第四章與PLC輸入輸出模塊連接的設(shè)備

第4章與PLC輸入輸出模塊連接的設(shè)備目標(biāo)：討論基本的開/關(guān)輸入設(shè)備。描述不同形式的輸入設(shè)備的操作過(guò)程，如按鈕、開關(guān)、選擇開關(guān)和限位開關(guān)。了解電位計(jì)、線性微分轉(zhuǎn)換器（LTVT）、熱電偶和各種其他的變換器與傳感器。描述電機(jī)及其啟動(dòng)器的PLC輸出控制。了解輸出設(shè)備，如繼電器、電磁閥、氣壓和液壓缸等。描述步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的操作過(guò)程。14.1概述這一章將介紹一些與工業(yè)PLC系統(tǒng)相連的典型輸入輸出設(shè)備。輸入輸出設(shè)備有很多種。讀者可在本書的參考書目中找到這些相關(guān)的資料。對(duì)于每一種類型，我們只介紹一些典型的基本設(shè)備。本章分成4個(gè)部分，分別為輸入開關(guān)設(shè)備、模擬輸入設(shè)備、輸出開關(guān)設(shè)備和模擬輸出設(shè)備。24.2輸入開關(guān)設(shè)備

與PLC的輸入模塊連接的開關(guān)類型:

3MNA.NOSPSTMNB.NCSPSTMNC.SPDTOMND.DPSTPOH.NONMI.NCNMMNE.DPDTOQRMNF.Spring-returnSPSTMNG.CenterOFFSPDTCOMNOPJ.SPDTMNOPQRSTK.StackedSPDT前7個(gè)是觸發(fā)開關(guān)后4個(gè)是按鈕開關(guān)4輸入開關(guān)設(shè)備一些大寫字母的意思

字母組合含義字母組合含義NO常開（非激勵(lì)狀態(tài)下）SPDT單刀雙擲NC常閉（非激勵(lì)狀態(tài)下）DPST雙刀單擲SPST單刀單擲DPDT雙刀雙擲5另一種PLC輸入開關(guān)設(shè)備是限位開關(guān)。當(dāng)限位開關(guān)的機(jī)械激勵(lì)器被一些部件、凸輪或其他設(shè)備碰撞移位后，電氣觸點(diǎn)將從NO轉(zhuǎn)為NC或從NC轉(zhuǎn)為NO。側(cè)邊滾輪限位開關(guān)

滑輪桿限位開關(guān)

重載限制開關(guān)

抖動(dòng)激勵(lì)桿觸發(fā)限位開關(guān)

6其他通用的PLC輸入的開關(guān)設(shè)備其他通用的PLC輸入的開關(guān)設(shè)備，其操作過(guò)程可以在參考書中找到，這些設(shè)備是：壓力開關(guān) 位置開關(guān)液位開關(guān) 光電系統(tǒng)霍爾設(shè)備 感應(yīng)開關(guān)磁敏開關(guān)74.3模擬輸入設(shè)備模擬輸入設(shè)備能產(chǎn)生連續(xù)變化的輸入電信號(hào)，并送到PLC的適當(dāng)?shù)妮斎肽K。與這些模擬輸入設(shè)備相對(duì)應(yīng)的PLC輸入模塊也必須有處理模擬量信號(hào)的能力。下圖所示的是碳式電位計(jì)。通過(guò)軸的旋轉(zhuǎn)，可以讓滑動(dòng)觸點(diǎn)沿碳素體移動(dòng)?；瑒?dòng)觸點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，連接到末端的電阻發(fā)生變化。對(duì)于繞線式電位計(jì)，碳素體被線圈繞組取代。轉(zhuǎn)軸（控制弧刷臂的位置）滑動(dòng)觸點(diǎn)絕緣體碳材料外觀圖內(nèi)部構(gòu)造碳材料8

電位計(jì)同PLC的電氣連接如圖4.4(b)所示。如果PLC的輸入電壓與電位計(jì)電壓的輸出值及其變化不匹配，在電位計(jì)輸出和PLC輸入模塊之間就要加電壓轉(zhuǎn)換器或放大器。圖4.4(c)給出了碳式和繞線式電位計(jì)的特征比較。至輸入模塊或電壓轉(zhuǎn)換器電位計(jì)碳式電位計(jì) 線繞式電位計(jì)可達(dá)100mΩ 有限值,可達(dá)1kΩ低增益和低電能高增益和高電能連續(xù)性好 按小步長(zhǎng)輸出可以是非線性線性低成本 成本高需要時(shí)效處理無(wú)需時(shí)效處理有燒灼斑點(diǎn) 可能沒有燒灼斑點(diǎn)9可變線性微分變換器（LVDT）如圖4.5所示。隨著磁線圈的線性移動(dòng)，LVDT的AC輸出跟著變化，同時(shí)其輸出電壓Vout也會(huì)變化。LVDT輸出電壓的變化用于指示某個(gè)經(jīng)過(guò)適當(dāng)連接的設(shè)備的位置，從而能使經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的PLC輸入模塊能用于給PLC處理器輸入位置信息。(a)(b)(c)(d)(e)二次繞線1輸入電壓一次繞線二次繞線2可移動(dòng)磁芯繞線電壓1一次繞線繞線電壓2大移位小移位大移位小移位Vin12移動(dòng)VoutVinVoutVinVinVoutVout10

常常需要用熱電偶來(lái)為PLC提供控制過(guò)程的溫度輸入信號(hào)。熱電偶的基本形式見圖4.6。熱電偶的輸出電壓信號(hào)Vm需要經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換處理后再傳給PLC輸入模塊。標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的特性如圖4.7所示。高溫低溫連接口（將線扭曲、一般焊接或?qū)福╈`敏電壓計(jì)銅線環(huán)境溫度上升時(shí)R3電阻減少可變低溫高溫低溫高溫低溫高溫金屬A金屬B(a)金屬A金屬B(b)VMVM金屬A金屬BABVMR2R3R1R4(c)(d)11

電輸入變換器和傳感器根據(jù)它所感應(yīng)的物理變量來(lái)分類，4種主要類型是：熱、光、磁和機(jī)械電子式。圖4.8是對(duì)本章討論的變換器和傳感器操作特性的簡(jiǎn)單總結(jié)。名稱操作原理優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)熱變換器電熱調(diào)整器電阻與溫度按反方向變化名義電阻大電阻變化范圍大價(jià)格便宜測(cè)量速度快非線性溫度測(cè)量范圍窄需要電源自發(fā)熱電阻式溫度檢測(cè)器電阻與溫度同方向變化電阻線性變化穩(wěn)定性好精度高價(jià)格昂貴電阻變化范圍小需要電源熱電偶電壓或電流與溫度成正比輸出近似線性溫度范圍廣可在高溫使用自供電低輸出敏感性差需要參考電壓12名稱操作原理優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)溫度傳感器IC溫度傳感器電壓或電流與絕對(duì)溫度在數(shù)字上等效線性輸出體積小價(jià)格便宜測(cè)量速度快測(cè)量范圍窄低輸出溫度變送器接受熱電偶或RTD的輸入，輸出電流與溫度成正比線性輸出可遠(yuǎn)程測(cè)量只接受熱電偶或RTD的輸入光學(xué)高溫計(jì)將紅外光聚集在IC溫度傳感器的探頭，輸出電流與溫度成正比線性輸出可在高溫使用非接觸測(cè)量?jī)r(jià)格昂貴13名稱操作原理優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)光學(xué)變換器光敏傳感器電阻與電磁輻射（EMR）的密度相反電阻變化范圍大響應(yīng)慢需要電源對(duì)溫度敏感光電傳感器將EMR轉(zhuǎn)化為電流，電流與EMR密度成正比自供能源測(cè)量速度快低輸出需要外部電源光敏三極管將EMR轉(zhuǎn)化為電流并注入基極，該設(shè)備與典型晶體管有同樣的響應(yīng)敏感性好高輸出測(cè)量速度快需要外部電源14名稱操作原理優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)光學(xué)傳感方式對(duì)置式傳感ERM光束直接從發(fā)射器到接收器，光束受阻時(shí)目標(biāo)被檢測(cè)感知范圍長(zhǎng)發(fā)射器到接收器必須精確調(diào)整且二者要分離回射式傳感ERM光束直接從發(fā)射器到反射器，再回到接收器，光束受阻時(shí)目標(biāo)被檢測(cè)發(fā)射器和接收器必須放在相同單元里感知范圍限制在30英尺，需要遠(yuǎn)距離反射器擴(kuò)散式傳感ERM光束射向作為反射器的被感知物體，光束反射回接收器后物體被檢測(cè)發(fā)射器和接收器必須放在相同單元里，無(wú)須反射器感知范圍限制在10英尺，被感知物體必須具有反射性15名稱操作原理優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)磁場(chǎng)變換器感應(yīng)式磁場(chǎng)和線圈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)在線圈中產(chǎn)生電壓不需要電源只檢測(cè)運(yùn)動(dòng)磁阻式靠近低磁阻物體改變其附近磁場(chǎng)，在線圈中產(chǎn)生電壓不需要電源只檢測(cè)運(yùn)動(dòng)霍耳效應(yīng)式產(chǎn)生與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比的電壓感知靜態(tài)磁場(chǎng)價(jià)格低廉需要外部電源16名稱操作原理優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)機(jī)電變換器限位開關(guān)根據(jù)執(zhí)行器的位置使觸點(diǎn)保持和斷開通常不需要外部電源，形式多樣必須與被檢測(cè)目標(biāo)接觸電位計(jì)軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電刷與終端之間的電阻（或電壓）發(fā)生變化耐用需要外部電源需要某種嚙合和連接金屬絲應(yīng)力計(jì)壓縮和拉伸時(shí)應(yīng)力改變耐用需要外部電源測(cè)量系數(shù)低半導(dǎo)體應(yīng)力計(jì)壓縮和拉伸時(shí)應(yīng)力改變測(cè)量系數(shù)高需要外部電源17流體傳感器渦輪式流體經(jīng)過(guò)渦輪使葉輪旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)情況通過(guò)磁力傳感器檢測(cè)相對(duì)便宜流體流動(dòng)受阻渦流式流體流經(jīng)旋渦脫落處，產(chǎn)生向下的旋渦，合成的振動(dòng)被壓電傳感器檢測(cè)到移動(dòng)部少精度高價(jià)格高流體流動(dòng)受阻傳熱式探頭加熱到常溫，傳感器測(cè)量冷卻速度，它與流速成正比無(wú)移動(dòng)部件，相對(duì)便宜響應(yīng)慢流體流動(dòng)受阻流體必須具有熱傳導(dǎo)性超聲式聲能以一定頻率自下而上傳到流體，返回的頻率與流速成正比無(wú)移動(dòng)部件，可通過(guò)管壁檢測(cè)，流體不受阻非常昂貴磁場(chǎng)式流體通過(guò)磁場(chǎng)產(chǎn)生與流量成正比的電壓無(wú)移動(dòng)部件，相對(duì)便宜，流體不受阻流體必須具有導(dǎo)電性18液位傳感器浮動(dòng)式液位上升，浮子也上升，使磁力或機(jī)械開關(guān)動(dòng)作價(jià)格便宜只能測(cè)量液體傳導(dǎo)式探頭液體上升接觸到探頭，在輸出端產(chǎn)生電流無(wú)移動(dòng)部件，價(jià)格便宜只能測(cè)量液體，流體必須具有導(dǎo)電性超聲接觸式聲能直接通過(guò)一縫隙到達(dá)接收器，縫隙中的流體完成傳輸過(guò)程無(wú)移動(dòng)部件，能檢測(cè)任何流體價(jià)格高超聲非接觸式聲能通過(guò)傳輸表面檢測(cè)，返回時(shí)間取決于表面離檢測(cè)點(diǎn)的距離無(wú)移動(dòng)部件，不需要接觸表面，能檢測(cè)絕對(duì)高度價(jià)格昂貴接近式振蕩器頻率改變指示目標(biāo)的臨近，當(dāng)其改變頻率時(shí)，產(chǎn)生輸出無(wú)移動(dòng)部件測(cè)量范圍限制在10cm194.4輸出開關(guān)設(shè)備

PLC的輸出模塊與無(wú)數(shù)的開關(guān)電氣設(shè)備相連。一種主要的形式是電磁閥，如圖4.9所示。電磁閥的執(zhí)行塞被一個(gè)彈簧頂著，并位于盒中。當(dāng)線圈加電時(shí)，執(zhí)行塞向下。執(zhí)行塞與各種形式的機(jī)械設(shè)備相連。一般用途是流體開關(guān)控制，如火爐中的氣體控制閥。機(jī)械負(fù)載能力隨電磁閥的尺寸而不同，一般從1盎司到100磅①。

①1盎司28.35g，1磅453.59g。20活塞至執(zhí)行機(jī)構(gòu)上端下端電氣接線端彈簧框架線圈(b)電磁閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)剖面圖21

電磁閥的另一種用途是方向控制，圖4.10給出了其中的一種。這種電磁閥既可以檢測(cè)液體也可以檢測(cè)氣體。它使用了兩個(gè)電磁閥，當(dāng)一個(gè)電磁閥動(dòng)作時(shí)，閥打開，流體往一個(gè)方向流動(dòng)。兩個(gè)電磁閥關(guān)閉時(shí)，活塞就停在中間位置，無(wú)流體通過(guò)。當(dāng)汽缸運(yùn)動(dòng)到中間或兩端時(shí)，必須有一個(gè)通道讓活塞后面的液體排出。電磁閥指示燈電磁閥安裝面板閥體22剖面圖磁鐵托架線圈磁鐵推桿執(zhí)行器聚丙烯酸填料磁鐵銅接線端子接觸桿外殼分叉可移動(dòng)觸點(diǎn)齒狀靜止觸點(diǎn)拉桿紅色指示器護(hù)罩護(hù)罩MTG螺栓桿件末端螺栓后蓋板MTG螺栓后蓋板殼體線圈端子基座上部槽形孔圖4.11顯示了一種機(jī)械電子式繼電器，這是另一種由PLC模塊控制的通用開關(guān)設(shè)備。輸出模塊與繼電器線圈相連，繼電器線圈得電，使觸點(diǎn)打開和關(guān)閉，這些觸點(diǎn)控制其他的電路。23繼電器的好處：

與將輸出模塊直接與電氣線路相連接的方法相比，使用繼電器的好處是：（1）繼電器能夠控制多個(gè)線路，可以是NO，也可以是NC；（2）繼電器接觸電路在電氣上與輸出模塊電路隔離；（3）與輸出模塊相比，繼電器接觸器可以控制更大的電流，并可在更高的電壓下工作。能處理高電流的繼電器稱為接觸器。244.5模擬輸出設(shè)備

有許多類型的電氣設(shè)備可由PLC通過(guò)其輸出模塊進(jìn)行控制。這一節(jié)介紹兩種模擬輸出設(shè)備，即步進(jìn)電機(jī)（見圖4.15）和伺服電機(jī)（見圖4.16）。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)位置受其輸入控制。每當(dāng)步進(jìn)電機(jī)接收到一個(gè)輸入脈沖時(shí)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度。每個(gè)脈沖/步進(jìn)的角度（例如，2.5°、1°等）取決于步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)。有一種微步進(jìn)電機(jī)，各步之間還有中間位置，這取決于相鄰電極之間的信號(hào)相對(duì)強(qiáng)度。步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)不同的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)定位功能。25圖4.15步進(jìn)電機(jī)［(a)兩種不同型號(hào)步進(jìn)電機(jī)及其控制器，大電機(jī)的直徑大約為4.2in，小電機(jī)的直徑大約為2.3in；(b)永磁步進(jìn)電機(jī)剖面圖（ParkerCompumotor分部授權(quán)）］(b)輸出軸固定杯B固定杯A電機(jī)線圈A線圈B(a)26

伺服電機(jī)如圖4.16所示。伺服電機(jī)不是按步旋轉(zhuǎn)的，而是連