第四章与PLC输入输出模块连接的设备

第4章与PLC输入输出模块连接的设备目标：讨论基本的开/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、选择开关和限位开关。了解电位计、线性微分转换器（LTVT）、热电偶和各种其他的变换器与传感器。描述电机及其启动器的PLC输出控制。了解输出设备，如继电器、电磁阀、气压和液压缸等。描述步进电机和伺服电机的操作过程。14.1概述这一章将介绍一些与工业PLC系统相连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4个部分，分别为输入开关设备、模拟输入设备、输出开关设备和模拟输出设备。24.2输入开关设备

与PLC的输入模块连接的开关类型:

3MNA.NOSPSTMNB.NCSPSTMNC.SPDTOMND.DPSTPOH.NONMI.NCNMMNE.DPDTOQRMNF.Spring-returnSPSTMNG.CenterOFFSPDTCOMNOPJ.SPDTMNOPQRSTK.StackedSPDT前7个是触发开关后4个是按钮开关4输入开关设备一些大写字母的意思

字母组合含义字母组合含义NO常开（非激励状态下）SPDT单刀双掷NC常闭（非激励状态下）DPST双刀单掷SPST单刀单掷DPDT双刀双掷5另一种PLC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、凸轮或其他设备碰撞移位后，电气触点将从NO转为NC或从NC转为NO。侧边滚轮限位开关

滑轮杆限位开关

重载限制开关

抖动激励杆触发限位开关

6其他通用的PLC输入的开关设备其他通用的PLC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：压力开关 位置开关液位开关 光电系统霍尔设备 感应开关磁敏开关74.3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PLC的适当的输入模块。与这些模拟输入设备相对应的PLC输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，可以让滑动触点沿碳素体移动。滑动触点移动时，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。转轴（控制弧刷臂的位置）滑动触点绝缘体碳材料外观图内部构造碳材料8

电位计同PLC的电气连接如图4.4(b)所示。如果PLC的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PLC输入模块之间就要加电压转换器或放大器。图4.4(c)给出了碳式和绕线式电位计的特征比较。至输入模块或电压转换器电位计碳式电位计 线绕式电位计可达100mΩ 有限值,可达1kΩ低增益和低电能高增益和高电能连续性好 按小步长输出可以是非线性线性低成本 成本高需要时效处理无需时效处理有烧灼斑点 可能没有烧灼斑点9可变线性微分变换器（LVDT）如图4.5所示。随着磁线圈的线性移动，LVDT的AC输出跟着变化，同时其输出电压Vout也会变化。LVDT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PLC输入模块能用于给PLC处理器输入位置信息。(a)(b)(c)(d)(e)二次绕线1输入电压一次绕线二次绕线2可移动磁芯绕线电压1一次绕线绕线电压2大移位小移位大移位小移位Vin12移动VoutVinVoutVinVinVoutVout10

常常需要用热电偶来为PLC提供控制过程的温度输入信号。热电偶的基本形式见图4.6。热电偶的输出电压信号Vm需要经过转换处理后再传给PLC输入模块。标准热电偶的特性如图4.7所示。高温低温连接口（将线扭曲、一般焊接或对焊）灵敏电压计铜线环境温度上升时R3电阻减少可变低温高温低温高温低温高温金属A金属B(a)金属A金属B(b)VMVM金属A金属BABVMR2R3R1R4(c)(d)11

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种主要类型是：热、光、磁和机械电子式。图4.8是对本章讨论的变换器和传感器操作特性的简单总结。名称操作原理优点缺点热变换器电热调整器电阻与温度按反方向变化名义电阻大电阻变化范围大价格便宜测量速度快非线性温度测量范围窄需要电源自发热电阻式温度检测器电阻与温度同方向变化电阻线性变化稳定性好精度高价格昂贵电阻变化范围小需要电源热电偶电压或电流与温度成正比输出近似线性温度范围广可在高温使用自供电低输出敏感性差需要参考电压12名称操作原理优点缺点温度传感器IC温度传感器电压或电流与绝对温度在数字上等效线性输出体积小价格便宜测量速度快测量范围窄低输出温度变送器接受热电偶或RTD的输入，输出电流与温度成正比线性输出可远程测量只接受热电偶或RTD的输入光学高温计将红外光聚集在IC温度传感器的探头，输出电流与温度成正比线性输出可在高温使用非接触测量价格昂贵13名称操作原理优点缺点光学变换器光敏传感器电阻与电磁辐射（EMR）的密度相反电阻变化范围大响应慢需要电源对温度敏感光电传感器将EMR转化为电流，电流与EMR密度成正比自供能源测量速度快低输出需要外部电源光敏三极管将EMR转化为电流并注入基极，该设备与典型晶体管有同样的响应敏感性好高输出测量速度快需要外部电源14名称操作原理优点缺点光学传感方式对置式传感ERM光束直接从发射器到接收器，光束受阻时目标被检测感知范围长发射器到接收器必须精确调整且二者要分离回射式传感ERM光束直接从发射器到反射器，再回到接收器，光束受阻时目标被检测发射器和接收器必须放在相同单元里感知范围限制在30英尺，需要远距离反射器扩散式传感ERM光束射向作为反射器的被感知物体，光束反射回接收器后物体被检测发射器和接收器必须放在相同单元里，无须反射器感知范围限制在10英尺，被感知物体必须具有反射性15名称操作原理优点缺点磁场变换器感应式磁场和线圈的相对运动在线圈中产生电压不需要电源只检测运动磁阻式靠近低磁阻物体改变其附近磁场，在线圈中产生电压不需要电源只检测运动霍耳效应式产生与磁场强度成正比的电压感知静态磁场价格低廉需要外部电源16名称操作原理优点缺点机电变换器限位开关根据执行器的位置使触点保持和断开通常不需要外部电源，形式多样必须与被检测目标接触电位计轴运转时电刷与终端之间的电阻（或电压）发生变化耐用需要外部电源需要某种啮合和连接金属丝应力计压缩和拉伸时应力改变耐用需要外部电源测量系数低半导体应力计压缩和拉伸时应力改变测量系数高需要外部电源17流体传感器涡轮式流体经过涡轮使叶轮旋转，转动情况通过磁力传感器检测相对便宜流体流动受阻涡流式流体流经旋涡脱落处，产生向下的旋涡，合成的振动被压电传感器检测到移动部少精度高价格高流体流动受阻传热式探头加热到常温，传感器测量冷却速度，它与流速成正比无移动部件，相对便宜响应慢流体流动受阻流体必须具有热传导性超声式声能以一定频率自下而上传到流体，返回的频率与流速成正比无移动部件，可通过管壁检测，流体不受阻非常昂贵磁场式流体通过磁场产生与流量成正比的电压无移动部件，相对便宜，流体不受阻流体必须具有导电性18液位传感器浮动式液位上升，浮子也上升，使磁力或机械开关动作价格便宜只能测量液体传导式探头液体上升接触到探头，在输出端产生电流无移动部件，价格便宜只能测量液体，流体必须具有导电性超声接触式声能直接通过一缝隙到达接收器，缝隙中的流体完成传输过程无移动部件，能检测任何流体价格高超声非接触式声能通过传输表面检测，返回时间取决于表面离检测点的距离无移动部件，不需要接触表面，能检测绝对高度价格昂贵接近式振荡器频率改变指示目标的临近，当其改变频率时，产生输出无移动部件测量范围限制在10cm194.4输出开关设备

PLC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4.9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，如火炉中的气体控制阀。机械负载能力随电磁阀的尺寸而不同，一般从1盎司到100磅①。

①1盎司28.35g，1磅453.59g。20活塞至执行机构上端下端电气接线端弹簧框架线圈(b)电磁阀执行机构剖面图21

电磁阀的另一种用途是方向控制，图4.10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。它使用了两个电磁阀，当一个电磁阀动作时，阀打开，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。电磁阀指示灯电磁阀安装面板阀体22剖面图磁铁托架线圈磁铁推杆执行器聚丙烯酸填料磁铁铜接线端子接触杆外壳分叉可移动触点齿状静止触点拉杆红色指示器护罩护罩MTG螺栓杆件末端螺栓后盖板MTG螺栓后盖板壳体线圈端子基座上部槽形孔图4.11显示了一种机械电子式继电器，这是另一种由PLC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，使触点打开和关闭，这些触点控制其他的电路。23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比，使用继电器的好处是：（1）继电器能够控制多个线路，可以是NO，也可以是NC；（2）继电器接触电路在电气上与输出模块电路隔离；（3）与输出模块相比，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称为接触器。244.5模拟输出设备

有许多类型的电气设备可由PLC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4.15）和伺服电机（见图4.16）。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的角度。每个脉冲/步进的角度（例如，2.5°、1°等）取决于步进电机的型号。有一种微步进电机，各步之间还有中间位置，这取决于相邻电极之间的信号相对强度。步进电机的旋转运动通过不同的机械传动机构转换为直线运动，从而实现定位功能。25图4.15步进电机［(a)两种不同型号步进电机及其控制器，大电机的直径大约为4.2in，小电机的直径大约为2.3in；(b)永磁步进电机剖面图（ParkerCompumotor分部授权）］(b)输出轴固定杯B固定杯A电机线圈A线圈B(a)26

伺服电机如图4.16所示。伺服电机不是按步旋转的，而是连