电气工程师要收藏！PLC输入端口和输出端口工作原理图解

输入输出接口是plc和工业控制现场各类信号连接的部分。输入口用来接受生产过程的各种参数。输出口用来送出可编程控制器运算后得出的控制信息，并通过机外的执行机构完成工业现场各类控制。由于可编程控制器在工业生产现场工作，对输入输出接口有两个主要的要求，一是接口有良好的抗干扰能力，二是接口能满足工业现场各类信号的匹配要求。

1．输入端口

可编程控制器为不同的接口需求设计了不同的接口单元。主要有以下几种。

（ 1 ）数字量输入接口

它的作用是把现场的数字（开关）量信号变成可编程控制器内部处理的标准信号。数字（开关）量输入接口按可接纳的外部信号电源的类型不同分为直流输入接口单元和交流输入接口单元。如图 1 、图 2 、图 3 所示。

图 1 直流输入接口单元电路

图 2 交 / 直流输入接口单元电路

图 3 交流输入电路

从图中可以看出，数字量（开关）输入接口单元中都有滤波电路及耦合隔离电路。滤波有抗干扰的作用，耦合有抗干扰及产生标准信号的作用。图中数字量（开关）输入接口单元的电源部分都画在了输入口外（虚线框外），这是分体式数字量（开关）输入接口单元的画法，在一般单元式可编程控制器中输入接口单元都使用可编程本机的直流电源供电，不再需要外接电源。

（ 2 ）模拟量输入接口

它的作用是把现场连续变化的模拟量标准信号转换成适合可编程序控制器内部处理的由若干位二进制数字表示的信号。模拟量输入接口接受标准模拟信号，无论是电压信号还是电流信号均可。这里标准信号是指符合国际标准的通用交互用电压电流信号值，如 4 ～ 20mA 的直流电流信号， 1 ～ 10V 的直流电压信号等。工业现场中模拟量信号的变化范围一般是不标准的，在送入模拟量接口时一般都需经变送处理才能使用。图 4 是模拟量输入接口的内部电路框图。

图 4 模拟量输入电路框图

模拟量信号输入后一般经运算放大器放大后进行 A/D 转换，再经光电耦合后为可编程控制器提供一定位数的数字量信号。

2．输出端口

（ 1 ）数字（开关）量输出接口

它的作用是把可编程内部的标准信号转换成现场执行机构所需的数字（开关）量信号。数字（开关）量输出接口按可编程控制器机内使用的器件可分为继电器型、晶体管型及可控硅型。内部参考电路图见图 5 所示。

图 5 数字（开关）量输出电路

从图中可以看出，图 5 （ a ）为继电器型、图 5 （ b ）为晶体管型、图 5 （ c ）为可控硅型。各类输出接口中也都具有隔离耦合电路。这里特别要指出的是，输出接口本身都不带电源，而且在考虑外驱动电源时，还需考虑到输出设备器件的类型。继电器式的输出接口可用于交流及直流两种驱动电源，但接通断开的频率低，晶体管式的输出接口有较高的接通断开频率，但只适用于直流驱动的场合，可控硅型的输出接口仅适用于交流驱动场合。

（ 2 ）模拟量输出接口

它的作用是将可编程控制器运算处理后的若干位数字量信号转换为相应的模拟量信号输出，以满足生产过程现场连续控制信号的需求。模拟量输出接口一般由光电隔离、 D/A 转换和信号驱动等环节组成。其原理框图见图 2-7 。

图 2-7 模拟量输出电路框图

模拟量输入输出接口一般安装在专门的模拟量工作单元上。

3．智能输入输出接口

为了适应较复杂的控制工作的需要，可编程控制器还有一些智能控制单元。如 PID 工作单元、高速计数器工作单元、温度控制单元等。这类单元大多是独立的工作单元。它们和普通输入输出接口的区别在于其一般带有单独的 CPU ，有专门的处理能力。在具体的工作中，每个扫描周期智能单元和主机的 CPU 交换一次信息，共同完成控制任务。从近期的发展来看，不少新型的可编程控制器本身也带有 PID 功能及高速计数器接口，但它们的功能一般比专用智能输入输出单元的功能稍弱。

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来源：网络

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电工plc基础知识

plc定义为可编程控制器，简称是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International ElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”

基本结构

各种PLC的组成结构基本相同，主要有CPU,电源，储存器和输入输出接口电路等组成。

**处理器

**处理器单元一般由控制器、运算器和寄存器组成。CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与储存单元、输入输出接口、通信接口、扩展接口相连。CPU是PLC的核心，它不断采集输入信号，执行用户程序，刷新系统输出。

储存器

PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两种。系统存储器用于存放PLC的系统程序，用户存储器用于存放PLC的用户程序。现在的PLC一般均采用可电擦除的E2PROM存储器来作为系统存储器和用户存储器。

输入输出接口单元

PLC的输入接口电路的作用是将按钮、行程开关或传感器等产生的信号输入CPU；PLC的输出接口电路的作用是将CPU向外输出的信号转换成可以驱动外部执行元件的信号，以便控制接触器线圈等电器的通、断电。PLC的输入输出接口电路一般采用光耦合隔离技术，可以有效地保护内部电路。

输入接口电路

PLC的输入接口电路可分为直流输入电路和交流输入电路。直流输入电路的延迟时间比较短，可以直接与接近开关，光电开关等电子输入装置连接；交流输入电路适用于在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。交流输入电路和直流输入电路类似，外接的输入电源改为220V交流电源。

输出接口电路

输出接口电路通常有3种类型：继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型。继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型的输出电路类似，只是晶体管或晶闸管代替继电器来控制外部负载。

扩展接口和通信接口

PLC的扩展接口的作用是将扩展单元和功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活，以满足不同控制系统的需要；通信接口的功能是通过这些通信接口可以和监视器、打印机、其他的PLC或是计算机相连，从而实现“人-机”或“机-机”之间的对话。

电源

PLC一般使用220V交流电源或24V直流电源，内部的开关电源为PLC的**处理器、存储器等电路提供5V、12V、24V直流电源，使PLC能正常工作。

工作原理

plc的工作方式为循环扫描方式，当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。其工作过程大致分为3个阶段：输入采样、程序执行和输入采样、程序执行和输出刷新

plc的分类(一) 小型PLC小型PLC的I/O点数一般在128点以下，其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量I/O以外，还可以连接模拟量I/O以及其他各种特殊功能模块。它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通讯联网以及各种应用指令。

(二) 中型PLC中型PLC采用模块化结构，其I/O点数一般在256~1024点之间。I/O的处理方式除了采用一般PLC通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式，即在扫描用户程序的过程中，直接读输入，刷新输出。它能联接各种特殊功能模块，通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。

(三) 大型PLC一般I/O点数在1024点以上的称为大型PLC。大型PLC的软、硬件功能极强。具有极强的自诊断功能。通讯联网功能强，有各种通讯联网的模块，可以构成三级通讯网，实现工厂生产管理自动化。大型PLC还可以采用三CPU构成表决式系统，使机器的可靠性更高。

功能特点

1.使用灵活、通用性强——PLC的硬件是标准化的，加之PLC的产品已系列化，功能模块品种多，可以灵活组成各种不同大小和不同功能的控制系统。在PLC构成的控制系统中，只需在PLC的端子上接入相应的输入输出信号线。当需要变更控制系统的功能时，可以用编程器在线或离线修改程序，同一个PLC装置用于不同的控制对象，只是输入输出组件和应用软件的不同。

2.可靠性高、抗干扰能力强——微机功能强大但抗干扰能力差，工业现场的电磁干扰，电源波动，机械振动，温度和湿度的变化，都可能导致一般通用微机不能正常工作；传统的继电器—接触器控制系统抗干扰能力强，但由于存在大量的机械触点（易磨损、烧蚀）而寿命短，系统可靠性差。PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和繁杂连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性**提高，从实际使用情况来看，PLC控制系统的平均无故障时间一般可达4～5万小时。PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，能适应有各种强烈干扰的工业现场，并具有故障自诊断能力。如一般PLC能抗1000V、1ms脉冲的干扰，其工作环境温度为0～60℃，无需强迫风冷。

3.接口简单、维护方便——PLC的接口按工业控制的要求设计，有较强的带负载能力（输入输出可直接与交流220V，直流24V等强电相连），接口电路一般亦为模块式，便于维修更换。有的PLC甚至可以带电插拔输入输出模块，可不脱机停电而直接更换故障模块，**缩短了故障修复时间。

4.体积小、功耗小、性价比高——以小型PLC（TSX21）为例，它具有128个I/O接口，可相当于400～800个继电器组成的系统的控制功能，其尺寸仅为216×127×110mm3，重2.3kg，不带接口的空载功耗为1.2W，其成本仅相当于同功能继电器系统的10～20％。PLC的输入输出系统能够直观地反应现场信号的变化状态，还能通过各种方式直观地反映控制系统的运行状态，如内部工作状态、通讯状态、I/O点状态、异常状态和电源状态等，对此均有醒目的指示，非常有利于运行和维护人员对系统进行监视。

5.编程简单、容易掌握——PLC是面向用户的设备，PLC的设计者充分考虑了现场工程技术人员的技能和**惯。大多数PLC的编程均提供了常用的梯形图方式和面向工业控制的简单指令方式。编程语言形象直观，指令少、语法简便，不需要专门的计算机知识和语言，具有一定的电工和工艺知识的人员都可在短时间内掌握。利用专用的编程器，可方便地查看、编辑、修改用户程序。

6.设计、施工、调试周期短——用继电器—接触器控制完成一项控制工程，必须首先按工艺要求画出电气原理图，然后画出继电器屏（柜）的布置和接线图等，进行安装调试，以后修改起来十分不便。而采用PLC控制，由于其靠软件实现控制，硬件线路非常简洁，并为模块化积木式结构，且已商品化，故仅需按性能、容量（输入输出点数、内存大小）等选用组装，而大量具体的程序编制工作也可在PLC到货前进行，因而缩短了设计周期，使设计和施工可同时进行。由于用软件编程取代了硬接线实现控制功能，**减轻了繁重的安装接线工作，缩短了施工周期。PLC是通过程序完成控制任务的，采用了方便用户的工业编程语言，且都具有强制和仿真的功能，故程序的设计、修改和调试都很方便，这样可**缩短设计和投运周期。

编程语言

五种标准化编程语言：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和指令表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。顺序功能图是一种结构块控制程序流程图，梯形图和功能模块图是图形化语言，指令表、结构文本两种文本语言，梯形图的应用直观，与指令表可以相互转换。

常用PLC与生产厂家

我国有不少的厂家研制和生产过PLC，但是还没有出现有影响力和较大市场占有率的产品，目前我国使用的PLC几乎都是国外品牌的产品。在全世界上百个PLC制造厂中，有几家举足轻重的公司。它们是美国Rockwell自动化公司所属的A．B(Allen＆ Bradly)公司、GE-Fanuc公司，德国的西门子(Siemens)公司和法国的施耐德(Schneider)自动化公司，日本的三菱公司和欧姆龙(OMRON)公司。这几家公司控制着全世界80%以上的PLC市场，它们的系列产品有其技术广度和深度，从微型PLC到有上万个I／O(输入，输出)点的大型PLC应有尽有。

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