PLC的输入/输出(I/O)功能（一）——离散型模块

  每个PLC都必须具有某种方式来接收和解析来自现实世界传感器（例如开关和编码器）的信号，并且还必须能够对现实世界中的控制元件（例如螺线管、阀门和电机）进行控制。这通常称为输入/输出或I/O能力。整体式PLC 在单元中内置了固定数量的 I/O ，而模块化（“机架”）PLC 使用单独的电路板“卡”来提供定制的 I/O 功能。

使用可更换 I/O 卡而不是整片 PLC 设计的优点很多。首先，也是最明显的是，在发生故障时可以轻松更换单个 I/O 卡，而无需更换整个 PLC。可以为应用选择特定的 I/O 卡，对于使用许多开/关输入和输出的应用，偏向于离散卡，或者对于使用许多 4-20 mA 和类似信号的应用，偏向于模拟卡。一些PLC IO卡提供热插拔功能，这意味着可以移除每张卡并插入新卡，而无需切断 PLC 处理器和机架的电源。请注意，不应假设任何系统都具有热插拔功能，因为如果您尝试在没有此功能的系统中“实时”更换卡，您将面临损坏卡或单元其余部分的风险。

一些 PLC 能够连接到装有额外 I/O 卡或模块的无处理器远程机架，从而提供了一种增加 I/O 通道数量超出基本单元容量的方法。从主机 PLC 到远程 I/O 机架的连接通常采用特殊数字网络的形式，它可能跨越很长的物理距离：

系统扩展的另一种方案是将多个 PLC 联网在一起，其中每个 PLC 都有自己的专用机架和处理器。通过使用通信指令，一个 PLC 可以被编程为从另一个 PLC 读取数据或向另一个 PLC 写入数据，有效地使用另一个 PLC 作为其自己的 I/O 的扩展。虽然这种方法比远程 I/O（远程机架缺少自己的专用处理器）更昂贵，但它提供了在 PLC 处理器之间的网络连接断开的情况下独立控制的能力。

可编程逻辑控制器的输入/输出能力分为三种基本类型：离散、模拟和网络；以下小节中讨论的每种类型。

离散 I/O

“离散”数据点是只有on和off两种状态的数据点。过程开关、按钮开关、限位开关和接近开关都是离散传感设备的示例。为了让 PLC 获取离散传感器的状态，它必须通过离散输入通道从传感器接收信号。在每个离散输入内部，一个模块（通常）是一组发光二极管 (LED)，当相应的传感设备打开时，它们就会通电。每个 LED 发出的光照射到光敏设备上，例如模块内的光电晶体管，这反过来又激活了一个位（数字数据的单个元素）在 PLC 的内存中。这种光耦合布置使 PLC 的每个输入通道都相当可靠，能够将 PLC 的敏感计算机电路与瞬态电压“尖峰”和其他可能造成损坏的电气现象隔离开来：

上面显示的离散输入模块（“卡”）的内部示意图显示了该卡上单个输入通道的典型组件。每个输入通道都有自己的光耦合器，写入 PLC 内存中自己独特的内存寄存器位。PLC 的离散输入卡通常有 4、8、16 或 32 个通道。

指示灯、电磁阀和电机启动器（由接触器和过载保护装置组成的组件）都是离散控制装置的例子。以类似于离散输入的方式，PLC 通过离散输出通道连接到任意数量的不同离散最终控制设备。离散输出模块通常使用相同形式的光隔离，以允许 PLC 的计算机电路向负载发送电力：内部 PLC 电路驱动 LED，然后激活某种形式的光敏开关设备。或者，可以使用小型机电继电器来代替光隔离半导体开关元件，例如晶体管 (DC) 或 TRIAC (AC)：

与前面显示的离散输入模块的示意图一样，此处显示的离散输出模块的示意图显示了该卡上单个通道的典型组件。每个输出通道都有自己的光耦合器，由 PLC 内存中自己独特的内存寄存器位驱动。PLC 的离散输出卡通常也有 4、8、16 或 32 个通道。

使用 DC 离散 I/O 时要掌握的一个重要概念是源型和漏型（也称汇）之间的区别。术语“源”和“漏”是指电流（如传统的流动符号表示）流入或流出设备控制线的方向。从其控制端子向其他一些设备发送（常规流）电流的设备被称为源型，而将（常规流）电流进入其控制端子的设备被称为漏型。

为了说明，下图显示了 PLC 输出通道正在向指示灯提供电流，而指示灯正在向地面漏电流：

这些术语只有在从传统流动的角度来看电流时才有意义，其中直流电源的正极端子被设想为电流的“源”，电流“漏”到地（直流电源的负极）。在由 PLC 的输出通道驱动分立控制设备或由分立传感设备驱动 PLC 上的输入通道形成的每个电路中，电路中的一个元件必须是源电流，而另一个元件是漏电流。

我的一位工程同事有一种迷人的方式来描述源型和漏型：吹和吸。向另一个设备提供电流的设备会向另一个设备“吹”电流。吸收电流的设备从另一个设备“吸收”电流。许多学生似乎发现这些有助于首先掌握源型和漏型之间的区别，尽管它们是非正式的。

如果连接到 PLC 的离散设备对极性不敏感，则任何一种类型的 PLC I/O 模块都足够了。例如，下图显示了连接到漏型 PLC 输入和源型 PLC 输入的机械限位开关：

注意漏型卡的公共端和源型卡的公共端在极性和标签上的差异。在“漏型”卡上，输入通道端子为正极，而公共（“Com”）端子为负极。在“源”卡上，输入通道端子为负极，而公共（“VDC”）端子为正极。

一些分立传感设备对极性敏感，例如包含晶体管输出的电子接近传感器。“源”接近开关只能与“漏”PLC 输入通道接口，反之亦然：

在所有情况下，“源”设备从其信号端子输出电流，而“漏”设备将电流输入其信号端子。

此处显示了 Allen-Bradley 型号 SLC 500 PLC 的 DC（漏极）离散输入模块的照片：打开塑料盖以查看端子。盖子内侧的图例显示了每个螺钉端子的用途：八个输入通道（编号 0 到 7）和两个冗余“DC Com”端子，用于连接直流电源的负极：

几乎每个 PLC 离散量 I/O 模块的标准功能是一组 LED 指示灯，可直观地指示每个位（离散量通道）的状态。在 SLC 500 模块上，LED 显示为靠近模块顶部的八个带编号的正方形簇。

另一个品牌的 PLC（Koyo 型号 DL06）上的离散输出端子的照片显示了一些不同的标签：

在此，每个输出通道端子都用以字母“Y”开头的字母/数字代码指定。几个标有“C”代码的“通用”终端服务于输出通道集群。在这种特殊情况下，每个“公共”终端仅对四个输出通道通用。该 PLC 上共有 16 个输出通道，这意味着有四个不同的“通用”端子。虽然这可能看起来有些奇怪（为什么不为所有 16 个输出通道设置一个“公共”端子？），但它更容易允许不同的直流电源为不同的输出通道组提供服务。

AC 离散 I/O 的极性不是问题，因为 AC 的极性无论如何都会周期性地反转。但是，仍然存在分立 PLC 模块上的“公共”端子是连接到中性（接地）还是（未接地）交流电源导体的问题。

下一张照片显示了用于 Allen-Bradley SLC 500 PLC 的离散 AC 输出模块，使用 TRIAC 作为电源开关设备，而不是像 DC 离散输出模块通常使用的晶体管：

这种特殊的八通道模块提供两组 TRIAC，用于为交流负载切换电源，每组四个 TRIAC 从“热”端子（VAC 1 或 VAC 2）接收交流电源，负载设备的另一侧连接到交流电源的“中性”（接地）导体。

每个 PLC 制造商提供的硬件参考手册都显示了如何将离散输入和输出通道连接到现场设备的图表。在将设备连接到 PLC 的 I/O 点之前，应始终查阅这些图表！