自动化制造系统中的PLC知识概述
前言
控制系统采用人工手段改变系统的行为。控制问题的类型通常决定了可以使用的控制系统类型。每个控制器都将被设计以满足特定的目标。主要的控制类型如图1.1所示。
• 连续型 - 要控制的数值平滑变化，例如汽车的速度。
• 逻辑型 - 要控制的数值容易描述为开关状态，例如汽车发动机的开关。
注意：所有系统都是连续的，但为了简化起见，它们可以被视为逻辑型。
例如，“当我这样做时，那总是发生！”例如，当电源打开时，压力机关闭！
• 线性型 - 可以用简单的微分方程描述。这是简化的首选起点，也是处理现实世界问题的常见近似。
例如，汽车可以在赛道上行驶，并以恒定速度经过相同的点。但是，汽车行驶的时间越长，质量减少，速度增加，但需要的燃料更少等。基本上，数学变得更加复杂，问题变得非线性。
例如，我们驾驶一辆完美的汽车，没有摩擦，没有阻力，并且可以预测它将如何完美运作。
• 非线性型 - 非线性。这是世界运作的方式，数学变得更加复杂。
例如，当火箭接近太阳时，重力增加，因此控制必须改变。
• 时序型 - 一个逻辑控制器，将跟踪时间和先前事件。
这些控制系统之间的差异可以通过考虑一个简单的电梯来强调。电梯是一辆在楼层之间移动的设备，在精确的高度停下。为了安全和方便使用，有一些逻辑约束条件。以下是强调电梯中不同类型控制问题的要点。
逻辑型：
电梯在按下按钮时必须移向某个楼层。
电梯在达到某个楼层时必须打开门。
在移动之前，必须关闭门。
等等。
线性型：
如果期望位置更改为新值，则迅速加速到新位置。
当电梯接近正确位置时，减速。
非线性型：
缓慢加速启动。
当接近最终位置时减速。
在移动时允许更快的运动。
补偿电缆伸展和弹簧常数变化等。
逻辑和时序控制在系统设计中更为理想。这些系统更为稳定，通常成本较低。大多数连续系统可以通过逻辑方式进行控制。但是，有时我们会遇到必须连续控制的系统。在这种情况下，控制系统设计变得更为苛刻。如果连续系统受到不当控制，可能会变得不稳定并变得危险。
当系统表现良好时，我们说它是自调节的。这些系统无需密切监控，我们使用开环控制。开环控制器会为系统设置期望位置，但不使用传感器验证位置。当必须不断监控系统并调整控制输出时，我们说它是闭环的。汽车上的巡航控制是一个很好的例子。它会监测汽车的实际速度，并调整速度以达到设定的目标速度。
有许多控制技术可供选择。早期的控制系统依赖机械和电子设备进行控制。而大多数现代控制器则利用计算机来实现控制。其中最灵活的控制器之一是plc（可编程逻辑控制器）。
可编程逻辑控制器
2.1 简介
控制工程随着时间的推移而不断发展。在过去，人类是控制系统的主要方法。近年来，电力已被用于控制，早期的电气控制基于继电器。这些继电器允许在没有机械开关的情况下切换电源。通常使用继电器进行简单的逻辑控制决策。低成本计算机的发展带来了最近的一次革命，即可编程逻辑控制器（plc）。plc的出现始于1970年代，并已成为制造控制的最常见选择。
plc在工厂生产线上越来越受欢迎，而且在可预见的将来可能仍将占主导地位。这主要是因为它们提供了诸多优势。
对于控制复杂系统而言具有经济效益。
灵活，能够迅速轻松地重新应用于控制其他系统。
计算能力使其能够进行更复杂的控制。
故障排除辅助功能使编程更容易，减少停机时间。
可靠的组件使其有望在故障发生之前运行多年。
2.1.1 梯形图逻辑
梯形图逻辑是plc主要的编程方法。如前所述，梯形图逻辑是为了模仿继电器逻辑而开发的。选择梯形图逻辑作为主要编程方法是一个战略性的决策。通过选择梯形图逻辑，工程师和技术人员所需的再培训量大大减少。
现代控制系统仍然包括继电器，但这些继电器很少用于逻辑控制。继电器是一种利用磁场来控制开关的简单设备，如图2.1所示。当电压施加到输入线圈时，产生的电流产生一个磁场。磁场将一个金属开关（或簧片）拉向它，并使触点接触，关闭开关。在输入线圈通电时关闭的触点称为常开触点。当输入线圈未通电时，通常闭合触点接触。继电器通常以示意图的形式绘制，其中用一个圆圈代表输入线圈。输出触点用两条平行线表示。常开触点显示为两条线，并在输入未通电时为开启状态（不导电）。常闭触点用两条带有对角线的线表示。当输入线圈未通电时，常闭触点将关闭（导电）。
继电器是用于让一个电源关闭另一个（通常是高电流）电源的开关，同时使它们隔离。图2.2中展示了继电器在简单控制应用中的一个示例。在这个系统中，最左边的第一个继电器被用作常闭触点，允许电流流动，直到在输入a上施加电压。第二个继电器通常是开启的，只有在输入b上施加电压时才允许电流流动。如果电流通过前两个继电器，则电流将通过第三个继电器中的线圈流动，并关闭输出c的开关。这个电路通常会以梯形图逻辑的形式绘制。从逻辑上讲，可以理解为当a处于关闭状态且b处于开启状态时，c将处于开启状态。
图2.2中的示例并未显示整个控制系统，仅展示了逻辑部分。在考虑plc时，涉及到输入、输出和逻辑。图2.3展示了plc更完整的表示。这里有两个来自按钮的输入。我们可以将这些输入想象成激活plc中的24v dc继电器线圈。这反过来驱动一个输出继电器，切换115v交流电，从而点亮一个灯。请注意，在实际的plc中，输入从不是继电器，但输出往往是继电器。plc中的梯形图逻辑实际上是用户可以输入和更改的计算机程序。请注意，两个输入按钮都是常开的，但plc内部的梯形图逻辑有一个常开触点和一个常闭触点。不要认为plc中的梯形图逻辑需要与输入或输出相匹配。许多初学者会陷入试图使梯形图逻辑与输入类型相匹配的困境中。
许多继电器也具有多个输出（切换），这使得一个输出继电器同时也可以是一个输入。图2.4中展示的电路就是一个例子，称为封闭电路。在这个电路中，电流可以通过电路的任一分支，即通过标有a或b的触点。输入b仅在输出b打开时才会打开。如果b处于关闭状态，而a被激活，那么b将打开。如果b打开，那么输入b将打开，并在输入a关闭时保持输出b打开。在b被打开后，输出b将不会关闭。
2.1.2 编程
最初的可编程逻辑控制器（plc）是使用一种基于继电器逻辑接线图的技术进行编程的。这消除了需要教电工、技术人员和工程师如何编写计算机程序的必要性。但是，这种方法一直沿用至今，是今天编程plc最常见的技术。梯形图逻辑的示例可以在图2.5中看到。要解释这个图表，想象一下电源在左侧的垂直线上，我们称之为热轨。右侧是中性轨。在图中有两个横梁，每个横梁上都有输入（两条垂直线）和输出（圆圈）的组合。如果以正确的组合打开或关闭输入，电源可以从热轨流过输入，为输出供电，最终流向中性轨。输入可以来自传感器、开关或任何其他类型的感应器。输出将是plc外部开关的一些设备，如灯光或电机。在顶部的横梁上，触点分为常开和常闭。这意味着如果输入a打开且输入b关闭，那么电源将流经输出并激活它。任何其他输入值的组合都将导致输出x关闭。
图2.5的第二横梁更为复杂，实际上有多种输入组合会导致输出y打开。在横梁的最左边部分，如果c关闭而d打开，电源可以通过顶部流过。电源也可以（同时）通过底部流过，如果e和f都为真。这将使电源穿过横梁的一半，然后如果g或h为真，则电源将被送到输出y。在后面的章节中，我们将学习如何解释和构建这些图表。
编程plc还有其他方法。最早的一种技术涉及助记符指令。这些指令可以直接从梯形图逻辑图中导出，并通过一个简单的编程终端输入到plc中。助记符的示例如图2.6所示。在这个示例中，指令是逐行从上到下读取的。第一行00000有一个ldn（input load and not 输入加载且非）指令用于输入00001。这将检查plc的输入，如果关闭，它将记住一个1（或真），如果打开，它将记住一个0（或假）。下一行使用ld（input load 输入加载）语句查看输入。如果输入关闭，它记住一个0，如果输入打开，它记住一个1（注意：这与ld相反）。and语句回忆最后两个记住的数字，如果它们都为真，则结果为1，否则结果为0。现在，这个结果替代了先前记住的两个数字，只有一个数字被记住。对于行00003和00004，这个过程被重复，但在完成时现在有三个被记住的数字。最旧的数字来自and，较新的数字来自两个ld指令。行00005中的and将最后两个ld指令的结果合并，现在有两个被记住的数字。or指令获取现在仍然存在的两个数字，如果其中一个为1，则结果为1，否则结果为0。这个结果替代了两个数字，现在只有一个数字。最后一条指令是st（store output 存储输出），将查看最后存储的值，如果为1，则打开输出，如果为0，则关闭输出。
图2.6中的梯形图逻辑程序与助记符程序等效。即使您使用梯形图逻辑对plc进行了编程，它在被plc使用之前也会转换为助记符形式。在过去，助记符编程是最常见的，但现在用户甚至很少看到助记符程序。
为了适应更先进系统的编程，已经开发了顺序功能图表（sequential functions charts - sfcs）。这类似于流程图，但更强大。在图2.7中看到的示例正在执行两项不同的任务。要阅读图表，请从顶部开始，看到写着“开始”的地方。在下面，有一个双水平线，上面写着“同时跟随两条路径”。结果，plc将同时开始跟随左右两侧的分支。左侧有两个功能，第一个是上电功能。此功能将运行，直到它决定完成，然后将进行下电功能。右侧是闪烁功能，这将一直运行，直到完成。这些功能看起来没有解释，但每个功能，例如上电，将是一个小的梯形图逻辑程序。这种方法与流程图不同，因为它不必沿着流程图的单一路径进行。
结构化文本编程已经发展成为一种更现代的编程语言，与basic等语言相当相似。图2.8中展示了一个简单的例子。这个例子使用了一个plc的内存位置n7:0。这个内存位置用于存储整数，正如本书后面会解释的那样。程序的第一行将值设置为0。接下来的一行开始一个循环，并将是循环返回的地方。接下来的一行调用n7:0位置的值，将其加1，并将其返回到相同的位置。接下来的一行检查循环是否应该退出。如果n7:0大于或等于10，则循环将退出，否则计算机将返回到repeat语句并从那里继续。每次程序通过这个循环，n7:0的值将增加1，直到该值达到10。
2.1.3 plc连接
当一个过程由plc控制时，它使用传感器的输入进行决策，并更新输出以驱动执行器，如图2.9所示。该过程是一个真实的过程，会随时间变化。执行器将驱动系统进入新的状态（或操作模式）。这意味着控制器受传感器的限制，如果某个输入不可用，控制器将无法检测到一种条件。
控制循环是plc读取输入、解决梯形图逻辑，然后改变输出的持续循环。与任何计算机一样，这并不会瞬间发生。图2.10展示了plc的基本操作循环。当电源最初打开时，plc会进行快速的健全性检查，以确保硬件正常工作。如果出现问题，plc将停止并指示存在错误。例如，如果plc备用电池电量低且断电，内存将损坏，导致故障。如果plc通过了健全性检查，然后它将扫描（读取）所有输入。在将输入值存储在内存中后，将扫描（解决）梯形图逻辑，使用存储的值而不是当前值。这是为了防止在梯形图逻辑扫描期间输入发生变化时出现逻辑问题。当梯形图逻辑扫描完成后，将扫描输出（更改输出值）。之后系统会进行健全性检查，循环无限继续。与普通计算机不同，每次扫描时将运行整个程序。各阶段的典型时间在毫秒数量级。
2.1.4 梯形图逻辑输入
plc的输入可以在梯形图逻辑中轻松表示。在图2.11中，展示了三种类型的输入。前两种是先前讨论过的常开和常闭输入。iit（即时输入）功能允许在输入扫描后、梯形图逻辑正在扫描时读取输入。这使得梯形图逻辑能够比每个周期仅一次更频繁地检查输入值。
2.1.5 梯形图逻辑输出
在梯形图逻辑中，有多种类型的输出，但并非所有plc上都一致存在。一些输出将外部连接到plc外的设备，但也可以使用plc内部的内存位置。图2.12中展示了六种输出类型。第一种是普通输出，当通电时，输出将打开并通电输出。带有对角线的圆圈是常通输出，当通电时，输出将关闭。这种类型的输出并非所有plc类型都支持。当初始通电时，osr（单次触发继电器）指令将在一次扫描中打开，然后在之后的所有扫描中关闭，直到被关闭。l（锁存）和u（解锁）指令可用于锁定输出。当l输出通电时，输出将无限期保持打开，即使输出线圈被停电也不会关闭。只有通过u输出才能关闭输出。最后一个指令是iot（即时输出），它允许在不必等待梯形图逻辑扫描完成的情况下更新输出。
*figure 2.12 *ladder logic outputs
当通电时（开启），左侧输出x被激活，但右侧输出被关闭。
输入转换为开启状态将导致输出x在一次扫描中打开（这也称为单次触发继电器）。
当l线圈通电时，x将被切换为打开状态，它将保持打开直到u线圈通电。这类似于一个触发器，即使plc被关闭，它也会保持设置。
某些plc允许即时输出，而不必等待程序扫描完成后设置输出。（注意：此指令仅通过输出表更新输出，其他指令必须更改各个输出。）
注：输出也常常使用括号 -() - 而不是圆圈来表示。这是因为许多编程系统是基于文本的，无法绘制圆圈。
2.2 案例研究
问题：尝试开发（在查看解决方案之前）一个基于继电器的控制器，使得房间内的三个开关能够控制一盏灯。
解决方案：对于这个问题有两种可能的方法。第一种假设任何一个开关打开都会点亮灯，但必须所有三个开关关闭才能熄灭灯。
第二种解决方案假设每个开关都可以独立地打开或关闭灯，与其他开关的状态无关。这种方法更为复杂，涉及思考所有可能的开关位置组合。你可能会将这个问题识别为异或问题。
注意：重要的是要清楚地了解预期控制的工作方式。在这个例子中，基于操作方式的简单差异，得到了两种截然不同的解决方案。
2.3 总结
常开和常闭触点。
继电器及其与梯形逻辑的关系。
plc输出可以作为输入，如密封电路所示。
编程可以使用梯形逻辑、助记符、sfcs 和结构化文本等多种方式。
有多种方法可以编写plc程序。
3 可编程逻辑控制器（plc）硬件
3.1 简介
有许多plc配置可供选择，即使来自同一供应商也是如此。但在每种配置中都有共同的组件和概念。最基本的组件包括：
电源 - 这可以集成到plc中或是一个外部单元。plc所需的常见电压级别（带电源和不带电源）为24v直流、120v交流、220v交流。
cpu （中央处理单元） - 这是一个计算机，用于存储和处理梯形逻辑。
i/o （输入/输出） - 必须提供一定数量的输入/输出端口，以便plc能够监视过程并启动操作。
指示灯 - 这些指示plc的状态，包括通电、程序运行和故障。在诊断问题时，这些是必不可少的。
plc的配置是指组件的包装方式。典型的配置如下图3.1所示，从最大到最小：
rack - 机架通常较大（长达18英寸、宽30英寸、高10英寸），可以容纳多个卡。必要时，可以连接多个机架。这些往往是成本最高但也是最灵活且易于维护的配置。
mini - 这些在功能上类似于plc机架，但尺寸约为一半。
shoebox - 这是一个紧凑的、一体化的单元（大约是鞋盒大小），具有有限的扩展能力。低成本和紧凑性使其成为小型应用的理想选择。
micro - 这些单元可以小到一副扑克牌的大小。它们往往具有固定数量的i/o和有限的功能，但成本最低。
软件 - 基于软件的plc需要一台带有接口卡的计算机，但允许将plc连接到网络上的传感器和其他plc。
3.2 输入和输出
plc的输入和输出对于监控和控制过程至关重要。输入和输出可以分为两种基本类型：逻辑或连续。以灯泡为例。如果它只能打开或关闭，那就是逻辑控制。如果灯光可以调暗到不同的亮度级别，那就是连续控制。连续值似乎更直观，但逻辑值更受欢迎，因为它们提供更大的确定性，并简化了控制。因此，大多数控制应用（和plc）在大多数情况下使用逻辑输入和输出。因此，我们将先讨论逻辑i/o，并将连续i/o留待后面。
驱动器的输出允许plc在过程中引发某些事件。以下是相对受欢迎程度的一些流行的驱动器列表。
电磁阀 - 逻辑输出，可切换液压或气动流。
灯 - 逻辑输出，通常可以直接从plc输出板上供电。
电动机****启动器 - 电动机在启动时通常会吸取大量电流，因此它们需要电动机启动器，基本上就是大型继电器。
伺服电机 - plc的连续输出可以命令改变速度或改变位置的伺服电机。
plc的输出通常是继电器，但也可以是固态电子设备，例如用于直流输出的晶体管或用于交流输出的晶闸管。连续输出需要带有数字模拟转换器的特殊输出卡。
输入来自将物理现象转换为电信号的传感器。以下是相对受欢迎程度的一些传感器的典型示例。
接近开关 - 使用感应、电容或光来逻辑地检测物体。
开关 - 机械机构会为逻辑信号打开或关闭电气触点。
电位器 - 利用电阻连续测量角度位置。
lvdt （ 线性可变差动变压器 ） - 利用磁耦合连续测量线性位移。
plc的输入有几种基本类型，最简单的是ac和dc输入。同样，源极输入和沉极输入也很受欢迎。输出方法规定设备不提供任何电源，而只是像简单开关一样打开或关闭电流。
沉极 - 在活动时，输出允许电流流向公共接地。当供应不同电压时，这是最佳选择。
源极 - 在活动时，电流从电源经过输出设备流向地。当所有设备使用单一供电电压时，最适合使用此方法。这也被称为npn（沉极）和pnp（源极）。pnp更受欢迎。
3.2.1 输入
在较小的plc中，输入通常是内置的，并且在购买plc时进行规定。对于较大的plc，输入是作为模块或卡片购买的，每张卡片上有8或16个相同类型的输入。出于讨论目的，我们将假设所有输入都已购买为卡片。以下列表显示了输入电压的典型范围，大致按照受欢迎程度排列。
12-24 vdc
100-120 vac
10-60 vdc
12-24 vac/dc
5 vdc（ttl）
200-240 vac
48 vdc
24 vac
plc输入卡很少提供电源，这意味着需要外部电源为输入和传感器供电。图3.2中的示例显示了如何连接ac输入卡。
在这个例子中，有两个输入，一个是常开的按钮，第二个是温度开关或热继电器。这两个开关都由24vac电源的热输出供电，类似于直流电源的正极。电源被提供到两个开关的左侧。当开关打开时，电压不会传递到输入卡。如果这两个开关中的任何一个关闭，电源将被提供到输入卡。在这种情况下，使用输入1和3 - 注意输入从0开始。输入卡将这些电压与公共电压进行比较。如果输入电压在给定的容忍范围内，输入将打开。图中显示了输入的梯形逻辑，这里使用了plc-5机架的allen bradley符号。顶部显示了输入卡的位置i:013，表示该卡是机架01槽3中的输入卡。卡上的输入编号显示在接点下方，为01和03。
许多初学者对上述电路中何处需要连接感到困惑。要记住的关键词是电路，这意味着电压必须能够沿完整的回路传递。在图3.2中，我们可以从电源开始沿着电路（回路）进行跟踪。路径通过开关、输入卡，然后回到电源，从那里流回起点。在完整的plc实现中，将有许多必须完整连接的电路。
第二个重要的概念是公共电压。在这里，电源的零线是公共电压或参考电压。实际上，我们选择了这个作为我们的0v参考，所有其他电压都是相对于它来测量的。如果我们有第二个电源，我们还需要连接中性点，以便两个中性点连接到相同的公共电压。公共电压和地线常常会被混淆。公共电压是一个用于0v的参考电压，但地线用于防止触电和设备损坏。地线连接到建筑物下面的地下金属管道或网格。这与建筑物的电气系统连接到电源插座，电气设备的金属外壳连接在一起。当电流通过地线流动时是不好的。不幸的是，许多工程师和制造商混淆了地线和公共电压。经常发现电源地和公共电压被错误标记。
记住 - 不要混淆地线和公共电压。如果你的设备的公共电压与另一个设备上的公共电压相连，不要将地线和公共电压连接在一起。
最后一个容易让初学者困惑的概念是每个输入卡都是隔离的。这意味着如果你只将一个公共电压连接到一张卡上，那么其他卡就没有连接。当发生这种情况时，其他卡将无法正常工作。你必须为每个输出卡连接一个公共电压。
在决定使用哪种类型的输入卡时有很多权衡。
• 直流电压通常较低，因此更安全（例如12-24v）。
• 直流输入非常快，交流输入需要更长的通电时间。例如，60hz的波形可能需要高达1/60秒才能被合理识别。
• 直流电压可以连接到更多种类的电气系统。
• 交流信号对噪声的抵抗力更强，因此适用于长距离和嘈杂（磁性）环境。
• 供电到设备的交流电更容易、更便宜。
• 许多现有的自动化设备中都使用交流信号。
此外：可编程逻辑控制器（plc）的输入必须将各种逻辑电平转换为数据总线上使用的5v直流逻辑电平。这可以通过类似下面所示的电路来实现。基本上，这些电路对输入进行调理以驱动光耦合器。这在电气上隔离了外部电路与内部电路。其他电路元件用于防范过载或反向电压极性。
3.2.2 输出模块
警告 - 请始终检查plc的额定电压和电流，切勿超过规定值！
与输入模块一样，输出模块很少提供任何电源，而是充当开关。外部电源连接到输出卡，卡将为每个输出开关电源。下面列举了典型的输出电压，并按照受欢迎程度进行了粗略排序。
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
这些卡通常有8到16个相同类型的输出，并且可以选择不同的电流等级。购买输出卡时常见的选择有继电器、晶体管或三极管。继电器是最灵活的输出设备。它们能够切换交流和直流输出。但是，它们速度较慢（典型的切换时间为约10毫秒），体积较大，成本较高，并且在数百万个循环后会磨损。继电器输出通常称为干接点。晶体管仅限于直流输出，而三极管则仅限于交流输出。晶体管和三极管输出称为开关输出。
干接点 - 每个输出专用一个独立的继电器。这允许混合电压（交流或直流和最大电压水平），以及隔离输出以保护其他输出和plc。响应时间通常大于10毫秒。这种方法对电压波动和尖峰最不敏感。
开关输出 - 电压供应到plc卡，卡使用固态电路（晶体管、三极管等）将其切换到不同的输出。三极管非常适合于需要低于1a的交流设备。晶体管输出通常使用npn或pnp晶体管，典型的电流为1a以下。它们的响应时间通常低于1毫秒。
此外：plc输出必须将plc数据总线上的5v直流逻辑电平转换为外部电压水平。这可以通过类似下面所示的电路来实现。基本上，这些电路使用光耦合器来切换外部电路。这样可以在电气上隔离外部电气电路和内部电路。其他电路元件用于防止过载或反向电压极性。
备注：一些交流输出也会使用零电压检测。这允许在电压和电流实际上处于关闭状态时打开输出，从而防止突增。
在构建同时具有交流和直流输出的系统时需要谨慎。如果交流电意外连接到直流晶体管输出，它将只在正半周期内打开，并且似乎使用降低的电压工作。如果直流电连接到交流三角输出，它将打开并似乎工作，但您将无法在不关闭整个可编程逻辑控制器的情况下关闭它。
另外：晶体管是一种基于半导体的可调节阀门装置。在关闭状态下，它将阻止双向电流流动。而在打开状态下，它只允许单向电流流动。通常，晶体管上会有几伏的电压损失。三极管类似于将两个可控硅（或想象成晶体管）连接在一起，以便电流可以双向流动，这对于交流电流是有利的。三极管的一个主要区别是，如果它已经打开以使电流流动，然后关闭，它将在电流停止流动之前不会关闭。这对于交流电流来说没问题，因为电流每半个周期停止并反转，但在直流电流中不会发生这种情况，因此三极管将保持打开状态。
输出的一个主要问题是混合电源。隔离所有电源并保持它们的公共端分开是良好的做法，但这并非总是可行。一些输出模块，比如继电器，允许每个输出都有自己的公共端。其他输出卡要求每个卡上的多个或全部输出共享相同的公共端。每个输出卡都将与其他卡隔离，因此每个公共端都必须连接。初学者通常只连接一个卡的公共端，忘记了其他卡 - 然后只有一个卡似乎在工作！
图3.5中显示的输出卡是一个具有共享公共端的24v直流输出卡的示例。这种类型的输出卡通常会使用晶体管作为输出器。
在这个示例中，输出连接到低电流的白炽灯泡（灯）和继电器线圈。考虑通过灯的电路，从24v直流电源开始。当输出07打开时，电流可以流经07到com，从而完成电路，并允许灯打开。如果输出关闭，电流无法流动，灯将无法打开。继电器的输出03以类似的方式连接。当输出03打开时，电流将流经继电器线圈，闭合触点并向电机供应120vac。图中右下角显示了输出的梯形逻辑。表示为allen bradley plc-5的符号。输出顶部左侧的值o:012表示该卡是一个输出卡，位于机架01的机槽2中。在输出的右下角是卡上的输出号03或07。该卡可以应用来自不同源的许多不同电压，但所有电源都需要一个单一的共用端。
图3.6中的电路具有电源、设备、plc卡、电源的顺序。这要求输出卡具有一个共用端。某些输出方案颠倒了设备和plc卡的顺序，因此用电压输入替代了共用端。图3.5中的示例在图3.6中以电压供应卡的形式重复。
在这个示例中，24v直流电源的正端直接连接到输出卡。当输出打开时，电源将供应到该输出。例如，如果输出07打开，则供电电压将输出到灯。电流将流经灯并返回到电源上的公共端。与切换电机的继电器的操作非常相似。请注意，梯形逻辑（显示在图的右下角）与图3.5中的逻辑完全相同。使用这种类型的输出卡只能使用一个电源。
我们还可以使用继电器输出来切换输出。在图3.5和图3.6中显示的示例在图3.7中再次重复，这次是继电器输出。
在这个示例中，24v直流电源直接连接到两个继电器（请注意，这现在需要2个连接，而先前的示例仅需要一个连接）。当输出被激活时，输出将打开，并将电源传递到输出设备。此布局更类似于图3.6，其中输出提供电压，但继电器也可以用于将输出连接到地，就像图3.5中一样。使用继电器输出时，可以使每个输出与下一个输出隔离。继电器输出卡可以同时具有相邻的交流和直流输出。
3.3 继电器
尽管继电器很少用于控制逻辑，但它们仍然对于切换大功率负载至关重要。下面提供了一些关于继电器的重要术语。
接触器（contactor）：用于切换大电流负载的特殊继电器。
电动机起动器（motor starter）：基本上是一个串联有过载继电器的接触器，以在电流过大时切断电源。
扑灭电弧（arc suppression）：当任何继电器打开或关闭时，都会产生电弧。在切换大型继电器时，这会成为一个主要问题。在切换交流负载的继电器上，可以通过在电压降为零时（在负和正之间跨越时）打开继电器来解决这个问题。在切换直流负载时，通过在打开时吹送加压气体来抑制电弧形成，可以最小化这个问题。
交流线圈（ac coils）：如果正常的继电器线圈由交流电驱动，触点将以交流电源的频率振动开闭。通过在继电器上添加罩极，可以克服这个问题。
在选择继电器或plc上的继电器输出时，最重要的考虑因素是额定电流和电压。如果超过额定电压，触点将过早磨损，或者如果电压过高，可能会发生火灾。额定电流是应该使用的最大电流。当超过额定电流时，设备会变得过热，并且会更早地发生故障。通常情况下，额定值会分别针对交流和直流给出，尽管直流的额定值较低。如果使用的实际负载低于额定值，继电器应该能够无限期地正常工作。如果超过一点点，继电器的寿命将相应缩短。显著超过这些值可能导致立即故障和永久性损坏。
额定电压（rated voltage）：用于线圈的建议操作电压。电压过低可能导致无法运行，而过高的电压会缩短使用寿命。
额定电流（rated current）：在发生触点损坏（焊接或熔化）之前的最大电流。
3.4 案例研究
需要为液压压力机设计一个电气布局。该压力机使用一个24v直流双作动电磁阀来推进和收回。该设备具有一个共用端和两根输入线。在一根线上加上24v直流电会导致压力机推进，而在第二根线上加上24v直流电则会导致它收回。压力机由一个需要220vac额定电压、20a的大型液压泵驱动，这应该在压力机运行时持续运行。压力机配备了三个按钮，一个是常闭停止按钮，另一个是常开手动收回按钮，第三个是常开启动自动循环按钮。在压力机行程的顶部和底部都安装有极限开关，这些也必须连接。
输入和输出卡均选择为24v直流，以便它们可以共用单一的24v直流电源。在这种情况下，电磁阀直接连接到输出卡，而液压泵间接使用继电器连接（为简单起见，只显示了线圈）。这个决定主要是因为液压泵需要的电流超过了任何plc可以处理的范围，但是购买和安装继电器来处理这个负载相对较容易。所有的输入开关都连接到相同的电源和输入端。
3.5 电气布线图
在设计和构建控制柜时，通常使用梯形图来记录电气布线。图3.9显示了一个基本的布线图。在这个例子中，系统将在左右两个导轨上供电（120vac或220vac）。这些图表的线被编号，通常在构建电气系统时使用这些编号为电线编号。在线010之前的开关是整个系统电源的主断开开关。在线断开后使用保险丝限制系统的最大电流。图表的线020用于控制系统输出的电源。停止按钮通常是闭合的，而启动按钮通常是打开的。横梁的分支和输出是cr1，这是一个主控继电器。plc在图表的线30上接收电源。
plc的输入全部是交流的，分别显示在图表的线040到070上。请注意，输入i:0/0是mcr cr1上的一组触点。另外三个输入是一个常开按钮（线050），一个限位开关（060）和一个常闭按钮（070）。在线080之后，mcr cr1可以向输出供电。这些输出用于控制plc的继电器输出，以控制红色指示灯（040），绿色指示灯（050），电磁阀（060）和另一个继电器（080）。线080上的继电器控制着打开另一设备——钻床站。
在布线图中，选择通常关闭的停止按钮和通常打开的启动按钮是有意为之的。考虑图表中的线020。如果按下停止按钮，它将打开开关，电源将无法流向控制继电器，输出电源将关闭。如果停止按钮损坏，比如由于电线脱落，电源也会丧失，系统将安全关闭。如果使用的停止按钮是常开的，而发生了这种情况，系统将在停止按钮无法关闭电源的情况下继续运行。现在考虑启动按钮。如果按钮损坏，比如电线断开，它将无法启动系统，从而使系统未启动且安全。总之，所有停止系统的按钮都应该是常闭的，而所有启动系统的按钮都应该是常开的。
3.5.1 jic布线符号
为了标准化电气原理图，联合国际委员会（jic）制定了相应的符号，这些符号显示在图3.10、图3.11和图3.12中。
3.6 总结
• plc输入对交流或直流输入进行调理，以便被plc的逻辑检测。
• 输出设备有晶体管（直流）、三叉闸（交流）或继电器（交流和直流）。
• 输入和输出地址取决于卡的位置和输入位号。
• 电气系统原理图以类似梯形逻辑的图表形式进行记录。
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控制系统采用人工手段改变系统的行为。控制问题的类型通常决定了可以使用的控制系统类型。每个控制器都将被设计以满足特定的目标。主要的控制类型如图1.1所示。
• 连续型 - 要控制的数值平滑变化，例如汽车的速度。
• 逻辑型 - 要控制的数值容易描述为开关状态，例如汽车发动机的开关。
注意：所有系统都是连续的，但为了简化起见，它们可以被视为逻辑型。
例如，“当我这样做时，那总是发生！”例如，当电源打开时，压力机关闭！
• 线性型 - 可以用简单的微分方程描述。这是简化的首选起点，也是处理现实世界问题的常见近似。
例如，汽车可以在赛道上行驶，并以恒定速度经过相同的点。但是，汽车行驶的时间越长，质量减少，速度增加，但需要的燃料更少等。基本上，数学变得更加复杂，问题变得非线性。
例如，我们驾驶一辆完美的汽车，没有摩擦，没有阻力，并且可以预测它将如何完美运作。
• 非线性型 - 非线性。这是世界运作的方式，数学变得更加复杂。
例如，当火箭接近太阳时，重力增加，因此控制必须改变。
• 时序型 - 一个逻辑控制器，将跟踪时间和先前事件。
这些控制系统之间的差异可以通过考虑一个简单的电梯来强调。电梯是一辆在楼层之间移动的设备，在精确的高度停下。为了安全和方便使用，有一些逻辑约束条件。以下是强调电梯中不同类型控制问题的要点。
逻辑型：
电梯在按下按钮时必须移向某个楼层。
电梯在达到某个楼层时必须打开门。
在移动之前，必须关闭门。
等等。
线性型：
如果期望位置更改为新值，则迅速加速到新位置。
当电梯接近正确位置时，减速。
非线性型：
缓慢加速启动。
当接近最终位置时减速。
在移动时允许更快的运动。
补偿电缆伸展和弹簧常数变化等。
逻辑和时序控制在系统设计中更为理想。这些系统更为稳定，通常成本较低。大多数连续系统可以通过逻辑方式进行控制。但是，有时我们会遇到必须连续控制的系统。在这种情况下，控制系统设计变得更为苛刻。如果连续系统受到不当控制，可能会变得不稳定并变得危险。
当系统表现良好时，我们说它是自调节的。这些系统无需密切监控，我们使用开环控制。开环控制器会为系统设置期望位置，但不使用传感器验证位置。当必须不断监控系统并调整控制输出时，我们说它是闭环的。汽车上的巡航控制是一个很好的例子。它会监测汽车的实际速度，并调整速度以达到设定的目标速度。
有许多控制技术可供选择。早期的控制系统依赖机械和电子设备进行控制。而大多数现代控制器则利用计算机来实现控制。其中最灵活的控制器之一是plc（可编程逻辑控制器）。
可编程逻辑控制器
2.1 简介
控制工程随着时间的推移而不断发展。在过去，人类是控制系统的主要方法。近年来，电力已被用于控制，早期的电气控制基于继电器。这些继电器允许在没有机械开关的情况下切换电源。通常使用继电器进行简单的逻辑控制决策。低成本计算机的发展带来了最近的一次革命，即可编程逻辑控制器（plc）。plc的出现始于1970年代，并已成为制造控制的最常见选择。
plc在工厂生产线上越来越受欢迎，而且在可预见的将来可能仍将占主导地位。这主要是因为它们提供了诸多优势。
对于控制复杂系统而言具有经济效益。
灵活，能够迅速轻松地重新应用于控制其他系统。
计算能力使其能够进行更复杂的控制。
故障排除辅助功能使编程更容易，减少停机时间。
可靠的组件使其有望在故障发生之前运行多年。
2.1.1 梯形图逻辑
梯形图逻辑是plc主要的编程方法。如前所述，梯形图逻辑是为了模仿继电器逻辑而开发的。选择梯形图逻辑作为主要编程方法是一个战略性的决策。通过选择梯形图逻辑，工程师和技术人员所需的再培训量大大减少。
现代控制系统仍然包括继电器，但这些继电器很少用于逻辑控制。继电器是一种利用磁场来控制开关的简单设备，如图2.1所示。当电压施加到输入线圈时，产生的电流产生一个磁场。磁场将一个金属开关（或簧片）拉向它，并使触点接触，关闭开关。在输入线圈通电时关闭的触点称为常开触点。当输入线圈未通电时，通常闭合触点接触。继电器通常以示意图的形式绘制，其中用一个圆圈代表输入线圈。输出触点用两条平行线表示。常开触点显示为两条线，并在输入未通电时为开启状态（不导电）。常闭触点用两条带有对角线的线表示。当输入线圈未通电时，常闭触点将关闭（导电）。
继电器是用于让一个电源关闭另一个（通常是高电流）电源的开关，同时使它们隔离。图2.2中展示了继电器在简单控制应用中的一个示例。在这个系统中，最左边的第一个继电器被用作常闭触点，允许电流流动，直到在输入a上施加电压。第二个继电器通常是开启的，只有在输入b上施加电压时才允许电流流动。如果电流通过前两个继电器，则电流将通过第三个继电器中的线圈流动，并关闭输出c的开关。这个电路通常会以梯形图逻辑的形式绘制。从逻辑上讲，可以理解为当a处于关闭状态且b处于开启状态时，c将处于开启状态。
图2.2中的示例并未显示整个控制系统，仅展示了逻辑部分。在考虑plc时，涉及到输入、输出和逻辑。图2.3展示了plc更完整的表示。这里有两个来自按钮的输入。我们可以将这些输入想象成激活plc中的24v dc继电器线圈。这反过来驱动一个输出继电器，切换115v交流电，从而点亮一个灯。请注意，在实际的plc中，输入从不是继电器，但输出往往是继电器。plc中的梯形图逻辑实际上是用户可以输入和更改的计算机程序。请注意，两个输入按钮都是常开的，但plc内部的梯形图逻辑有一个常开触点和一个常闭触点。不要认为plc中的梯形图逻辑需要与输入或输出相匹配。许多初学者会陷入试图使梯形图逻辑与输入类型相匹配的困境中。
许多继电器也具有多个输出（切换），这使得一个输出继电器同时也可以是一个输入。图2.4中展示的电路就是一个例子，称为封闭电路。在这个电路中，电流可以通过电路的任一分支，即通过标有a或b的触点。输入b仅在输出b打开时才会打开。如果b处于关闭状态，而a被激活，那么b将打开。如果b打开，那么输入b将打开，并在输入a关闭时保持输出b打开。在b被打开后，输出b将不会关闭。
2.1.2 编程
最初的可编程逻辑控制器（plc）是使用一种基于继电器逻辑接线图的技术进行编程的。这消除了需要教电工、技术人员和工程师如何编写计算机程序的必要性。但是，这种方法一直沿用至今，是今天编程plc最常见的技术。梯形图逻辑的示例可以在图2.5中看到。要解释这个图表，想象一下电源在左侧的垂直线上，我们称之为热轨。右侧是中性轨。在图中有两个横梁，每个横梁上都有输入（两条垂直线）和输出（圆圈）的组合。如果以正确的组合打开或关闭输入，电源可以从热轨流过输入，为输出供电，最终流向中性轨。输入可以来自传感器、开关或任何其他类型的感应器。输出将是plc外部开关的一些设备，如灯光或电机。在顶部的横梁上，触点分为常开和常闭。这意味着如果输入a打开且输入b关闭，那么电源将流经输出并激活它。任何其他输入值的组合都将导致输出x关闭。
图2.5的第二横梁更为复杂，实际上有多种输入组合会导致输出y打开。在横梁的最左边部分，如果c关闭而d打开，电源可以通过顶部流过。电源也可以（同时）通过底部流过，如果e和f都为真。这将使电源穿过横梁的一半，然后如果g或h为真，则电源将被送到输出y。在后面的章节中，我们将学习如何解释和构建这些图表。
编程plc还有其他方法。最早的一种技术涉及助记符指令。这些指令可以直接从梯形图逻辑图中导出，并通过一个简单的编程终端输入到plc中。助记符的示例如图2.6所示。在这个示例中，指令是逐行从上到下读取的。第一行00000有一个ldn（input load and not 输入加载且非）指令用于输入00001。这将检查plc的输入，如果关闭，它将记住一个1（或真），如果打开，它将记住一个0（或假）。下一行使用ld（input load 输入加载）语句查看输入。如果输入关闭，它记住一个0，如果输入打开，它记住一个1（注意：这与ld相反）。and语句回忆最后两个记住的数字，如果它们都为真，则结果为1，否则结果为0。现在，这个结果替代了先前记住的两个数字，只有一个数字被记住。对于行00003和00004，这个过程被重复，但在完成时现在有三个被记住的数字。最旧的数字来自and，较新的数字来自两个ld指令。行00005中的and将最后两个ld指令的结果合并，现在有两个被记住的数字。or指令获取现在仍然存在的两个数字，如果其中一个为1，则结果为1，否则结果为0。这个结果替代了两个数字，现在只有一个数字。最后一条指令是st（store output 存储输出），将查看最后存储的值，如果为1，则打开输出，如果为0，则关闭输出。
图2.6中的梯形图逻辑程序与助记符程序等效。即使您使用梯形图逻辑对plc进行了编程，它在被plc使用之前也会转换为助记符形式。在过去，助记符编程是最常见的，但现在用户甚至很少看到助记符程序。
为了适应更先进系统的编程，已经开发了顺序功能图表（sequential functions charts - sfcs）。这类似于流程图，但更强大。在图2.7中看到的示例正在执行两项不同的任务。要阅读图表，请从顶部开始，看到写着“开始”的地方。在下面，有一个双水平线，上面写着“同时跟随两条路径”。结果，plc将同时开始跟随左右两侧的分支。左侧有两个功能，第一个是上电功能。此功能将运行，直到它决定完成，然后将进行下电功能。右侧是闪烁功能，这将一直运行，直到完成。这些功能看起来没有解释，但每个功能，例如上电，将是一个小的梯形图逻辑程序。这种方法与流程图不同，因为它不必沿着流程图的单一路径进行。
结构化文本编程已经发展成为一种更现代的编程语言，与basic等语言相当相似。图2.8中展示了一个简单的例子。这个例子使用了一个plc的内存位置n7:0。这个内存位置用于存储整数，正如本书后面会解释的那样。程序的第一行将值设置为0。接下来的一行开始一个循环，并将是循环返回的地方。接下来的一行调用n7:0位置的值，将其加1，并将其返回到相同的位置。接下来的一行检查循环是否应该退出。如果n7:0大于或等于10，则循环将退出，否则计算机将返回到repeat语句并从那里继续。每次程序通过这个循环，n7:0的值将增加1，直到该值达到10。
2.1.3 plc连接
当一个过程由plc控制时，它使用传感器的输入进行决策，并更新输出以驱动执行器，如图2.9所示。该过程是一个真实的过程，会随时间变化。执行器将驱动系统进入新的状态（或操作模式）。这意味着控制器受传感器的限制，如果某个输入不可用，控制器将无法检测到一种条件。
控制循环是plc读取输入、解决梯形图逻辑，然后改变输出的持续循环。与任何计算机一样，这并不会瞬间发生。图2.10展示了plc的基本操作循环。当电源最初打开时，plc会进行快速的健全性检查，以确保硬件正常工作。如果出现问题，plc将停止并指示存在错误。例如，如果plc备用电池电量低且断电，内存将损坏，导致故障。如果plc通过了健全性检查，然后它将扫描（读取）所有输入。在将输入值存储在内存中后，将扫描（解决）梯形图逻辑，使用存储的值而不是当前值。这是为了防止在梯形图逻辑扫描期间输入发生变化时出现逻辑问题。当梯形图逻辑扫描完成后，将扫描输出（更改输出值）。之后系统会进行健全性检查，循环无限继续。与普通计算机不同，每次扫描时将运行整个程序。各阶段的典型时间在毫秒数量级。
2.1.4 梯形图逻辑输入
plc的输入可以在梯形图逻辑中轻松表示。在图2.11中，展示了三种类型的输入。前两种是先前讨论过的常开和常闭输入。iit（即时输入）功能允许在输入扫描后、梯形图逻辑正在扫描时读取输入。这使得梯形图逻辑能够比每个周期仅一次更频繁地检查输入值。
2.1.5 梯形图逻辑输出
在梯形图逻辑中，有多种类型的输出，但并非所有plc上都一致存在。一些输出将外部连接到plc外的设备，但也可以使用plc内部的内存位置。图2.12中展示了六种输出类型。第一种是普通输出，当通电时，输出将打开并通电输出。带有对角线的圆圈是常通输出，当通电时，输出将关闭。这种类型的输出并非所有plc类型都支持。当初始通电时，osr（单次触发继电器）指令将在一次扫描中打开，然后在之后的所有扫描中关闭，直到被关闭。l（锁存）和u（解锁）指令可用于锁定输出。当l输出通电时，输出将无限期保持打开，即使输出线圈被停电也不会关闭。只有通过u输出才能关闭输出。最后一个指令是iot（即时输出），它允许在不必等待梯形图逻辑扫描完成的情况下更新输出。
*figure 2.12 *ladder logic outputs
当通电时（开启），左侧输出x被激活，但右侧输出被关闭。
输入转换为开启状态将导致输出x在一次扫描中打开（这也称为单次触发继电器）。
当l线圈通电时，x将被切换为打开状态，它将保持打开直到u线圈通电。这类似于一个触发器，即使plc被关闭，它也会保持设置。
某些plc允许即时输出，而不必等待程序扫描完成后设置输出。（注意：此指令仅通过输出表更新输出，其他指令必须更改各个输出。）
注：输出也常常使用括号 -() - 而不是圆圈来表示。这是因为许多编程系统是基于文本的，无法绘制圆圈。
2.2 案例研究
问题：尝试开发（在查看解决方案之前）一个基于继电器的控制器，使得房间内的三个开关能够控制一盏灯。
解决方案：对于这个问题有两种可能的方法。第一种假设任何一个开关打开都会点亮灯，但必须所有三个开关关闭才能熄灭灯。
第二种解决方案假设每个开关都可以独立地打开或关闭灯，与其他开关的状态无关。这种方法更为复杂，涉及思考所有可能的开关位置组合。你可能会将这个问题识别为异或问题。
注意：重要的是要清楚地了解预期控制的工作方式。在这个例子中，基于操作方式的简单差异，得到了两种截然不同的解决方案。
2.3 总结
常开和常闭触点。
继电器及其与梯形逻辑的关系。
plc输出可以作为输入，如密封电路所示。
编程可以使用梯形逻辑、助记符、sfcs 和结构化文本等多种方式。
有多种方法可以编写plc程序。
3 可编程逻辑控制器（plc）硬件
3.1 简介
有许多plc配置可供选择，即使来自同一供应商也是如此。但在每种配置中都有共同的组件和概念。最基本的组件包括：
电源 - 这可以集成到plc中或是一个外部单元。plc所需的常见电压级别（带电源和不带电源）为24v直流、120v交流、220v交流。
cpu （中央处理单元） - 这是一个计算机，用于存储和处理梯形逻辑。
i/o （输入/输出） - 必须提供一定数量的输入/输出端口，以便plc能够监视过程并启动操作。
指示灯 - 这些指示plc的状态，包括通电、程序运行和故障。在诊断问题时，这些是必不可少的。
plc的配置是指组件的包装方式。典型的配置如下图3.1所示，从最大到最小：
rack - 机架通常较大（长达18英寸、宽30英寸、高10英寸），可以容纳多个卡。必要时，可以连接多个机架。这些往往是成本最高但也是最灵活且易于维护的配置。
mini - 这些在功能上类似于plc机架，但尺寸约为一半。
shoebox - 这是一个紧凑的、一体化的单元（大约是鞋盒大小），具有有限的扩展能力。低成本和紧凑性使其成为小型应用的理想选择。
micro - 这些单元可以小到一副扑克牌的大小。它们往往具有固定数量的i/o和有限的功能，但成本最低。
软件 - 基于软件的plc需要一台带有接口卡的计算机，但允许将plc连接到网络上的传感器和其他plc。
3.2 输入和输出
plc的输入和输出对于监控和控制过程至关重要。输入和输出可以分为两种基本类型：逻辑或连续。以灯泡为例。如果它只能打开或关闭，那就是逻辑控制。如果灯光可以调暗到不同的亮度级别，那就是连续控制。连续值似乎更直观，但逻辑值更受欢迎，因为它们提供更大的确定性，并简化了控制。因此，大多数控制应用（和plc）在大多数情况下使用逻辑输入和输出。因此，我们将先讨论逻辑i/o，并将连续i/o留待后面。
驱动器的输出允许plc在过程中引发某些事件。以下是相对受欢迎程度的一些流行的驱动器列表。
电磁阀 - 逻辑输出，可切换液压或气动流。
灯 - 逻辑输出，通常可以直接从plc输出板上供电。
电动机****启动器 - 电动机在启动时通常会吸取大量电流，因此它们需要电动机启动器，基本上就是大型继电器。
伺服电机 - plc的连续输出可以命令改变速度或改变位置的伺服电机。
plc的输出通常是继电器，但也可以是固态电子设备，例如用于直流输出的晶体管或用于交流输出的晶闸管。连续输出需要带有数字模拟转换器的特殊输出卡。
输入来自将物理现象转换为电信号的传感器。以下是相对受欢迎程度的一些传感器的典型示例。
接近开关 - 使用感应、电容或光来逻辑地检测物体。
开关 - 机械机构会为逻辑信号打开或关闭电气触点。
电位器 - 利用电阻连续测量角度位置。
lvdt （ 线性可变差动变压器 ） - 利用磁耦合连续测量线性位移。
plc的输入有几种基本类型，最简单的是ac和dc输入。同样，源极输入和沉极输入也很受欢迎。输出方法规定设备不提供任何电源，而只是像简单开关一样打开或关闭电流。
沉极 - 在活动时，输出允许电流流向公共接地。当供应不同电压时，这是最佳选择。
源极 - 在活动时，电流从电源经过输出设备流向地。当所有设备使用单一供电电压时，最适合使用此方法。这也被称为npn（沉极）和pnp（源极）。pnp更受欢迎。
3.2.1 输入
在较小的plc中，输入通常是内置的，并且在购买plc时进行规定。对于较大的plc，输入是作为模块或卡片购买的，每张卡片上有8或16个相同类型的输入。出于讨论目的，我们将假设所有输入都已购买为卡片。以下列表显示了输入电压的典型范围，大致按照受欢迎程度排列。
12-24 vdc
100-120 vac
10-60 vdc
12-24 vac/dc
5 vdc（ttl）
200-240 vac
48 vdc
24 vac
plc输入卡很少提供电源，这意味着需要外部电源为输入和传感器供电。图3.2中的示例显示了如何连接ac输入卡。
在这个例子中，有两个输入，一个是常开的按钮，第二个是温度开关或热继电器。这两个开关都由24vac电源的热输出供电，类似于直流电源的正极。电源被提供到两个开关的左侧。当开关打开时，电压不会传递到输入卡。如果这两个开关中的任何一个关闭，电源将被提供到输入卡。在这种情况下，使用输入1和3 - 注意输入从0开始。输入卡将这些电压与公共电压进行比较。如果输入电压在给定的容忍范围内，输入将打开。图中显示了输入的梯形逻辑，这里使用了plc-5机架的allen bradley符号。顶部显示了输入卡的位置i:013，表示该卡是机架01槽3中的输入卡。卡上的输入编号显示在接点下方，为01和03。
许多初学者对上述电路中何处需要连接感到困惑。要记住的关键词是电路，这意味着电压必须能够沿完整的回路传递。在图3.2中，我们可以从电源开始沿着电路（回路）进行跟踪。路径通过开关、输入卡，然后回到电源，从那里流回起点。在完整的plc实现中，将有许多必须完整连接的电路。
第二个重要的概念是公共电压。在这里，电源的零线是公共电压或参考电压。实际上，我们选择了这个作为我们的0v参考，所有其他电压都是相对于它来测量的。如果我们有第二个电源，我们还需要连接中性点，以便两个中性点连接到相同的公共电压。公共电压和地线常常会被混淆。公共电压是一个用于0v的参考电压，但地线用于防止触电和设备损坏。地线连接到建筑物下面的地下金属管道或网格。这与建筑物的电气系统连接到电源插座，电气设备的金属外壳连接在一起。当电流通过地线流动时是不好的。不幸的是，许多工程师和制造商混淆了地线和公共电压。经常发现电源地和公共电压被错误标记。
记住 - 不要混淆地线和公共电压。如果你的设备的公共电压与另一个设备上的公共电压相连，不要将地线和公共电压连接在一起。
最后一个容易让初学者困惑的概念是每个输入卡都是隔离的。这意味着如果你只将一个公共电压连接到一张卡上，那么其他卡就没有连接。当发生这种情况时，其他卡将无法正常工作。你必须为每个输出卡连接一个公共电压。
在决定使用哪种类型的输入卡时有很多权衡。
• 直流电压通常较低，因此更安全（例如12-24v）。
• 直流输入非常快，交流输入需要更长的通电时间。例如，60hz的波形可能需要高达1/60秒才能被合理识别。
• 直流电压可以连接到更多种类的电气系统。
• 交流信号对噪声的抵抗力更强，因此适用于长距离和嘈杂（磁性）环境。
• 供电到设备的交流电更容易、更便宜。
• 许多现有的自动化设备中都使用交流信号。
此外：可编程逻辑控制器（plc）的输入必须将各种逻辑电平转换为数据总线上使用的5v直流逻辑电平。这可以通过类似下面所示的电路来实现。基本上，这些电路对输入进行调理以驱动光耦合器。这在电气上隔离了外部电路与内部电路。其他电路元件用于防范过载或反向电压极性。
3.2.2 输出模块
警告 - 请始终检查plc的额定电压和电流，切勿超过规定值！
与输入模块一样，输出模块很少提供任何电源，而是充当开关。外部电源连接到输出卡，卡将为每个输出开关电源。下面列举了典型的输出电压，并按照受欢迎程度进行了粗略排序。
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
这些卡通常有8到16个相同类型的输出，并且可以选择不同的电流等级。购买输出卡时常见的选择有继电器、晶体管或三极管。继电器是最灵活的输出设备。它们能够切换交流和直流输出。但是，它们速度较慢（典型的切换时间为约10毫秒），体积较大，成本较高，并且在数百万个循环后会磨损。继电器输出通常称为干接点。晶体管仅限于直流输出，而三极管则仅限于交流输出。晶体管和三极管输出称为开关输出。
干接点 - 每个输出专用一个独立的继电器。这允许混合电压（交流或直流和最大电压水平），以及隔离输出以保护其他输出和plc。响应时间通常大于10毫秒。这种方法对电压波动和尖峰最不敏感。
开关输出 - 电压供应到plc卡，卡使用固态电路（晶体管、三极管等）将其切换到不同的输出。三极管非常适合于需要低于1a的交流设备。晶体管输出通常使用npn或pnp晶体管，典型的电流为1a以下。它们的响应时间通常低于1毫秒。
此外：plc输出必须将plc数据总线上的5v直流逻辑电平转换为外部电压水平。这可以通过类似下面所示的电路来实现。基本上，这些电路使用光耦合器来切换外部电路。这样可以在电气上隔离外部电气电路和内部电路。其他电路元件用于防止过载或反向电压极性。
备注：一些交流输出也会使用零电压检测。这允许在电压和电流实际上处于关闭状态时打开输出，从而防止突增。
在构建同时具有交流和直流输出的系统时需要谨慎。如果交流电意外连接到直流晶体管输出，它将只在正半周期内打开，并且似乎使用降低的电压工作。如果直流电连接到交流三角输出，它将打开并似乎工作，但您将无法在不关闭整个可编程逻辑控制器的情况下关闭它。
另外：晶体管是一种基于半导体的可调节阀门装置。在关闭状态下，它将阻止双向电流流动。而在打开状态下，它只允许单向电流流动。通常，晶体管上会有几伏的电压损失。三极管类似于将两个可控硅（或想象成晶体管）连接在一起，以便电流可以双向流动，这对于交流电流是有利的。三极管的一个主要区别是，如果它已经打开以使电流流动，然后关闭，它将在电流停止流动之前不会关闭。这对于交流电流来说没问题，因为电流每半个周期停止并反转，但在直流电流中不会发生这种情况，因此三极管将保持打开状态。
输出的一个主要问题是混合电源。隔离所有电源并保持它们的公共端分开是良好的做法，但这并非总是可行。一些输出模块，比如继电器，允许每个输出都有自己的公共端。其他输出卡要求每个卡上的多个或全部输出共享相同的公共端。每个输出卡都将与其他卡隔离，因此每个公共端都必须连接。初学者通常只连接一个卡的公共端，忘记了其他卡 - 然后只有一个卡似乎在工作！
图3.5中显示的输出卡是一个具有共享公共端的24v直流输出卡的示例。这种类型的输出卡通常会使用晶体管作为输出器。
在这个示例中，输出连接到低电流的白炽灯泡（灯）和继电器线圈。考虑通过灯的电路，从24v直流电源开始。当输出07打开时，电流可以流经07到com，从而完成电路，并允许灯打开。如果输出关闭，电流无法流动，灯将无法打开。继电器的输出03以类似的方式连接。当输出03打开时，电流将流经继电器线圈，闭合触点并向电机供应120vac。图中右下角显示了输出的梯形逻辑。表示为allen bradley plc-5的符号。输出顶部左侧的值o:012表示该卡是一个输出卡，位于机架01的机槽2中。在输出的右下角是卡上的输出号03或07。该卡可以应用来自不同源的许多不同电压，但所有电源都需要一个单一的共用端。
图3.6中的电路具有电源、设备、plc卡、电源的顺序。这要求输出卡具有一个共用端。某些输出方案颠倒了设备和plc卡的顺序，因此用电压输入替代了共用端。图3.5中的示例在图3.6中以电压供应卡的形式重复。
在这个示例中，24v直流电源的正端直接连接到输出卡。当输出打开时，电源将供应到该输出。例如，如果输出07打开，则供电电压将输出到灯。电流将流经灯并返回到电源上的公共端。与切换电机的继电器的操作非常相似。请注意，梯形逻辑（显示在图的右下角）与图3.5中的逻辑完全相同。使用这种类型的输出卡只能使用一个电源。
我们还可以使用继电器输出来切换输出。在图3.5和图3.6中显示的示例在图3.7中再次重复，这次是继电器输出。
在这个示例中，24v直流电源直接连接到两个继电器（请注意，这现在需要2个连接，而先前的示例仅需要一个连接）。当输出被激活时，输出将打开，并将电源传递到输出设备。此布局更类似于图3.6，其中输出提供电压，但继电器也可以用于将输出连接到地，就像图3.5中一样。使用继电器输出时，可以使每个输出与下一个输出隔离。继电器输出卡可以同时具有相邻的交流和直流输出。
3.3 继电器
尽管继电器很少用于控制逻辑，但它们仍然对于切换大功率负载至关重要。下面提供了一些关于继电器的重要术语。
接触器（contactor）：用于切换大电流负载的特殊继电器。
电动机起动器（motor starter）：基本上是一个串联有过载继电器的接触器，以在电流过大时切断电源。
扑灭电弧（arc suppression）：当任何继电器打开或关闭时，都会产生电弧。在切换大型继电器时，这会成为一个主要问题。在切换交流负载的继电器上，可以通过在电压降为零时（在负和正之间跨越时）打开继电器来解决这个问题。在切换直流负载时，通过在打开时吹送加压气体来抑制电弧形成，可以最小化这个问题。
交流线圈（ac coils）：如果正常的继电器线圈由交流电驱动，触点将以交流电源的频率振动开闭。通过在继电器上添加罩极，可以克服这个问题。
在选择继电器或plc上的继电器输出时，最重要的考虑因素是额定电流和电压。如果超过额定电压，触点将过早磨损，或者如果电压过高，可能会发生火灾。额定电流是应该使用的最大电流。当超过额定电流时，设备会变得过热，并且会更早地发生故障。通常情况下，额定值会分别针对交流和直流给出，尽管直流的额定值较低。如果使用的实际负载低于额定值，继电器应该能够无限期地正常工作。如果超过一点点，继电器的寿命将相应缩短。显著超过这些值可能导致立即故障和永久性损坏。
额定电压（rated voltage）：用于线圈的建议操作电压。电压过低可能导致无法运行，而过高的电压会缩短使用寿命。
额定电流（rated current）：在发生触点损坏（焊接或熔化）之前的最大电流。
3.4 案例研究
需要为液压压力机设计一个电气布局。该压力机使用一个24v直流双作动电磁阀来推进和收回。该设备具有一个共用端和两根输入线。在一根线上加上24v直流电会导致压力机推进，而在第二根线上加上24v直流电则会导致它收回。压力机由一个需要220vac额定电压、20a的大型液压泵驱动，这应该在压力机运行时持续运行。压力机配备了三个按钮，一个是常闭停止按钮，另一个是常开手动收回按钮，第三个是常开启动自动循环按钮。在压力机行程的顶部和底部都安装有极限开关，这些也必须连接。
输入和输出卡均选择为24v直流，以便它们可以共用单一的24v直流电源。在这种情况下，电磁阀直接连接到输出卡，而液压泵间接使用继电器连接（为简单起见，只显示了线圈）。这个决定主要是因为液压泵需要的电流超过了任何plc可以处理的范围，但是购买和安装继电器来处理这个负载相对较容易。所有的输入开关都连接到相同的电源和输入端。
3.5 电气布线图
在设计和构建控制柜时，通常使用梯形图来记录电气布线。图3.9显示了一个基本的布线图。在这个例子中，系统将在左右两个导轨上供电（120vac或220vac）。这些图表的线被编号，通常在构建电气系统时使用这些编号为电线编号。在线010之前的开关是整个系统电源的主断开开关。在线断开后使用保险丝限制系统的最大电流。图表的线020用于控制系统输出的电源。停止按钮通常是闭合的，而启动按钮通常是打开的。横梁的分支和输出是cr1，这是一个主控继电器。plc在图表的线30上接收电源。
plc的输入全部是交流的，分别显示在图表的线040到070上。请注意，输入i:0/0是mcr cr1上的一组触点。另外三个输入是一个常开按钮（线050），一个限位开关（060）和一个常闭按钮（070）。在线080之后，mcr cr1可以向输出供电。这些输出用于控制plc的继电器输出，以控制红色指示灯（040），绿色指示灯（050），电磁阀（060）和另一个继电器（080）。线080上的继电器控制着打开另一设备——钻床站。
在布线图中，选择通常关闭的停止按钮和通常打开的启动按钮是有意为之的。考虑图表中的线020。如果按下停止按钮，它将打开开关，电源将无法流向控制继电器，输出电源将关闭。如果停止按钮损坏，比如由于电线脱落，电源也会丧失，系统将安全关闭。如果使用的停止按钮是常开的，而发生了这种情况，系统将在停止按钮无法关闭电源的情况下继续运行。现在考虑启动按钮。如果按钮损坏，比如电线断开，它将无法启动系统，从而使系统未启动且安全。总之，所有停止系统的按钮都应该是常闭的，而所有启动系统的按钮都应该是常开的。
3.5.1 jic布线符号
为了标准化电气原理图，联合国际委员会（jic）制定了相应的符号，这些符号显示在图3.10、图3.11和图3.12中。
3.6 总结
• plc输入对交流或直流输入进行调理，以便被plc的逻辑检测。
• 输出设备有晶体管（直流）、三叉闸（交流）或继电器（交流和直流）。
• 输入和输出地址取决于卡的位置和输入位号。
• 电气系统原理图以类似梯形逻辑的图表形式进行记录。
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