劉安國(guó)

（徽商職業(yè)學(xué)院 電子信息系,安徽 合肥 230022）

可編程序控制器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)PLC）的輸入回路前承輸入開(kāi)關(guān)、后接微處理器。輸入信息是通過(guò)輸入開(kāi)關(guān)接至對(duì)應(yīng)的輸入端口，再由輸入端口將信息送到PLC內(nèi)部。輸入開(kāi)關(guān)是指按鈕、行程開(kāi)關(guān)、繼電器觸點(diǎn)及開(kāi)關(guān)型傳感器等，其作用是通過(guò)PLC輸入回路的通斷，以控制PLC內(nèi)部軟繼電器的帶電與否。

通常PLC的開(kāi)關(guān)輸入量，實(shí)際上是指物理開(kāi)關(guān)作為輸入而已，并非真正意義上的電平信號(hào)或數(shù)字信號(hào)。如果能實(shí)現(xiàn)PLC的電平信號(hào)輸入，無(wú)疑對(duì)生產(chǎn)過(guò)程控制或教學(xué)科研，均具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 電平信號(hào)的輸入問(wèn)題

輸入回路的通斷受控于純硬件的外部輸入開(kāi)關(guān)，但有些信息并非單純地由輸入開(kāi)關(guān)來(lái)呈現(xiàn)，對(duì)模擬信號(hào)來(lái)說(shuō)，可以由帶模擬量輸入單元的PLC來(lái)解決，而數(shù)字信息卻不能直接輸入PLC，這無(wú)疑限制了PLC輸入形式的多樣性。

本來(lái)，電平信號(hào)就是PLC內(nèi)部CPU所接受的基本信息。那么，為什么可編程控制器只接受外部開(kāi)關(guān)的通斷信息，而不能直接接收電平信號(hào)呢？這是因?yàn)樯a(chǎn)廠家為了滿(mǎn)足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需要而設(shè)置了能夠接受外部開(kāi)關(guān)通斷的輸入回路。實(shí)質(zhì)上，CPU接受的仍是電平信號(hào)。如果電平信號(hào)直接作為PLC的輸入信號(hào)，根據(jù)PLC對(duì)輸入回路的要求，必須有相應(yīng)的接口電路與之相適應(yīng)。

1.1 用無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)接受電平信號(hào)

因輸入電路在PLC內(nèi)部已經(jīng)建立，不易更動(dòng)。那么，從輸入端子外部建立接口電路，用邏輯電平去控制無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)的通斷，可選用開(kāi)關(guān)型三極管及場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)實(shí)現(xiàn)。其原則是保證PLC輸入回路的參數(shù)要求，這一點(diǎn)作為無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)的接近開(kāi)關(guān)已在PLC中有所應(yīng)用。

1.2 輸入回路的參數(shù)要求

PLC一經(jīng)選定，對(duì)輸入傳感器元件的技術(shù)參數(shù)也就隨之確定，系統(tǒng)成套時(shí)必須考慮參數(shù)的匹配。

凡是作為PLC輸入元件的開(kāi)關(guān)或傳感器無(wú)論其容量是否允許，都不能再接其他負(fù)載，必須保證每個(gè)輸入通道是獨(dú)立的，以防干擾或損壞PLC內(nèi)部的輸入電路。

采用無(wú)觸點(diǎn)元件作輸入時(shí)，要注意輸入漏電流。PLC的輸入靈敏度高。例如FX2N系列PLC的輸入電流為7 mA（DC 24 V時(shí)），引起輸入動(dòng)作的最小電流為2.5～3 mA，但要確保輸入有效，輸入電流必須大于4.5 mA。反之，要保證輸入信號(hào)無(wú)效，輸入電流必須小于1.5 mA，當(dāng)輸入電流在1.5～4.5 mA時(shí)容易產(chǎn)生誤動(dòng)作；為此，有必要在電平輸入的接口電路中采取相應(yīng)的措施。

2 電平信號(hào)輸入的接口電路

PLC的內(nèi)部輸入電路一般采用具有光電隔離的輸入電路。如圖1所示：

圖1中，電阻R1、R2分別起限壓和分流作用，以保證光電耦合器有合適的工作電流；電容C濾除輸入回路中的高次諧波；輸入端子X(jué)、COM之間一般接實(shí)物開(kāi)關(guān)，以控制內(nèi)部輸入電路的通斷。

若電平信號(hào)作為輸入，則電平信號(hào)不能直接接在X和COM間，必須有相應(yīng)的接口電路。考慮到光電耦合器的技術(shù)要求，即必須考慮通斷電流的大小，建立圖2所示的電平接口電路。

圖2 電平接口電路

在圖2中，利用電平信號(hào)UI去控制開(kāi)關(guān)管基極電流，使其工作在截止或飽和兩個(gè)工作狀態(tài)，這樣就可由開(kāi)關(guān)管再去控制光電耦合器的通斷。

以三菱FX2N系列PLC為例。輸入回路正常動(dòng)作電流為7 mA。要保證輸入信號(hào)無(wú)效，必須使輸入回路電流小于1.5 mA。為此在接口電路中加一負(fù)電源——EB，以保證開(kāi)關(guān)管的可靠截止。

通過(guò)R3、R4的適當(dāng)配合及開(kāi)關(guān)管合適的β值選取，使之符合輸入回路導(dǎo)通和斷開(kāi)的電流大小，不同型號(hào)的PLC，可能輸入回路的參數(shù)不盡相同，應(yīng)具體情況具體分析。

在原來(lái)的輸入回路圖1中，R1、R2阻值大小的配合是經(jīng)過(guò)合理、科學(xué)的設(shè)計(jì)的，即R1、R2阻值大小是與光電耦合器的通斷電流相適應(yīng)的，在加了圖2所示的接口電路后，即使開(kāi)關(guān)管飽和導(dǎo)通時(shí)，其集射極間仍有一定電阻，該電阻與輸入回路中的電阻R1串聯(lián)，無(wú)疑會(huì)導(dǎo)致光電耦合器的工作電流變小，可適當(dāng)減小R1，以保持原工作電流參數(shù)不變。

3 模擬信號(hào)輸入接口電路

加裝電平輸入接口電路后，既增加了輸入信號(hào)的形式，同時(shí)也擴(kuò)展了功能及應(yīng)用。

3.1 模擬信號(hào)報(bào)警、聯(lián)鎖電路

如果PLC沒(méi)有模擬輸入模塊，那么通過(guò)各種傳感器的模擬信號(hào)就無(wú)法實(shí)現(xiàn)跟PLC的對(duì)接。可通過(guò)電平接口電路實(shí)現(xiàn)對(duì)該信號(hào)的報(bào)警與聯(lián)鎖。如圖3所示：

圖3 模擬信號(hào)報(bào)警、聯(lián)鎖電路圖

在這里，傳感器提供的是模擬信號(hào)，再經(jīng)測(cè)量電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后送到電壓比較器的同相輸入端，當(dāng)Ui〉Ur時(shí)，比較器輸出高電平，反之為低電平，該電平信號(hào)經(jīng)電平接口電路送至PLC，經(jīng)過(guò)PLC內(nèi)部的編程，一方面可以把信息傳輸至PLC的輸出端，去控制外部設(shè)備的報(bào)警和聯(lián)鎖，以達(dá)到安全生產(chǎn)的目的；另一方面，亦可通過(guò)內(nèi)部編程用軟件實(shí)現(xiàn)相互聯(lián)鎖。

為了保證PLC的正邏輯關(guān)系，圖3所示電路適用于上限報(bào)警聯(lián)鎖；若下限報(bào)警與聯(lián)鎖,傳感器經(jīng)測(cè)量電路后的信號(hào)Ui可接到電壓比較器的反相輸入端（此時(shí)，其準(zhǔn)電壓Ur接至同相輸入端）。

3.2 組合邏輯輸入、減少PLC 輸入點(diǎn)數(shù)

減少PLC輸入點(diǎn)數(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中具有現(xiàn)實(shí)意義，相應(yīng)地有各種不同措施。

既然PLC實(shí)現(xiàn)了電平信號(hào)的輸入，那么也就多了一種減少PLC輸入點(diǎn)數(shù)的方法，提高了PLC的資源配置。下面以圖4所示梯形圖為例，加以說(shuō)明。

圖4 梯形圖

在圖4中，輸出軟繼電器Yooo的工作與否，取決于輸入繼電器的 X0、X1、X2、X3的狀態(tài)，亦即取決于四個(gè)輸入量，要占用四個(gè)輸入點(diǎn)。

若輸入端是電平輸入，可以把梯形圖中X0、X1、X2、X3的邏輯關(guān)系，先通過(guò)外部組合邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，然后，用一點(diǎn)X作為輸入即可，其組合邏輯關(guān)系，可以用圖5表示：

圖5 組合邏輯關(guān)系示意圖

其邏輯關(guān)系體現(xiàn)了程序中的各觸點(diǎn)的串聯(lián)（與邏輯）、并聯(lián)（或邏輯）關(guān)系，可以用實(shí)際的組合邏輯電路來(lái)代替，從而起到減少點(diǎn)數(shù)的目的。但前提是在程序中不再用到 X0、X1、X2、X3的觸點(diǎn)或較少的幾個(gè)用到，方有意義。

除上述應(yīng)用外，電平信號(hào)作為輸入還可以消除實(shí)際開(kāi)關(guān)輸入時(shí)產(chǎn)生的輸入信號(hào)抖動(dòng)等問(wèn)題，以避免PLC產(chǎn)生誤動(dòng)作。

綜上，電平信號(hào)作為PLC的輸入，可以拓展應(yīng)用領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)與組合邏輯電路的對(duì)接，使輸入方式更為靈活，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程控制和實(shí)踐教學(xué)均有現(xiàn)實(shí)意義。

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