→OFF响应时间：开关由通→断时，导致内部逻辑电路由“1”→“0”的变化时间。

● 内部功耗：整个模块所消耗的最大功率。

ControlLogix PLC的数字量输入/输出模块包括很多种类和规格，设计紧凑，绿色LED指示输入端的信号状态，且安装方便。

选择输出模块时通常应注意以下方面：

● 输出方式。继电器输出型模块主要适用于驱动较大电流负载，其适用电压范围较宽，导通压降小，价格较便宜。但它属于触点元件，动作速度较慢，因此适用于不频繁通断的负载。当驱动感性负载时，其最大通断频率不超过1Hz。对于频繁通断的低功率因素的电感负载，应采用无触点开关元件，即选用晶体管输出（直流输出）或双向晶闸管输出（交流输出）。

● 输出电流。输出模块的输出电流必须大于负载电流的额定值。

● 同时接通的点数。输出模块同时接通点数的电流累计值必须小于公共端所允许通过的电流值。例如，一个220V、2A的8点输出模块，每个点当然可以通过2A的电流，但输出公共端允许通过的电流不一定是2A×8=16A，通常比该值小。因此，选择输出模块时，应考虑同时接通的点数，一般来讲，同时接通的点数不要超过输出点数的60%。

（3）外接开关量信号和PLC输入电路的连接

PLC外接的输入信号，除了像一些干节点信号外，现在一些传感器还提供NPN和PNP集电极开路输出信号。干节点和PLC输入模块的连接比较简单。但对于不同的PLC输入电路，使用NPN输入和PNP输入是不同的。

NPN和PNP输出电路的形式分别如图2-19和图2-20所示。

图2-19　NPN集电极开路输出

图2-20　PNP集电极开路输出

从图2-19和图2-20可以看出，NPN集电极开路输出电路的输出OUT端通过开关管和0V连接，当传感器动作时，开关管饱和导通，OUT端和0V相通，输出0V低电平信号。PNP集电极开路输出电路的输出OUT端通过开关管和+V连接，当传感器动作时，开关管饱和导通，OUT端和+V相通，输出+V高电平信号。

由以上分析可知，NPN集电极开路输出为0V，当输出OUT端和PLC输入端相连时，电流从PLC的输入端流出，从PLC的公共端流入，为PLC的漏型电路形式。即NPN集电极开路输出只能接漏型或混合式输入电路形式的PLC，连接图如图2-21所示。

图2-21　NPN集电极开路输出与PLC的连接

PNP集电极开路输出为+V高电平，当输出OUT端和PLC输入端相连时，电流从PLC的输入端流入，从PLC的公共端流出，此为PLC的源型电路的形式。即PNP集电极开路输出只能接源型或混合型输入电路形式的PLC，连接图如图2-22所示。

在ControlLogix PLC系统中，有种类丰富的输入/输出模块，可以适应从高速离散控制到过程控制多种领域的应用。ControlLogix PLC系统采用生产者/消费者技术，可以使多个ControlLogix控制器共享输入/输出信息。

数字量输入/输出模块从功能上可以分为以下类型。

● 单独隔离型（末尾带I），具有通道级的输入/输出隔离功能；

● 诊断型（末尾带D），具有通道级的诊断功能，除了能在系统中各控制器之间交换数据之外，还可以发现存在于信号扫描、线路连接、输出校验等上的问题；

● 电子熔断型（末尾带E），模块内部带有电子熔断器，可以防止过载电流。

从模块输入点数上，可分为8点、16点、32点。

图2-22　PNP集电极开路输出与PLC的连接

每个安装在机架上的ControlLogix I/O模块，都需要有可拆卸接线端子块（RTB）或者一个1492接口模块（IFM），以便连接从现场来的线。可拆卸接线端子块如图2-23所示。

图2-23　可拆卸接线端子块

2．直流输入模块

直流输入模块用于连接标准开关等设备，把从过程发送来的外部数字信号电平转换成PLC内部信号电平，内部设置了光隔离电路。

直流输入模块的主要技术参数如表2-5所示。

表2-5 直流输入模块主要技术参数

这里以直流输入模块1756-IB16D（见图2-24）为例，作简单介绍。该模块的输入电压范围为DC 10～31V，总的输入点数为16点，在面板上对应有16个状态指示灯（ST）和16个故障指示灯（FLT）。当输入接通时，对应输入点的状态指示灯亮；当输入点有故障时，对应输入点的故障指示灯亮。

图2-24　直流输入模块1756-IB16D接线图

由图2-24可见，带诊断功能的直流输入模块1756-IB16D将输入点分为4组，每组4个点有1个公共端，这样可以根据外部连接设备的不同，而分别独立地使用这4个组，也可以将4个组的公共端连在一起使用。1756-IB16D模块前端的可拆卸接线端子块（RTB）有两排端子，左排为公共端，右排为各对应输入端。

在每个输入端外部连接的开关上并联一个电阻，就可以使用外部断线检测的自动诊断功能。这样，当外部断线时，对应的故障指示灯（FLT）会亮。并联电阻的阻值取决于外部提供的电源电压。当使用DC 24V电源时，电阻值为14.3kΩ；当使用DC 12V电源时，电阻值为5.23kΩ。

数字量输入模块面板上状态指示灯的含义如下。

● OK指示灯

－绿灯常亮：表示模块处于正常运行状态。

－绿灯闪烁：表示模块已经通过内部诊断，但是数据既没有被禁止，也没有进行广播传输。

－红灯闪烁：表示模块建立的通信连接已超时。

－红灯亮：表示模块发生不可恢复性故障。

● I/O状态指示灯

－黄色：表示模块输入被激活。

● I/O错误指示灯

－红色：表示模块此输入点错误。

3．直流输出模块

直流输出模块的主要技术参数如表2-6所示。

表2-6 直流输出模块主要技术参数

这里以直流输出模块1756-OB16D（见图2-25）为例，作简单介绍。该模块的输入电压范围为DC 19.2～30V，每点最大输出电流为2A，每个模块最大输出电流为8A。模块总的输入点数为16点，在面板上对应有16个状态指示灯（ST）和16个故障指示灯（FLT）。当输入接通时，对应输入点的状态指示灯亮；当输入点有故障时，对应输入点的故障指示灯亮。

图2-25　直流输出模块1756-OB16D接线图

由图2-25可见，带诊断功能的直流输出模块1756-OB16D将输出点分为两组，每组8个点有1个公共端，这样可以根据外部连接负载的不同，而分别独立地使用这两个组，也可以将两个组的公共端连在一起使用。1756-OB16D模块前端的可拆卸接线端子块（RTB）有两排端子，左排为公共端，右排为各对应输出端。

数字量输出模块面板上状态指示灯的含义如下。

● OK指示灯

－绿灯常亮：表示模块处于正常运行状态。

－绿灯闪烁：表示模块已经通过内部诊断，但是数据既没有被禁止，也没有进行广播传输。

－红灯闪烁：表示模块建立的通信连接已超时。

－红灯亮：表示模块发生不可恢复性故障。

● I/O状态指示灯

－黄色：表示模块输出被激活。

● I/O错误指示灯

－红色：表示模块此输出点错误。

● I/O保险指示灯

－红色：表示模块此输出点出现短路或过载错误，应检查短路或过载的接线。