前言

控制系統采用人工手段改變系統的行為。控制問題的類型通常決定了可以使用的控制系統類型。每個控制器都將被設計以滿足特定的目標。主要的控制類型如圖1.1所示。

? 連續型- 要控制的數值平滑變化，例如汽車的速度。

? 邏輯型- 要控制的數值容易描述為開關狀態，例如汽車發動機的開關。

注意：所有系統都是連續的，但為了簡化起見，它們可以被視為邏輯型。

例如，“當我這樣做時，那總是發生！”例如，當電源打開時，壓力機關閉！

? 線性型- 可以用簡單的微分方程描述。這是簡化的首選起點，也是處理現實世界問題的常見近似。

例如，汽車可以在賽道上行駛，并以恒定速度經過相同的點。但是，汽車行駛的時間越長，質量減少，速度增加，但需要的燃料更少等。基本上，數學變得更加復雜，問題變得非線性。

例如，我們駕駛一輛完美的汽車，沒有摩擦，沒有阻力，并且可以預測它將如何完美運作。

? 非線性型- 非線性。這是世界運作的方式，數學變得更加復雜。

例如，當火箭接近太陽時，重力增加，因此控制必須改變。

? 時序型- 一個邏輯控制器，將跟蹤時間和先前事件。

這些控制系統之間的差異可以通過考慮一個簡單的電梯來強調。電梯是一輛在樓層之間移動的設備，在精確的高度停下。為了安全和方便使用，有一些邏輯約束條件。以下是強調電梯中不同類型控制問題的要點。

邏輯型：

電梯在按下按鈕時必須移向某個樓層。

電梯在達到某個樓層時必須打開門。

在移動之前，必須關閉門。

等等。

線性型：

如果期望位置更改為新值，則迅速加速到新位置。

當電梯接近正確位置時，減速。

非線性型：

緩慢加速啟動。

當接近最終位置時減速。

在移動時允許更快的運動。

補償電纜伸展和彈簧常數變化等。

邏輯和時序控制在系統設計中更為理想。這些系統更為穩定，通常成本較低。大多數連續系統可以通過邏輯方式進行控制。但是，有時我們會遇到必須連續控制的系統。在這種情況下，控制系統設計變得更為苛刻。如果連續系統受到不當控制，可能會變得不穩定并變得危險。

當系統表現良好時，我們說它是自調節的。這些系統無需密切監控，我們使用開環控制。開環控制器會為系統設置期望位置，但不使用傳感器驗證位置。當必須不斷監控系統并調整控制輸出時，我們說它是閉環的。汽車上的巡航控制是一個很好的例子。它會監測汽車的實際速度，并調整速度以達到設定的目標速度。

有許多控制技術可供選擇。早期的控制系統依賴機械和電子設備進行控制。而大多數現代控制器則利用計算機來實現控制。其中最靈活的控制器之一是PLC（可編程邏輯控制器）。

可編程邏輯控制器

2.1 簡介

控制工程隨著時間的推移而不斷發展。在過去，人類是控制系統的主要方法。近年來，電力已被用于控制，早期的電氣控制基于繼電器。這些繼電器允許在沒有機械開關的情況下切換電源。通常使用繼電器進行簡單的邏輯控制決策。低成本計算機的發展帶來了最近的一次革命，即可編程邏輯控制器（PLC）。PLC的出現始于1970年代，并已成為制造控制的最常見選擇。

PLC在工廠生產線上越來越受歡迎，而且在可預見的將來可能仍將占主導地位。這主要是因為它們提供了諸多優勢。

對于控制復雜系統而言具有經濟效益。

靈活，能夠迅速輕松地重新應用于控制其他系統。

計算能力使其能夠進行更復雜的控制。

故障排除輔助功能使編程更容易，減少停機時間。

可靠的組件使其有望在故障發生之前運行多年。

2.1.1 梯形圖邏輯

梯形圖邏輯是PLC主要的編程方法。如前所述，梯形圖邏輯是為了模仿繼電器邏輯而開發的。選擇梯形圖邏輯作為主要編程方法是一個戰略性的決策。通過選擇梯形圖邏輯，工程師和技術人員所需的再培訓量大大減少。

現代控制系統仍然包括繼電器，但這些繼電器很少用于邏輯控制。繼電器是一種利用磁場來控制開關的簡單設備，如圖2.1所示。當電壓施加到輸入線圈時，產生的電流產生一個磁場。磁場將一個金屬開關（或簧片）拉向它，并使觸點接觸，關閉開關。在輸入線圈通電時關閉的觸點稱為常開觸點。當輸入線圈未通電時，通常閉合觸點接觸。繼電器通常以示意圖的形式繪制，其中用一個圓圈代表輸入線圈。輸出觸點用兩條平行線表示。常開觸點顯示為兩條線，并在輸入未通電時為開啟狀態（不導電）。常閉觸點用兩條帶有對角線的線表示。當輸入線圈未通電時，常閉觸點將關閉（導電）。

繼電器是用于讓一個電源關閉另一個（通常是高電流）電源的開關，同時使它們隔離。圖2.2中展示了繼電器在簡單控制應用中的一個示例。在這個系統中，最左邊的第一個繼電器被用作常閉觸點，允許電流流動，直到在輸入A上施加電壓。第二個繼電器通常是開啟的，只有在輸入B上施加電壓時才允許電流流動。如果電流通過前兩個繼電器，則電流將通過第三個繼電器中的線圈流動，并關閉輸出C的開關。這個電路通常會以梯形圖邏輯的形式繪制。從邏輯上講，可以理解為當A處于關閉狀態且B處于開啟狀態時，C將處于開啟狀態。

圖2.2中的示例并未顯示整個控制系統，僅展示了邏輯部分。在考慮PLC時，涉及到輸入、輸出和邏輯。圖2.3展示了PLC更完整的表示。這里有兩個來自按鈕的輸入。我們可以將這些輸入想象成激活PLC中的24V DC繼電器線圈。這反過來驅動一個輸出繼電器，切換115V交流電，從而點亮一個燈。請注意，在實際的PLC中，輸入從不是繼電器，但輸出往往是繼電器。PLC中的梯形圖邏輯實際上是用戶可以輸入和更改的計算機程序。請注意，兩個輸入按鈕都是常開的，但PLC內部的梯形圖邏輯有一個常開觸點和一個常閉觸點。不要認為PLC中的梯形圖邏輯需要與輸入或輸出相匹配。許多初學者會陷入試圖使梯形圖邏輯與輸入類型相匹配的困境中。

許多繼電器也具有多個輸出（切換），這使得一個輸出繼電器同時也可以是一個輸入。圖2.4中展示的電路就是一個例子，稱為封閉電路。在這個電路中，電流可以通過電路的任一分支，即通過標有A或B的觸點。輸入B僅在輸出B打開時才會打開。如果B處于關閉狀態，而A被激活，那么B將打開。如果B打開，那么輸入B將打開，并在輸入A關閉時保持輸出B打開。在B被打開后，輸出B將不會關閉。

2.1.2 編程

最初的可編程邏輯控制器（PLC）是使用一種基于繼電器邏輯接線圖的技術進行編程的。這消除了需要教電工、技術人員和工程師如何編寫計算機程序的必要性。但是，這種方法一直沿用至今，是今天編程PLC最常見的技術。梯形圖邏輯的示例可以在圖2.5中看到。要解釋這個圖表，想象一下電源在左側的垂直線上，我們稱之為熱軌。右側是中性軌。在圖中有兩個橫梁，每個橫梁上都有輸入（兩條垂直線）和輸出（圓圈）的組合。如果以正確的組合打開或關閉輸入，電源可以從熱軌流過輸入，為輸出供電，最終流向中性軌。輸入可以來自傳感器、開關或任何其他類型的感應器。輸出將是PLC外部開關的一些設備，如燈光或電機。在頂部的橫梁上，觸點分為常開和常閉。這意味著如果輸入A打開且輸入B關閉，那么電源將流經輸出并激活它。任何其他輸入值的組合都將導致輸出X關閉。

圖2.5的第二橫梁更為復雜，實際上有多種輸入組合會導致輸出Y打開。在橫梁的最左邊部分，如果C關閉而D打開，電源可以通過頂部流過。電源也可以（同時）通過底部流過，如果E和F都為真。這將使電源穿過橫梁的一半，然后如果G或H為真，則電源將被送到輸出Y。在后面的章節中，我們將學習如何解釋和構建這些圖表。

編程PLC還有其他方法。最早的一種技術涉及助記符指令。這些指令可以直接從梯形圖邏輯圖中導出，并通過一個簡單的編程終端輸入到PLC中。助記符的示例如圖2.6所示。在這個示例中，指令是逐行從上到下讀取的。第一行00000有一個LDN（input load and not 輸入加載且非）指令用于輸入00001。這將檢查PLC的輸入，如果關閉，它將記住一個1（或真），如果打開，它將記住一個0（或假）。下一行使用LD（input load 輸入加載）語句查看輸入。如果輸入關閉，它記住一個0，如果輸入打開，它記住一個1（注意：這與LD相反）。AND語句回憶最后兩個記住的數字，如果它們都為真，則結果為1，否則結果為0。現在，這個結果替代了先前記住的兩個數字，只有一個數字被記住。對于行00003和00004，這個過程被重復，但在完成時現在有三個被記住的數字。最舊的數字來自AND，較新的數字來自兩個LD指令。行00005中的AND將最后兩個LD指令的結果合并，現在有兩個被記住的數字。OR指令獲取現在仍然存在的兩個數字，如果其中一個為1，則結果為1，否則結果為0。這個結果替代了兩個數字，現在只有一個數字。最后一條指令是ST（store output 存儲輸出），將查看最后存儲的值，如果為1，則打開輸出，如果為0，則關閉輸出。

圖2.6中的梯形圖邏輯程序與助記符程序等效。即使您使用梯形圖邏輯對PLC進行了編程，它在被PLC使用之前也會轉換為助記符形式。在過去，助記符編程是最常見的，但現在用戶甚至很少看到助記符程序。

為了適應更先進系統的編程，已經開發了順序功能圖表（Sequential Functions Charts - SFCs）。這類似于流程圖，但更強大。在圖2.7中看到的示例正在執行兩項不同的任務。要閱讀圖表，請從頂部開始，看到寫著“開始”的地方。在下面，有一個雙水平線，上面寫著“同時跟隨兩條路徑”。結果，PLC將同時開始跟隨左右兩側的分支。左側有兩個功能，第一個是上電功能。此功能將運行，直到它決定完成，然后將進行下電功能。右側是閃爍功能，這將一直運行，直到完成。這些功能看起來沒有解釋，但每個功能，例如上電，將是一個小的梯形圖邏輯程序。這種方法與流程圖不同，因為它不必沿著流程圖的單一路徑進行。

結構化文本編程已經發展成為一種更現代的編程語言，與BASIC等語言相當相似。圖2.8中展示了一個簡單的例子。這個例子使用了一個PLC的內存位置N7:0。這個內存位置用于存儲整數，正如本書后面會解釋的那樣。程序的第一行將值設置為0。接下來的一行開始一個循環，并將是循環返回的地方。接下來的一行調用N7:0位置的值，將其加1，并將其返回到相同的位置。接下來的一行檢查循環是否應該退出。如果N7:0大于或等于10，則循環將退出，否則計算機將返回到REPEAT語句并從那里繼續。每次程序通過這個循環，N7:0的值將增加1，直到該值達到10。

2.1.3 PLC連接

當一個過程由PLC控制時，它使用傳感器的輸入進行決策，并更新輸出以驅動執行器，如圖2.9所示。該過程是一個真實的過程，會隨時間變化。執行器將驅動系統進入新的狀態（或操作模式）。這意味著控制器受傳感器的限制，如果某個輸入不可用，控制器將無法檢測到一種條件。

控制循環是PLC讀取輸入、解決梯形圖邏輯，然后改變輸出的持續循環。與任何計算機一樣，這并不會瞬間發生。圖2.10展示了PLC的基本操作循環。當電源最初打開時，PLC會進行快速的健全性檢查，以確保硬件正常工作。如果出現問題，PLC將停止并指示存在錯誤。例如，如果PLC備用電池電量低且斷電，內存將損壞，導致故障。如果PLC通過了健全性檢查，然后它將掃描（讀取）所有輸入。在將輸入值存儲在內存中后，將掃描（解決）梯形圖邏輯，使用存儲的值而不是當前值。這是為了防止在梯形圖邏輯掃描期間輸入發生變化時出現邏輯問題。當梯形圖邏輯掃描完成后，將掃描輸出（更改輸出值）。之后系統會進行健全性檢查，循環無限繼續。與普通計算機不同，每次掃描時將運行整個程序。各階段的典型時間在毫秒數量級。

2.1.4 梯形圖邏輯輸入

PLC的輸入可以在梯形圖邏輯中輕松表示。在圖2.11中，展示了三種類型的輸入。前兩種是先前討論過的常開和常閉輸入。IIT（即時輸入）功能允許在輸入掃描后、梯形圖邏輯正在掃描時讀取輸入。這使得梯形圖邏輯能夠比每個周期僅一次更頻繁地檢查輸入值。

2.1.5 梯形圖邏輯輸出

在梯形圖邏輯中，有多種類型的輸出，但并非所有PLC上都一致存在。一些輸出將外部連接到PLC外的設備，但也可以使用PLC內部的內存位置。圖2.12中展示了六種輸出類型。第一種是普通輸出，當通電時，輸出將打開并通電輸出。帶有對角線的圓圈是常通輸出，當通電時，輸出將關閉。這種類型的輸出并非所有PLC類型都支持。當初始通電時，OSR（單次觸發繼電器）指令將在一次掃描中打開，然后在之后的所有掃描中關閉，直到被關閉。L（鎖存）和U（解鎖）指令可用于鎖定輸出。當L輸出通電時，輸出將無限期保持打開，即使輸出線圈被停電也不會關閉。只有通過U輸出才能關閉輸出。最后一個指令是IOT（即時輸出），它允許在不必等待梯形圖邏輯掃描完成的情況下更新輸出。

*Figure 2.12 *Ladder Logic Outputs

當通電時（開啟），左側輸出x被激活，但右側輸出被關閉。

輸入轉換為開啟狀態將導致輸出x在一次掃描中打開（這也稱為單次觸發繼電器）。

當L線圈通電時，x將被切換為打開狀態，它將保持打開直到U線圈通電。這類似于一個觸發器，即使PLC被關閉，它也會保持設置。

某些PLC允許即時輸出，而不必等待程序掃描完成后設置輸出。（注意：此指令僅通過輸出表更新輸出，其他指令必須更改各個輸出。）

注：輸出也常常使用括號 -() - 而不是圓圈來表示。這是因為許多編程系統是基于文本的，無法繪制圓圈。

2.2 案例研究

問題：嘗試開發（在查看解決方案之前）一個基于繼電器的控制器，使得房間內的三個開關能夠控制一盞燈。

解決方案：對于這個問題有兩種可能的方法。第一種假設任何一個開關打開都會點亮燈，但必須所有三個開關關閉才能熄滅燈。

第二種解決方案假設每個開關都可以獨立地打開或關閉燈，與其他開關的狀態無關。這種方法更為復雜，涉及思考所有可能的開關位置組合。你可能會將這個問題識別為異或問題。

注意：重要的是要清楚地了解預期控制的工作方式。在這個例子中，基于操作方式的簡單差異，得到了兩種截然不同的解決方案。

2.3 總結

常開和常閉觸點。

繼電器及其與梯形邏輯的關系。

PLC輸出可以作為輸入，如密封電路所示。

編程可以使用梯形邏輯、助記符、SFCs 和結構化文本等多種方式。

有多種方法可以編寫PLC程序。

3 可編程邏輯控制器（PLC）硬件

3.1 簡介

有許多PLC配置可供選擇，即使來自同一供應商也是如此。但在每種配置中都有共同的組件和概念。最基本的組件包括：

電源- 這可以集成到PLC中或是一個外部單元。PLC所需的常見電壓級別（帶電源和不帶電源）為24V直流、120V交流、220V交流。

CPU（中央處理單元）- 這是一個計算機，用于存儲和處理梯形邏輯。

I/O（輸入/輸出）- 必須提供一定數量的輸入/輸出端口，以便PLC能夠監視過程并啟動操作。

指示燈- 這些指示PLC的狀態，包括通電、程序運行和故障。在診斷問題時，這些是必不可少的。

PLC的配置是指組件的包裝方式。典型的配置如下圖3.1所示，從最大到最小：

Rack- 機架通常較大（長達18英寸、寬30英寸、高10英寸），可以容納多個卡。必要時，可以連接多個機架。這些往往是成本最高但也是最靈活且易于維護的配置。

Mini- 這些在功能上類似于PLC機架，但尺寸約為一半。

Shoebox- 這是一個緊湊的、一體化的單元（大約是鞋盒大小），具有有限的擴展能力。低成本和緊湊性使其成為小型應用的理想選擇。

Micro- 這些單元可以小到一副撲克牌的大小。它們往往具有固定數量的I/O和有限的功能，但成本最低。

軟件- 基于軟件的PLC需要一臺帶有接口卡的計算機，但允許將PLC連接到網絡上的傳感器和其他PLC。

3.2 輸入和輸出

PLC的輸入和輸出對于監控和控制過程至關重要。輸入和輸出可以分為兩種基本類型：邏輯或連續。以燈泡為例。如果它只能打開或關閉，那就是邏輯控制。如果燈光可以調暗到不同的亮度級別，那就是連續控制。連續值似乎更直觀，但邏輯值更受歡迎，因為它們提供更大的確定性，并簡化了控制。因此，大多數控制應用（和PLC）在大多數情況下使用邏輯輸入和輸出。因此，我們將先討論邏輯I/O，并將連續I/O留待后面。

驅動器的輸出允許PLC在過程中引發某些事件。以下是相對受歡迎程度的一些流行的驅動器列表。

電磁閥- 邏輯輸出，可切換液壓或氣動流。

燈- 邏輯輸出，通常可以直接從PLC輸出板上供電。

電動機****啟動器- 電動機在啟動時通常會吸取大量電流，因此它們需要電動機啟動器，基本上就是大型繼電器。

伺服電機- PLC的連續輸出可以命令改變速度或改變位置的伺服電機。

PLC的輸出通常是繼電器，但也可以是固態電子設備，例如用于直流輸出的晶體管或用于交流輸出的晶閘管。連續輸出需要帶有數字模擬轉換器的特殊輸出卡。

輸入來自將物理現象轉換為電信號的傳感器。以下是相對受歡迎程度的一些傳感器的典型示例。

接近開關- 使用感應、電容或光來邏輯地檢測物體。

開關- 機械機構會為邏輯信號打開或關閉電氣觸點。

電位器- 利用電阻連續測量角度位置。

LVDT（線性可變差動變壓器）- 利用磁耦合連續測量線性位移。

PLC的輸入有幾種基本類型，最簡單的是AC和DC輸入。同樣，源極輸入和沉極輸入也很受歡迎。輸出方法規定設備不提供任何電源，而只是像簡單開關一樣打開或關閉電流。

沉極- 在活動時，輸出允許電流流向公共接地。當供應不同電壓時，這是最佳選擇。

源極- 在活動時，電流從電源經過輸出設備流向地。當所有設備使用單一供電電壓時，最適合使用此方法。這也被稱為NPN（沉極）和PNP（源極）。PNP更受歡迎。

3.2.1 輸入

在較小的PLC中，輸入通常是內置的，并且在購買PLC時進行規定。對于較大的PLC，輸入是作為模塊或卡片購買的，每張卡片上有8或16個相同類型的輸入。出于討論目的，我們將假設所有輸入都已購買為卡片。以下列表顯示了輸入電壓的典型范圍，大致按照受歡迎程度排列。

12-24 Vdc

100-120 Vac

10-60 Vdc

12-24 Vac/dc

5 Vdc（TTL）

200-240 Vac

48 Vdc

24 Vac

PLC輸入卡很少提供電源，這意味著需要外部電源為輸入和傳感器供電。圖3.2中的示例顯示了如何連接AC輸入卡。

在這個例子中，有兩個輸入，一個是常開的按鈕，第二個是溫度開關或熱繼電器。這兩個開關都由24Vac電源的熱輸出供電，類似于直流電源的正極。電源被提供到兩個開關的左側。當開關打開時，電壓不會傳遞到輸入卡。如果這兩個開關中的任何一個關閉，電源將被提供到輸入卡。在這種情況下，使用輸入1和3 - 注意輸入從0開始。輸入卡將這些電壓與公共電壓進行比較。如果輸入電壓在給定的容忍范圍內，輸入將打開。圖中顯示了輸入的梯形邏輯，這里使用了PLC-5機架的Allen Bradley符號。頂部顯示了輸入卡的位置I:013，表示該卡是機架01槽3中的輸入卡。卡上的輸入編號顯示在接點下方，為01和03。

許多初學者對上述電路中何處需要連接感到困惑。要記住的關鍵詞是電路，這意味著電壓必須能夠沿完整的回路傳遞。在圖3.2中，我們可以從電源開始沿著電路（回路）進行跟蹤。路徑通過開關、輸入卡，然后回到電源，從那里流回起點。在完整的PLC實現中，將有許多必須完整連接的電路。

第二個重要的概念是公共電壓。在這里，電源的零線是公共電壓或參考電壓。實際上，我們選擇了這個作為我們的0V參考，所有其他電壓都是相對于它來測量的。如果我們有第二個電源，我們還需要連接中性點，以便兩個中性點連接到相同的公共電壓。公共電壓和地線常常會被混淆。公共電壓是一個用于0V的參考電壓，但地線用于防止觸電和設備損壞。地線連接到建筑物下面的地下金屬管道或網格。這與建筑物的電氣系統連接到電源插座，電氣設備的金屬外殼連接在一起。當電流通過地線流動時是不好的。不幸的是，許多工程師和制造商混淆了地線和公共電壓。經常發現電源地和公共電壓被錯誤標記。

記住 - 不要混淆地線和公共電壓。如果你的設備的公共電壓與另一個設備上的公共電壓相連，不要將地線和公共電壓連接在一起。

最后一個容易讓初學者困惑的概念是每個輸入卡都是隔離的。這意味著如果你只將一個公共電壓連接到一張卡上，那么其他卡就沒有連接。當發生這種情況時，其他卡將無法正常工作。你必須為每個輸出卡連接一個公共電壓。

在決定使用哪種類型的輸入卡時有很多權衡。

? 直流電壓通常較低，因此更安全（例如12-24V）。

? 直流輸入非常快，交流輸入需要更長的通電時間。例如，60Hz的波形可能需要高達1/60秒才能被合理識別。

? 直流電壓可以連接到更多種類的電氣系統。

? 交流信號對噪聲的抵抗力更強，因此適用于長距離和嘈雜（磁性）環境。

? 供電到設備的交流電更容易、更便宜。

? 許多現有的自動化設備中都使用交流信號。

此外：可編程邏輯控制器（PLC）的輸入必須將各種邏輯電平轉換為數據總線上使用的5V直流邏輯電平。這可以通過類似下面所示的電路來實現。基本上，這些電路對輸入進行調理以驅動光耦合器。這在電氣上隔離了外部電路與內部電路。其他電路元件用于防范過載或反向電壓極性。

3.2.2 輸出模塊

警告 - 請始終檢查PLC的額定電壓和電流，切勿超過規定值！

與輸入模塊一樣，輸出模塊很少提供任何電源，而是充當開關。外部電源連接到輸出卡，卡將為每個輸出開關電源。下面列舉了典型的輸出電壓，并按照受歡迎程度進行了粗略排序。

120伏交流

24伏直流

12-48伏交流

12-48伏直流

5伏直流（TTL）

230伏交流

這些卡通常有8到16個相同類型的輸出，并且可以選擇不同的電流等級。購買輸出卡時常見的選擇有繼電器、晶體管或三極管。繼電器是最靈活的輸出設備。它們能夠切換交流和直流輸出。但是，它們速度較慢（典型的切換時間為約10毫秒），體積較大，成本較高，并且在數百萬個循環后會磨損。繼電器輸出通常稱為干接點。晶體管僅限于直流輸出，而三極管則僅限于交流輸出。晶體管和三極管輸出稱為開關輸出。

干接點 - 每個輸出專用一個獨立的繼電器。這允許混合電壓（交流或直流和最大電壓水平），以及隔離輸出以保護其他輸出和PLC。響應時間通常大于10毫秒。這種方法對電壓波動和尖峰最不敏感。

開關輸出 - 電壓供應到PLC卡，卡使用固態電路（晶體管、三極管等）將其切換到不同的輸出。三極管非常適合于需要低于1A的交流設備。晶體管輸出通常使用NPN或PNP晶體管，典型的電流為1A以下。它們的響應時間通常低于1毫秒。

此外：PLC輸出必須將PLC數據總線上的5V直流邏輯電平轉換為外部電壓水平。這可以通過類似下面所示的電路來實現。基本上，這些電路使用光耦合器來切換外部電路。這樣可以在電氣上隔離外部電氣電路和內部電路。其他電路元件用于防止過載或反向電壓極性。

備注：一些交流輸出也會使用零電壓檢測。這允許在電壓和電流實際上處于關閉狀態時打開輸出，從而防止突增。

在構建同時具有交流和直流輸出的系統時需要謹慎。如果交流電意外連接到直流晶體管輸出，它將只在正半周期內打開，并且似乎使用降低的電壓工作。如果直流電連接到交流三角輸出，它將打開并似乎工作，但您將無法在不關閉整個可編程邏輯控制器的情況下關閉它。

另外：晶體管是一種基于半導體的可調節閥門裝置。在關閉狀態下，它將阻止雙向電流流動。而在打開狀態下，它只允許單向電流流動。通常，晶體管上會有幾伏的電壓損失。三極管類似于將兩個可控硅（或想象成晶體管）連接在一起，以便電流可以雙向流動，這對于交流電流是有利的。三極管的一個主要區別是，如果它已經打開以使電流流動，然后關閉，它將在電流停止流動之前不會關閉。這對于交流電流來說沒問題，因為電流每半個周期停止并反轉，但在直流電流中不會發生這種情況，因此三極管將保持打開狀態。

輸出的一個主要問題是混合電源。隔離所有電源并保持它們的公共端分開是良好的做法，但這并非總是可行。一些輸出模塊，比如繼電器，允許每個輸出都有自己的公共端。其他輸出卡要求每個卡上的多個或全部輸出共享相同的公共端。每個輸出卡都將與其他卡隔離，因此每個公共端都必須連接。初學者通常只連接一個卡的公共端，忘記了其他卡 - 然后只有一個卡似乎在工作！

圖3.5中顯示的輸出卡是一個具有共享公共端的24V直流輸出卡的示例。這種類型的輸出卡通常會使用晶體管作為輸出器。

在這個示例中，輸出連接到低電流的白熾燈泡（燈）和繼電器線圈。考慮通過燈的電路，從24V直流電源開始。當輸出07打開時，電流可以流經07到COM，從而完成電路，并允許燈打開。如果輸出關閉，電流無法流動，燈將無法打開。繼電器的輸出03以類似的方式連接。當輸出03打開時，電流將流經繼電器線圈，閉合觸點并向電機供應120Vac。圖中右下角顯示了輸出的梯形邏輯。表示為Allen Bradley PLC-5的符號。輸出頂部左側的值O:012表示該卡是一個輸出卡，位于機架01的機槽2中。在輸出的右下角是卡上的輸出號03或07。該卡可以應用來自不同源的許多不同電壓，但所有電源都需要一個單一的共用端。

圖3.6中的電路具有電源、設備、PLC卡、電源的順序。這要求輸出卡具有一個共用端。某些輸出方案顛倒了設備和PLC卡的順序，因此用電壓輸入替代了共用端。圖3.5中的示例在圖3.6中以電壓供應卡的形式重復。

在這個示例中，24V直流電源的正端直接連接到輸出卡。當輸出打開時，電源將供應到該輸出。例如，如果輸出07打開，則供電電壓將輸出到燈。電流將流經燈并返回到電源上的公共端。與切換電機的繼電器的操作非常相似。請注意，梯形邏輯（顯示在圖的右下角）與圖3.5中的邏輯完全相同。使用這種類型的輸出卡只能使用一個電源。

我們還可以使用繼電器輸出來切換輸出。在圖3.5和圖3.6中顯示的示例在圖3.7中再次重復，這次是繼電器輸出。

在這個示例中，24V直流電源直接連接到兩個繼電器（請注意，這現在需要2個連接，而先前的示例僅需要一個連接）。當輸出被激活時，輸出將打開，并將電源傳遞到輸出設備。此布局更類似于圖3.6，其中輸出提供電壓，但繼電器也可以用于將輸出連接到地，就像圖3.5中一樣。使用繼電器輸出時，可以使每個輸出與下一個輸出隔離。繼電器輸出卡可以同時具有相鄰的交流和直流輸出。

3.3 繼電器

盡管繼電器很少用于控制邏輯，但它們仍然對于切換大功率負載至關重要。下面提供了一些關于繼電器的重要術語。

接觸器（Contactor）：用于切換大電流負載的特殊繼電器。

電動機起動器（Motor Starter）：基本上是一個串聯有過載繼電器的接觸器，以在電流過大時切斷電源。

撲滅電弧（Arc Suppression）：當任何繼電器打開或關閉時，都會產生電弧。在切換大型繼電器時，這會成為一個主要問題。在切換交流負載的繼電器上，可以通過在電壓降為零時（在負和正之間跨越時）打開繼電器來解決這個問題。在切換直流負載時，通過在打開時吹送加壓氣體來抑制電弧形成，可以最小化這個問題。

交流線圈（AC coils）：如果正常的繼電器線圈由交流電驅動，觸點將以交流電源的頻率振動開閉。通過在繼電器上添加罩極，可以克服這個問題。

在選擇繼電器或PLC上的繼電器輸出時，最重要的考慮因素是額定電流和電壓。如果超過額定電壓，觸點將過早磨損，或者如果電壓過高，可能會發生火災。額定電流是應該使用的最大電流。當超過額定電流時，設備會變得過熱，并且會更早地發生故障。通常情況下，額定值會分別針對交流和直流給出，盡管直流的額定值較低。如果使用的實際負載低于額定值，繼電器應該能夠無限期地正常工作。如果超過一點點，繼電器的壽命將相應縮短。顯著超過這些值可能導致立即故障和永久性損壞。

額定電壓（Rated Voltage）：用于線圈的建議操作電壓。電壓過低可能導致無法運行，而過高的電壓會縮短使用壽命。

額定電流（Rated Current）：在發生觸點損壞（焊接或熔化）之前的最大電流。

3.4 案例研究

需要為液壓壓力機設計一個電氣布局。該壓力機使用一個24V直流雙作動電磁閥來推進和收回。該設備具有一個共用端和兩根輸入線。在一根線上加上24V直流電會導致壓力機推進，而在第二根線上加上24V直流電則會導致它收回。壓力機由一個需要220Vac額定電壓、20A的大型液壓泵驅動，這應該在壓力機運行時持續運行。壓力機配備了三個按鈕，一個是常閉停止按鈕，另一個是常開手動收回按鈕，第三個是常開啟動自動循環按鈕。在壓力機行程的頂部和底部都安裝有極限開關，這些也必須連接。

輸入和輸出卡均選擇為24V直流，以便它們可以共用單一的24V直流電源。在這種情況下，電磁閥直接連接到輸出卡，而液壓泵間接使用繼電器連接（為簡單起見，只顯示了線圈）。這個決定主要是因為液壓泵需要的電流超過了任何PLC可以處理的范圍，但是購買和安裝繼電器來處理這個負載相對較容易。所有的輸入開關都連接到相同的電源和輸入端。

3.5 電氣布線圖

在設計和構建控制柜時，通常使用梯形圖來記錄電氣布線。圖3.9顯示了一個基本的布線圖。在這個例子中，系統將在左右兩個導軌上供電（120Vac或220Vac）。這些圖表的線被編號，通常在構建電氣系統時使用這些編號為電線編號。在線010之前的開關是整個系統電源的主斷開開關。在線斷開后使用保險絲限制系統的最大電流。圖表的線020用于控制系統輸出的電源。停止按鈕通常是閉合的，而啟動按鈕通常是打開的。橫梁的分支和輸出是CR1，這是一個主控繼電器。PLC在圖表的線30上接收電源。

PLC的輸入全部是交流的，分別顯示在圖表的線040到070上。請注意，輸入I:0/0是MCR CR1上的一組觸點。另外三個輸入是一個常開按鈕（線050），一個限位開關（060）和一個常閉按鈕（070）。在線080之后，MCR CR1可以向輸出供電。這些輸出用于控制PLC的繼電器輸出，以控制紅色指示燈（040），綠色指示燈（050），電磁閥（060）和另一個繼電器（080）。線080上的繼電器控制著打開另一設備——鉆床站。

在布線圖中，選擇通常關閉的停止按鈕和通常打開的啟動按鈕是有意為之的。考慮圖表中的線020。如果按下停止按鈕，它將打開開關，電源將無法流向控制繼電器，輸出電源將關閉。如果停止按鈕損壞，比如由于電線脫落，電源也會喪失，系統將安全關閉。如果使用的停止按鈕是常開的，而發生了這種情況，系統將在停止按鈕無法關閉電源的情況下繼續運行。現在考慮啟動按鈕。如果按鈕損壞，比如電線斷開，它將無法啟動系統，從而使系統未啟動且安全。總之，所有停止系統的按鈕都應該是常閉的，而所有啟動系統的按鈕都應該是常開的。

3.5.1 JIC布線符號

為了標準化電氣原理圖，聯合國際委員會（JIC）制定了相應的符號，這些符號顯示在圖3.10、圖3.11和圖3.12中。

3.6 總結

? PLC輸入對交流或直流輸入進行調理，以便被PLC的邏輯檢測。

? 輸出設備有晶體管（直流）、三叉閘（交流）或繼電器（交流和直流）。

? 輸入和輸出地址取決于卡的位置和輸入位號。

? 電氣系統原理圖以類似梯形邏輯的圖表形式進行記錄。






審核編輯：劉清