第四章与PLC输入输出模块连接的设备

1、1第第4 4章章 与与PLCPLC输入输出模块连接的设备输入输出模块连接的设备目目 标：标： 讨论基本的开讨论基本的开/ /关输入设备。关输入设备。 描述不同形式的输入设备的操作过程，如按钮、开关、选描述不同形式的输入设备的操作过程，如按钮、开关、选择开关和限位开关。择开关和限位开关。 了解电位计、线性微分转换器（了解电位计、线性微分转换器（LTVTLTVT）、热电偶和各种其）、热电偶和各种其他的变换器与传感器。他的变换器与传感器。 描述电机及其启动器的描述电机及其启动器的PLCPLC输出控制。输出控制。 了解输出设备，如继电器、电磁阀、气压和液压缸等。了解输出设备，如继电器、电磁阀、气压和液

2、压缸等。 描述步进电机和伺服电机的操作过程。描述步进电机和伺服电机的操作过程。24.1 4.1 概述概述 这一章将介绍一些与工业这一章将介绍一些与工业PLCPLC系统相连系统相连的典型输入输出设备。输入输出设备有很多的典型输入输出设备。输入输出设备有很多种。读者可在本书的参考书目中找到这些相种。读者可在本书的参考书目中找到这些相关的资料。对于每一种类型，我们只介绍一关的资料。对于每一种类型，我们只介绍一些典型的基本设备。本章分成些典型的基本设备。本章分成4 4个部分，分别个部分，分别为输入开关设备、模拟输入设备、输出开关为输入开关设备、模拟输入设备、输出开关设备和模拟输出设备。设备和模拟输出设

3、备。34.2 4.2 输入开关设备输入开关设备 与与PLCPLC的输入模块连接的开关类型的输入模块连接的开关类型: : M MN NA.A.NO SPSTNO SPSTM MN NB.B.NC SPSTNC SPSTM MN NC.C.SPDTSPDTO OM MN ND.D.DPSTDPSTP PO OH.H.NONON NM MI.I.NCNCN NM MM MN NE.E.DPDTDPDTO OQ QR RM MN NF.F.Spring-return Spring-return SPSTSPSTM MN NG.G.Center OFF SPDTCenter OFF SPDTC CO O

4、M MN NO OP PJ.J.SPDTSPDTM MN NO OP PQ QR RS ST TK.K. Stacked SPDTStacked SPDT前前7 7个是触发个是触发开关开关后后4 4个是按钮个是按钮开关开关5输入开关设备输入开关设备一些大写字母的意思一些大写字母的意思 字母组合字母组合含义含义字母组合字母组合含义含义NONO常开（非激励状常开（非激励状态下）态下）SPDTSPDT单刀双单刀双掷掷NCNC常闭（非激励状常闭（非激励状态下）态下）DPSTDPST双刀单双刀单掷掷SPSTSPST单刀单掷单刀单掷DPDTDPDT双刀双双刀双掷掷 另一种另一种PLCPLC输入开关设备是限

5、位开关。当限输入开关设备是限位开关。当限位开关的机械激励器被一些部件、凸轮或其他位开关的机械激励器被一些部件、凸轮或其他设备碰撞移位后，电气触点将从设备碰撞移位后，电气触点将从NONO转为转为NCNC或从或从NCNC转为转为NONO。侧边滚侧边滚轮限位轮限位开关开关 滑轮杆限滑轮杆限位开关位开关 重载限制重载限制开关开关 抖动激励抖动激励杆触发限杆触发限位开关位开关 7其他通用的其他通用的PLCPLC输入的开关设备输入的开关设备 其他通用的其他通用的PLCPLC输入的开关设备，其操作过输入的开关设备，其操作过程可以在参考书中找到，这些设备是：程可以在参考书中找到，这些设备是： 压力开关压力开关

6、位置开关位置开关 液位开关液位开关光电系统光电系统 霍尔设备霍尔设备感应开关感应开关 磁敏开关磁敏开关84.3 4.3 模拟输入设备模拟输入设备 模拟输入设备能产生连续变化的输入电信号，并送到模拟输入设备能产生连续变化的输入电信号，并送到PLCPLC的适当的输入模块。与这些模拟输入设备相对应的的适当的输入模块。与这些模拟输入设备相对应的PLCPLC输输入模块也必须有处理模拟量信号的能力。入模块也必须有处理模拟量信号的能力。 下图所示的是碳式电位计。通过轴的旋转，可以让滑动下图所示的是碳式电位计。通过轴的旋转，可以让滑动触点沿碳素体移动。滑动触点移动时，连接到末端的电阻发触点沿碳素体移动。滑动触

7、点移动时，连接到末端的电阻发生变化。对于绕线式电位计，碳素体被线圈绕组取代。生变化。对于绕线式电位计，碳素体被线圈绕组取代。转轴（控制弧转轴（控制弧刷臂的位置）刷臂的位置）滑动滑动触点触点绝缘体绝缘体碳材料碳材料外观图外观图内部构造内部构造碳材料碳材料 电位计同电位计同PLCPLC的电气连接如图的电气连接如图4.4(b)4.4(b)所示。如果所示。如果PLCPLC的的输入电压与电位计电压的输出值及其变化不匹配，在电输入电压与电位计电压的输出值及其变化不匹配，在电位计输出和位计输出和PLCPLC输入模块之间就要加电压转换器或放大器。输入模块之间就要加电压转换器或放大器。图图4.4(c)4.4(c

8、)给出了碳式和绕线式电位计的特征比较。给出了碳式和绕线式电位计的特征比较。至输入至输入模块或模块或电压转电压转换器换器电位电位计计碳式电位计碳式电位计 线绕式电位计线绕式电位计可达可达100m100m 有限值有限值, ,可达可达1k1k低增益和低电能低增益和低电能 高增益和高电能高增益和高电能连续性好连续性好 按小步长输出按小步长输出可以是非线性可以是非线性 线性线性低成本低成本 成本高成本高需要时效处理需要时效处理 无需时效处理无需时效处理有烧灼斑点有烧灼斑点 可能没有烧灼斑点可能没有烧灼斑点 可变线性微分变换器（可变线性微分变换器（LVDTLVDT）如图）如图4.54.5所示。随着磁线所示

9、。随着磁线圈的线性移动，圈的线性移动，LVDTLVDT的的ACAC输出跟着变化，同时其输出电压输出跟着变化，同时其输出电压VoutVout也会变化。也会变化。LVDTLVDT输出电压的变化用于指示某个经过适输出电压的变化用于指示某个经过适当连接的设备的位置，从而能使经过精心设计的当连接的设备的位置，从而能使经过精心设计的PLCPLC输入模输入模块能用于给块能用于给PLCPLC处理器输入位置信息。处理器输入位置信息。(a)(a)(b)(b)(c)(c)(d)(d)(e)(e)二次绕线二次绕线1 1输入电压输入电压一次绕线一次绕线二次绕线二次绕线2 2可移动磁芯可移动磁芯绕线电压绕线电压1 1一次

10、绕线一次绕线绕线电压绕线电压2 2大移位大移位小移位小移位大移位大移位小移位小移位V Vinin 1 12 2移动移动V VoutoutV VininV VoutoutV VininV VininV VoutoutV Voutout 常常需要用热电偶来为常常需要用热电偶来为PLCPLC提供控制过程的温提供控制过程的温度输入信号。热电偶的基本形式见图度输入信号。热电偶的基本形式见图4.64.6。热电。热电偶的输出电压信号偶的输出电压信号VmVm需要经过转换处理后再传给需要经过转换处理后再传给PLCPLC输入模块。标准热电偶的特性如图输入模块。标准热电偶的特性如图4.74.7所示。所示。高温高温低

11、温低温连接口（将线连接口（将线扭曲、一般焊扭曲、一般焊接或对焊）接或对焊）灵敏电压计灵敏电压计铜线铜线环境温度上升环境温度上升时时R R3 3电阻减少电阻减少可变低温可变低温高温高温低温低温高温高温低温低温高温高温金属金属A A金属金属B B(a)(a)金属金属A A金属金属B B(b)(b) V VM M V VM M 金属金属A A金属金属B B A AB B V VM M R R2 2 R R3 3R R1 1 R R4 4 (c)(c)(d)(d) 电输入变换器和传感器根据它所感应的物理变量来分类，电输入变换器和传感器根据它所感应的物理变量来分类，4 4种主要类型是：种主要类型是：热、

12、光、磁和机械电子式。图热、光、磁和机械电子式。图4.84.8是对本章讨论的变换器和传感器操作特性的是对本章讨论的变换器和传感器操作特性的简单总结。简单总结。名称名称操作原理操作原理优点优点缺点缺点热变换器热变换器电热调整器电热调整器电阻与温度按反方电阻与温度按反方向变化向变化名义电阻大名义电阻大电阻变化范围大电阻变化范围大价格便宜价格便宜测量速度快测量速度快非线性非线性温度测量范围窄温度测量范围窄需要电源需要电源自发热自发热电阻式温度检电阻式温度检测器测器电阻与温度同方向电阻与温度同方向变化变化电阻线性变化电阻线性变化稳定性好稳定性好精度高精度高价格昂贵价格昂贵电阻变化范围小电阻变化范围小需要

13、电源需要电源热电偶热电偶电压或电流与温度电压或电流与温度成正比成正比输出近似线性输出近似线性温度范围广温度范围广可在高温使用可在高温使用自供电自供电低输出低输出敏感性差敏感性差需要参考电压需要参考电压名称名称操作原理操作原理优点优点缺点缺点温度传感器温度传感器ICIC温度传感温度传感器器电压或电流与绝电压或电流与绝对温度在数字对温度在数字上等效上等效线性输出线性输出体积小体积小价格便宜价格便宜测量速度快测量速度快测量范围窄测量范围窄低输出低输出温度变送器温度变送器接受热电偶或接受热电偶或RTDRTD的输入，输出的输入，输出电流与温度成电流与温度成正比正比线性输出线性输出可远程测量可远程测量只接

14、受热电偶或只接受热电偶或RTDRTD的输入的输入光学高温计光学高温计将红外光聚集在将红外光聚集在ICIC温度传感器温度传感器的探头，输出的探头，输出电流与温度成电流与温度成正比正比线性输出线性输出可在高温使用可在高温使用非接触测量非接触测量价格昂贵价格昂贵名称名称操作原理操作原理优点优点缺点缺点光学变换器光学变换器光敏传感器光敏传感器电阻与电磁辐射电阻与电磁辐射（EMREMR）的密）的密度相反度相反电阻变化范围电阻变化范围大大响应慢响应慢需要电源需要电源对温度敏感对温度敏感光电传感器光电传感器将将EMREMR转化为电流，转化为电流，电流与电流与EMREMR密密度成正比度成正比自供能源自供能源测

15、量速度快测量速度快低输出低输出需要外部电源需要外部电源光敏三极管光敏三极管将将EMREMR转化为电流转化为电流并注入基极，并注入基极，该设备与典型该设备与典型晶体管有同样晶体管有同样的响应的响应敏感性好敏感性好高输出高输出测量速度快测量速度快需要外部电源需要外部电源名称名称操作原理操作原理优点优点缺点缺点光学传感方式光学传感方式对置式传感对置式传感ERMERM光束直接从发光束直接从发射器到接收器，射器到接收器，光束受阻时目光束受阻时目标被检测标被检测感知范围长感知范围长发射器到接收器发射器到接收器必须精确调整必须精确调整且二者要分离且二者要分离回射式传感回射式传感ERMERM光束直接从发光束直

16、接从发射器到反射器，射器到反射器，再回到接收器，再回到接收器，光束受阻时目光束受阻时目标被检测标被检测发射器和接收发射器和接收器必须放在器必须放在相同单元里相同单元里感知范围限制在感知范围限制在3030英尺，需要英尺，需要远距离反射器远距离反射器扩散式传感扩散式传感ERMERM光束射向作为光束射向作为反射器的被感反射器的被感知物体，光束知物体，光束反射回接收器反射回接收器后物体被检测后物体被检测发射器和接收发射器和接收器必须放在器必须放在相同单元里，相同单元里，无须反射器无须反射器感知范围限制在感知范围限制在1010英尺，被感英尺，被感知物体必须具知物体必须具有反射性有反射性名称名称操作原理操

17、作原理优点优点缺点缺点磁场变换器磁场变换器感应式感应式磁场和线圈的相对磁场和线圈的相对运动在线圈中产运动在线圈中产生电压生电压不需要电源不需要电源只检测运动只检测运动磁阻式磁阻式靠近低磁阻物体改靠近低磁阻物体改变其附近磁场，变其附近磁场，在线圈中产生电在线圈中产生电压压不需要电源不需要电源只检测运动只检测运动霍耳效应式霍耳效应式产生与磁场强度成产生与磁场强度成正比的电压正比的电压感知静态磁场感知静态磁场价格低廉价格低廉需要外部电源需要外部电源名称名称操作原理操作原理优点优点缺点缺点机电变换器机电变换器限位开关限位开关根据执行器的位置根据执行器的位置使触点保持和断使触点保持和断开开通常不需要外部

18、通常不需要外部电源，形式多电源，形式多样样必须与被检测目标必须与被检测目标接触接触电位计电位计轴运转时电刷与终轴运转时电刷与终端之间的电阻端之间的电阻（或电压）发生（或电压）发生变化变化耐用耐用需要外部电源需要外部电源需要某种啮合和连需要某种啮合和连接接金属丝应力金属丝应力计计压缩和拉伸时应力压缩和拉伸时应力改变改变耐用耐用需要外部电源需要外部电源测量系数低测量系数低半导体应力半导体应力计计压缩和拉伸时应力压缩和拉伸时应力改变改变测量系数高测量系数高需要外部电源需要外部电源流体传感器流体传感器涡轮式涡轮式流体经过涡轮使叶轮旋流体经过涡轮使叶轮旋转，转动情况通过转，转动情况通过磁力传感器检测磁力

19、传感器检测相对便宜相对便宜流体流动受阻流体流动受阻涡流式涡流式流体流经旋涡脱落处，流体流经旋涡脱落处，产生向下的旋涡，产生向下的旋涡，合成的振动被压电合成的振动被压电传感器检测到传感器检测到移动部少移动部少精度高精度高价格高价格高流体流动受阻流体流动受阻传热式传热式探头加热到常温，传感探头加热到常温，传感器测量冷却速度，器测量冷却速度，它与流速成正比它与流速成正比无移动部件，无移动部件，相对便宜相对便宜响应慢响应慢流体流动受阻流体流动受阻流体必须具有热传导流体必须具有热传导性性超声式超声式声能以一定频率自下而声能以一定频率自下而上传到流体，返回上传到流体，返回的频率与流速成正的频率与流速成正比

20、比无移动部件，无移动部件，可通过管壁检测，可通过管壁检测，流体不受阻流体不受阻非常昂贵非常昂贵磁场式磁场式流体通过磁场产生与流流体通过磁场产生与流量成正比的电压量成正比的电压无移动部件，相对无移动部件，相对便宜，流体不受便宜，流体不受阻阻流体必须具有导电性流体必须具有导电性液位传感器液位传感器浮动式浮动式液位上升，浮子也上升，液位上升，浮子也上升，使磁力或机械开关动使磁力或机械开关动作作价格便宜价格便宜只能测量液体只能测量液体传导式传导式探头探头液体上升接触到探头，在液体上升接触到探头，在输出端产生电流输出端产生电流无移动部件，价无移动部件，价格便宜格便宜只能测量液体，流只能测量液体，流体必须

21、具有导电体必须具有导电性性超声接超声接触式触式声能直接通过一缝隙到达声能直接通过一缝隙到达接收器，缝隙中的流接收器，缝隙中的流体完成传输过程体完成传输过程无移动部件，能无移动部件，能检测任何流体检测任何流体价格高价格高超声非超声非接触接触式式声能通过传输表面检测，声能通过传输表面检测，返回时间取决于表面返回时间取决于表面离检测点的距离离检测点的距离无移动部件，不无移动部件，不需要接触表面，需要接触表面，能检测绝对高能检测绝对高度度价格昂贵价格昂贵接近式接近式振荡器频率改变指示目标振荡器频率改变指示目标的临近，当其改变频的临近，当其改变频率时，产生输出率时，产生输出无移动部件无移动部件测量范围限

22、制在测量范围限制在10 10 cmcm204.4 4.4 输出开关设备输出开关设备 PLCPLC的输出模块与无数的开关电气设备相连。的输出模块与无数的开关电气设备相连。一种主要的形式是电磁阀，如图一种主要的形式是电磁阀，如图4.94.9所示。电磁阀所示。电磁阀的执行塞被一个弹簧顶着，并位于盒中。当线圈加的执行塞被一个弹簧顶着，并位于盒中。当线圈加电时，执行塞向下。执行塞与各种形式的机械设备电时，执行塞向下。执行塞与各种形式的机械设备相连。一般用途是流体开关控制，如火炉中的气体相连。一般用途是流体开关控制，如火炉中的气体控制阀。机械负载能力随电磁阀的尺寸而不同，一控制阀。机械负载能力随电磁阀的尺

23、寸而不同，一般从般从1 1盎司到盎司到100100磅磅。 1 1盎司盎司 28.35 g 28.35 g，1 1磅磅 453.59 g 453.59 g。活塞活塞至执行机构至执行机构上端上端下端下端电气接线端电气接线端弹簧弹簧框架框架线圈线圈(b) (b) 电磁阀执行机构剖面图电磁阀执行机构剖面图 电磁阀的另一种用途是方向控制，图电磁阀的另一种用途是方向控制，图4.104.10给出了其中的给出了其中的一种。这种电磁阀既可以检测液体也可以检测气体。它使用一种。这种电磁阀既可以检测液体也可以检测气体。它使用了两个电磁阀，当一个电磁阀动作时，阀打开，流体往一个了两个电磁阀，当一个电磁阀动作时，阀打开

24、，流体往一个方向流动。两个电磁阀关闭时，活塞就停在中间位置，无流方向流动。两个电磁阀关闭时，活塞就停在中间位置，无流体通过。当汽缸运动到中间或两端时，必须有一个通道让活体通过。当汽缸运动到中间或两端时，必须有一个通道让活塞后面的液体排出。塞后面的液体排出。电磁阀指示灯电磁阀指示灯电磁阀电磁阀安装面板安装面板阀体阀体剖面图剖面图磁铁托架磁铁托架线圈线圈磁铁磁铁推杆执行器推杆执行器聚丙烯聚丙烯酸填料酸填料磁铁磁铁铜接线端子铜接线端子接触杆外壳接触杆外壳分叉可分叉可移动触点移动触点齿状静齿状静止触点止触点 拉杆拉杆红色指示器红色指示器护罩护罩护罩护罩MTGMTG螺栓螺栓杆件末杆件末端螺栓端螺栓后盖板

25、后盖板MTGMTG螺栓螺栓后盖板壳体后盖板壳体线圈端子线圈端子基座基座上部槽形孔上部槽形孔 图图4.114.11显示了一种机械电子式继电器，这是另显示了一种机械电子式继电器，这是另一种由一种由PLCPLC模块控制的通用开关设备。输出模块与模块控制的通用开关设备。输出模块与继电器线圈相连，继电器线圈得电，使触点打开继电器线圈相连，继电器线圈得电，使触点打开和关闭，这些触点控制其他的电路。和关闭，这些触点控制其他的电路。24继电器的好处：继电器的好处： 与将输出模块直接与电气线路相连接的方法相与将输出模块直接与电气线路相连接的方法相比，使用继电器的好处是：（比，使用继电器的好处是：（1 1）继电器

26、能够控制）继电器能够控制多个线路，可以是多个线路，可以是NONO，也可以是，也可以是NCNC；（；（2 2）继电器）继电器接触电路在电气上与输出模块电路隔离；（接触电路在电气上与输出模块电路隔离；（3 3）与）与输出模块相比，继电器接触器可以控制更大的电流，输出模块相比，继电器接触器可以控制更大的电流，并可在更高的电压下工作。能处理高电流的继电器并可在更高的电压下工作。能处理高电流的继电器称为接触器。称为接触器。254.5 4.5 模拟输出设备模拟输出设备 有许多类型的电气设备可由有许多类型的电气设备可由PLCPLC通过其输出模块进行控制。通过其输出模块进行控制。这一节介绍两种模拟输出设备，即步进电机（见图这一节介绍两种模拟输出设备，即步进电机（见图4.154.15）和）和伺服电机（见图伺服电机（见图4.164.16）。步进电机的转动位置受其输入控制。）。步进电机的转动位置受其输入控制。每当步进电机接收到一个输入脉冲时，步进电机就转动一定每当步进电机接收到一个输入脉冲时，步进电机就转动一定的角度。每个脉冲的角度。每个脉冲/ /步进的角度（例如，步进的角度（例如，2.52.5、1 1等）取等）取决于步进电机的型号。有一种微步进电机，各步之间还有中决于步进电机的型号。有一种微步进