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SIMATIC S7-300 (Li, Jia)

中型可编程控制器

SIMATIC S7-300 (Li, Jia)

中型可编程控制器

I/O接口是PLC与外界连接的接口。PLC通过输入模块把控制现场的状态、信息读入主机，通过输出模块把经用户程序的运算与决策所得的操作结果输出给执行机构。输入模块用于将控制现场输入信号变换成CPU 能接受的信号,并对其进行滤波、电平转换、隔离、放大等。输入接口用来接收和采集两种类型的输入信号:一类是由按钮、选择开关、行程开关、继电器触点、接近开关、光电开关、数字拨码开关等来的开关量输入信号；另一类是由电位器、测速发电机和各种变送器等来的模拟量输入信号。输出模块用于将CPU的决策输出信号变换成驱动控制对象执行机构的控制信号(含开关量或模拟量)，执行元件如，接触器、电磁阀、指示灯、调节阀(模拟量)、调速装置(模拟量)等，并对输出信号进行功率放大、隔离PLC内部电路和外部执行元件等。

  I/O模块一般包括:数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块和模拟量输出模块。I/O模块的类型还可按操作电平、驱动能力和各种用途来区分。如按用途来区分，I/O模块还包括:数据传送/校验、串/并行转换、电平转换、电气隔离、A/D转换、D/A转换以及其他功能模块等。输出模块通常有3种形式:继电器式、晶体管式和晶闸管式。

  下面就各种模块分别加以介绍。

  l)直流(DV)输入模块

  直流输入模块的电路原理如图2-2所示。图中:R1为限流电阻；R2和C构成滤波电路，可以滤掉输入信号的谐波；VL为输入指示灯；VLC为光电耦合器。输入模块的外接直流电源极性可以任意选择。

  图2-2直流输入模块的电路原理图

  直流输入模块的工作原理:当输入开关闭合时，经R1、VLC的发光二极管、输入指示灯VL构成通路。输入指示灯VL亮，表示该路输入的开关量状态为ON。输入信号经光电耦合器VLC隔离后，再经滤波器滤波，转换成5V电平的直流输入信号，经输入选择器与CPU总线相连，将外部输入开关的状态ON的代码“1”输入PLC内部。

  当输入开关断开时，经R1、VLC的发光二极管、输入指示灯VL没有构成通路，输入指示灯VL不亮，表示该路输入的开关量状态为 OFF。当然，输入选择器的输入端电平为 0V，经输入选择器与CPU总线相连，将外部输入开关的状态OFF的代码“0”输入PLC内部。图2-2是直流开关量输入模块两路输入信号的电路原理图，其他各路输入信号的原理图与其相同。各输入信号回路有一个公共点(图中的M点)的输入模块，称为汇点式输入模块。各输入信号回路相互独立的输入模块称为分隔式输入模块。

  有的输入模块不需要外部电源，称为无源式输入模块。无源式输入模块的电路原理图及内部参数与直流模块相同，只不过其电源采用的是CPU的内部直流电源。

  2)交流(AV)输入模块

  交流输入模块的电路原理如图2-3所示。图中:R1为取样电阻，同时具有吸收浪涌的作用:C为电容器，具有隔离直流而接通交流的作用；R2、R3对交流电压起到分压作用:VL为输入指示灯，指示灯VL亮，表示该路输入的开关量的状态为ON；VLC为光电耦合器。

  图2-3交流输入模块的电路原理图

  交流输入模块的工作原理:当输入开关闭合时,光电耦合器VLC的发光二极管导通这时光电耦合器VLC的光敏晶体管导通。输入信号经VLC隔离后，再经滤波器滤波，转换成5V电平的直流输入信号，经输入选择器与CPU 总线相连，将外部输入开关的状态 ON 的代码“1”输入至PLC内部。当输入开关断开时，光电耦合器VLC的发光二极管不发光，这时光电耦合器VILC的晶体管截止。输入信号经VLC隔离后，再经滤波器滤波，转换成0V电平的直流输入信号，经输入选择器与CPU总线相连，将外部输入开关的状态OFF的代码“0”输入至PLC内部。

  3)直流输出模块

  直流输出模块电路原理如图2-4所示。直流输出模块的输出电路采用晶体管驱动，所以，也叫晶体管输出模块。其输出方式一般为集电极输出，外加直流负载电源。其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: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V导通，发光二极管VL发光。其中发光二极管VL指示该位的输出为ON状态，晶体管V则把负载L和电源连通起来，使得负载L获得电流。输出锁存器的对应位为“0”时，其对应的晶体管V截止，发光二极管VL不导通。其中发光二极管VL不发光指示该位的输出为 OFF状态，晶体管V截止则把负载L和电源隔断，使得负载L不会获得电流。当晶体管V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来完成的。

  4)交流输出模块

  交流输出模块的电路原理如图2-5所示。交流输出模块的输出电路是采用光控双向硅开关驱动的，所以，又叫双向二极管、晶闸管输出模块。该模块需要外部电源，带负载的能力一般为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。

  图2-5交流输出模块的电路原理图

  交流输出模块的工作原理: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，其对应的光电耦合器VLC中晶闸管导通，发光二极管VL发光。其中发光二极管VL指示该位的输出为ON状态,光电耦合器VLC中晶闸管则把负载L和电源连通起来，使得负载L获得电流。输出锁存器的对应位为“0”时，其对应的光电耦合器VLC中晶闸管阻断，发光二极管VL不导通。其中发光二极管VL不发光，指示该位的输出为OFF状态，光电耦合器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，电感中的磁场能量的释放是通过阻容吸收电路R3、C和压敏电阻RV吸收的。

  5)继电器输出模块

  继电器输出模块的电路原理图如图2-6所示。该输出模块的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，一般为5万次左右。开关动作的频率也相应地低一些，一般为10Hz以下。

  图2-6继电器输出模块的电路原理图

  继电器输出模块的工作原理: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，其对应的继电器K1的线圈带电发光，二极管VL发光。其中发光二极管VL发光指示该位的输出为ON状态，继电器K1的触点则把负载L和电源连通起来，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K1的线圈不带电，发光二极管VL不导通。其中发光二极管VL不发光指示该位的输出为 OFF状态，继电器K1的触点则把负载L和电源隔断，使得负载L不会获得电流。

  6)模拟量输入模块

  模拟量输入模块(A/D模块)是把模拟信号转换成PLC的CPU可以接收的数字量。模拟量输入模块，一般输入模拟信号都为标准的传感器信号。模拟量输入模块把模拟信号转换成数字信号，一般多为12位二进制数，也有比12位高的或比12位低的。应该说数字量位数越多的模块，分辨率就越高。

  7)模拟量输出模块

  模拟量输出模块(D/A模块)是把PLC的CPU送往模拟量输出模块的数字量转换成外部设备可以接收的模拟量(电压或电流)。模拟量输出模块，一般输出模拟信号都为标准的传感器信号。模拟量输出模块所接收的数字信号，一般多为12位二进制数，也有比12位高的或比12位低的。同样数字量位数越多的模块，分辨率就越高。

  8)扩展接口模块

  扩展接口模块用于将扩展单元与基本单元相连,使PLC的配置更加灵活。一般来说,

  扩展接口模块可以分为两种:一种是近程扩展接口；另一种是远程扩展接口。近程扩展

  接口是为了扩大PLC的控制规模；远程扩展接口是为了增大PLC的控制距离。

  9)通信接口模块

  为了实现“人一机”或“机一机”之间的对话，PLC配有多种通信接口。随着科学技术的发展，PLC的功能也在不断地增强。PLC通过这些通信接口可以与监视器、打印机、其他的 PLC或计算机相连。

  当PLC与打印机相连时，可将过程信息、系统参数等输出打印；当与监视器(CRT)相连时，可将过程图像显示出来；当与其他PLC相连时，可以组成多机系统或连成网络，实现更大规模的控制当与计算机相连时，可以组成多级控制系统，实现控制与管理相结合的综合系统。一台计算机和一台 PLC或多台PLC组成点对点通信网络或多点通信网络。大型控制工程，往往采取多台PLC组成的通信网络来完成。

  PLC在使用时，应正确地选择和使用各种接口模块。根据不同的要求，选用不同的输入模块和输出模块。

  如果输入信号有多种类型，就应该根据点数多少选用不同类型、不同结构的输入模块。如果只能选一个输入模块，则应选择分隔式输入模块。如果所有输入信号都是一种类型时，可以选择汇点式输入模块。如果需要大电流输出，则应选择继电器型或晶闸管型。一般型号为 DC 24V/AC 220V、2A电流。如果电路需要快速开断或频繁地动作，则应选择用晶体管型或晶闸管型。

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