0.3 输入/输出接线图的设计

在设计PLC梯形图之前，应先设计输入/输出接线图，这一点有很多人不太关注，有些人认为梯形图和输入/输出接线图关系不大，可以分开设计，这是不对的。

下面通过一些简单的实例说明PLC输入/输出接线图的设计。

例1 将图0-1所示的两个地点控制一台电动机的控制电路改为PLC控制。

解：图0-1电路中有两个启动按钮，两个停止按钮和一个热继电器常闭接点，共有5个输入量。1个输出量为接触器线圈。将输入接点全部以常开接点的形式接在PLC的输入端上，将输出元件接在PLC的输出端上。将控制电路图0-1改为PLC控制的梯形图和PLC接线图，如图0-2所示。

1．输入接线图的设计

上述例1是将一般控制电路转换成PLC控制，但是大多数情况下，PLC的控制设计是根据控制要求来设计的。

输入电路中最常用的输入元件有按钮、限位开关、无触点接近开关、普通开关、选择开关、各种继电器接点等。另外，常用的输入元件还有数字开关（也叫拨码开关、拨盘），旋转编码器和各种传感器等。

在输入接线图的设计时应考虑输入接点的合理使用，下面介绍节省输入点的几种方法。

1）梯形图中串并联接点外接法

在图0-2中用了5个输入继电器，将梯形图中的X0、X1并联接点移至PLC输入端，将X2、X3、X4串联接点移至PLC输入端，如图0-3（a）所示，就减少了输入点数。对应的梯形图如图0-3（b）所示。

为了便于读者理解，本书实例中的输入接点一般采用常开接点。值得注意的是，对于停止按钮和起保护作用的输入接点应采用常闭接点。这是因为，如果采用常开接点，一旦接点损坏不能闭合，或断线电路不通，人们一般不易察觉，设备将不能及时停止，可能造成设备损坏或危及人身安全。

根据下列公式可将图0-3（a）所示常开接点变成常闭接点：

图0-3（a）所示输入接点由常开接点改为常闭接点的同时，梯形图中对应的接点也要相应取反（即常开接点改为常闭接点，常闭接点改为常开接点），如图0-3（c）、（d）所示。

2）局部电路外移法

详情请看“实例102绕线型电动机转子串电阻时间原则启动控制”。该实例是将原电路中的部分电路直接移至PLC的输入端，使多个输入接点共占用了一个输入继电器。

该实例还阐述了一个重要问题，就是并非所有的常规控制电路都可以直接转换成PLC控制梯形图，特别是电路中的互锁和联锁，往往要通过PLC外部硬接线才能实现。

3）编码输入法

编码输入是将多个输入继电器的组合作为输入信号，n个输入继电器有2n种组合，可以用n位二进制数表示，这种输入方法可以最大限度地利用输入点，一般需要梯形图译码。如图0-4所示，输入继电器X0、X1有4种组合（即2位二进制数00、01、10、11），用M0～M3表示，相当于4个输入信号。例如，开关在2位置，X1、X0=10，梯形图中M2线圈得电。

图0-5所示为使用按钮的编码输入，其原理和图0-4中的原理基本一样。

4）矩阵输入法

图0-6所示为3行2列输入矩阵，这种接线一般常用于有多种输入操作方式的场合。例如，图中的选择开关SA打在左边，则执行手动操作方式，用按钮进行输入操作；开关打在右边，则执行自动操作方式，由系统接点进行自动控制。

如“实例82矩阵输入”，由8点输入和8点晶体管输出，获得64点输入。

5）编程输入法

图0-7所示为用编程的方式组成的输入电路。输入按钮SB相当于一个10挡位的选择开关，初始位置为M20线圈得电，M20=1，接点闭合。

工作原理如下：

按下按钮SB, X1接通一次，SFTL指令执行一次左移，将M20的值“1”左移到M21中，使M21=1, M21的常闭接点断开，M20线圈失电，M20=0。

再按动按钮SB, SFTL指令又执行一次左移，将M21的值“1”左移到M22中，使M22=1, M22的常闭接点断开，M20线圈仍失电。

每按动一次按钮SB, SFTL指令执行一次左移。每次只有1个继电器M=1，使M20～M29这10个继电器的接点依次轮流闭合，相当于一个10挡位的选择开关。

用编程的方法可以实现多种多样的输入方式和控制方式，关键在于灵活地应用各种基本逻辑指令和功能指令。

本书中“实例1用一个按钮控制三组灯”、“实 例2用一个开关控制三个照明灯”、“实例57选择开关”和“实例58选择开关控制3台电动机顺序启动，逆序停止”等就是采用了编程输入法。

6）一个按钮多用法

例如，“例2星形—三角形降压启动PLC控制图”、“实例23电动机软启动停止控制”和“实例51用一个按钮定时预警启动停止控制”等，其控制按钮SB既是启动按钮又是停止按钮。

2．输出接线图的设计

PLC输出电路中常用的输出元件有各种继电器、接触器、电磁阀、信号灯、报警器、发光二极管等。

PLC输出电路采用直流电源时，对于感性负载，应反向并联二极管，否则接点的寿命会显著下降，二极管的反向耐压应大于负载电压的5～10倍，正向电流大于负载电流。

PLC输出电路采用交流电源时，对于感性负载，应并联阻容吸收器（由一个0.1µF电容器和一个100～120Ω电阻串联而成），以保护接点的寿命。

PLC输出电路无内置熔断器，当负载短路等故障发生时将损坏输出元件。为了防止输出元件损坏，在输出电源中串接一个5～10A的熔断器，如图0-8所示。

为了突出重点，本书中继电器、接触器未加反向并联二极管和阻容吸收器。

在输出接线图的设计时应考虑输出继电器的合理使用，下面介绍节省PLC输出点的几种方法。

1）利用控制电路的逻辑关系节省输出点

如图0-9所示，根据图0-9（a）梯形图1的逻辑关系，对应的PLC接线图如图0-9（b）所示，需要三个输出继电器。利用控制电路的逻辑关系将其改为如图0-9（c）、（d）所示，则只需要两个输出继电器。

2）利用控制电路的输出特点节省输出点

例2 三相异步电动机星形—三角形降压启动PLC控制。

解：星形—三角形降压启动PLC控制电路一般需用2点输入（一个启动按钮，一个停止按钮）,3点输出（接触器KM1～KM3）。利用控制电路的输出特点，考虑到星形启动接触器KM2只是在启动时用一下，可以和KM1共用一个输出点Y1。SB既做启动按钮又做停止按钮。这样，在图0-10所示的星形—三角形降压启动PLC控制电路中只用了1点输入，2点输出。

（a）星形—三角形启动主电路（b）星形—三角形启动PLC接线图（c）星形—三角形启动梯形图

3）矩阵输出

例如，实例28为5行8列LED矩阵依次发光控制，使用了13点输出，用40个发光二极管，可用于显示40种工作状态。

图0-11所示为工业袋式除尘器的部分PLC控制电路。该除尘器有4个除尘室，当除尘器开始工作时，1～4室依次轮流卸灰，每室卸灰时间为20s，卸灰完毕后启动反吹风机，3s后，1～4室再依次轮流清灰，每室清灰时间为15s，结束后，再反复执行上述过程。

每个除尘室分别有两个输出量，一个为卸灰，一个为清灰，4个除尘室需用8个输出量，需要占用8个输出继电器。但是从分析除尘的工作过程可以知道，这8个输出量并不是同时工作的，而是分为卸灰和清灰两个时间段。这样可以考虑用4个输出继电器Y1～Y4先依次控制1～4室的卸灰，卸灰结束后由反吹风输出继电器Y0将卸灰继电器K1～K4断开，并接通清灰继电器K5～K8，由输出继电器Y1～Y4再依次控制1～4室的清灰，这样就可以节省近一半的输出继电器。

这个电路实际上是一个4行2列的输出矩阵，采用直流电源和直流继电器，图0-11中的二极管用于防止产生寄生回路。

4）外部译码输出

用七段码译码指令SEGD，可以直接驱动一个七段数码管，十分方便。电路也比较简单，但需要7个输出端。若采用在输出端外部译码，则可减少输出端的数量。外部译码的方法很多，如用七段码分时显示指令SEGL可以用12点输出控制8个七段数码管等。

图0-12所示为用集成电路4511组成的1位BCD译码驱动电路，只用了4点输出。如果显示值小于8可用3点输出，显示值小于4可用2点输出。