2.2 PLC电路设计
2.2.1 DI/DO接口电路
PLC的基本功能是开关量逻辑顺序控制，其输入/输出信号以开关量输入/输出（简称DI/DO）为主，因此，电路设计侧重于DI/DO连接。需要说明的是，DI/DO实际上是英文data inputs/data outputs的缩写，其直译应为数字输入/数字输出，但是，为了避免与中文的“十进制数字”混淆，本书均使用开关量输入/输出的名称。
PLC的电路设计非常简单，电气设计时，只需要根据PLC的DI/DO的连接方式及接口电路，正确连接外部输入/输出信号，便可保证系统正常工作。DC24V输入/输出是PLC的标准连接方式，其接口电路原理和信号连接方式如下。
（1）DI接口电路与连接
PLC的DI接口电路原理如图2.2.1所示，DI信号的标准输入电压为DC24V。为了提高系统的可靠性和输入抗干扰能力，输入接口电路一般都采用光电耦合器件（optical coupler，简称光耦）进行电隔离与电压转换，并设计有RC滤波、状态指示、稳压等辅助电路，因此，输入信号通常有数毫秒（ms）的延时。
图2.2.1 DI接口电路原理
PLC的DI接口电路所使用的光耦为电流驱动。一般而言，DI的最大工作电流通常为20mA左右，当输入电流大于3.5mA时，光敏三极管便可饱和导通，PLC的输入状态成为“1”；当输入电流小于1.5mA时，光敏三极管便能截止、PLC的输入状态成为“0”。因此，为了保证接口电路的可靠工作，通常将DI信号ON时的输入电流设计为1～5mA。
在图2.2.1所示的接口电路上，DI信号既可从发光二极管的负极连接端B输入，也可从发光二极管的正极连接端A输入。
当DI信号从连接端B输入时，输入驱动电流将从PLC流向外部，然后，在外部“汇总”后返回PLC，形成电流回路，这样的连接方式称为“汇点输入”；形象地说，输入驱动电流是从PLC输入点向外部“泄漏”，故又称“漏形输入（sink input）”。
当DI信号从连接端A输入时，所有DI信号的连接端B可并联为公共端，电流从输入端流入PLC后，通过公共端B返回外部电源，采用这种连接方式时，DI信号需要带输入驱动电源，因此，称为“源输入（source input）”连接方式。
为了便于用户选择，PLC的输入接口电路有时使用图2.2.2所示的双向光耦器件，这样的接口电路既可如图2.2.2（a）所示，连接成汇点输入方式，也能按图2.2.2（b）所示，连接成源输入，故称为“汇点/源输入”通用输入连接方式。
图2.2.2 汇点/源通用输入连接
（2）DO接口电路与连接
PLC的DO输出形式主要有继电器触点输出、双向晶闸管输出、晶体管输出3类。
继电器触点输出既可连接直流负载，也能连接交流负载，且驱动能力较强，因此，在通用PLC上使用相当普遍。但是，由于继电器触点存在接触电阻和压降，因此，一般不能用于DC12V/3mA以下的小电流、低电压电子信号驱动。此外，继电器的体积较大、动作时间较长、使用寿命较短，因此，通常也不能用来驱动频繁通断的负载。
双向晶闸管输出也具有交、直流通用的优点，相对于继电器而言，其体积较小、动作时间较短、使用寿命较长，因此，多用于开关频率高的交流感性负载驱动。
继电器触点输出、双向晶闸管输出的连接方法与普通继电器触点并无区别，并且在数控系统集成PMC上的使用极少，本书不再对其进行详细介绍。
晶体管输出具有速度快、体积小、寿命长、成本低等诸多优点，但它只能用于直流负载驱动，且驱动能力较小，因此，被广泛用于电子信号驱动；数控系统集成PMC的DO输出一般都为集电极开路晶体管输出。
PLC的晶体管输出有图2.2.3所示的NPN集电极开路型输出和PNP集电极开路型输出两种，图中的三极管在实际PLC上可能为MOS或其他器件。
图2.2.3（a）为NPN晶体管集电极开路型输出接口电路原理图。连接端L-为输出公共端，应与负载驱动电源的L-（0V）端连接；Q为DO输出负载连接端，Q端与PLC的+24V电源间呈隔离状态。当PLC输出为“1”时，晶体管饱和导通，DO输出端Q与公共端L-接通，负载驱动电流可从输出端Q流入PLC、从公共端L-返回驱动电源，形成电流回路。
图2.2.3 晶体管集电极开路型输出
图2.2.3（b）为PNP晶体管集电极开路型输出电路原理图。连接端L+（+24V）为输出公共端，应与负载驱动电源的DC24V端连接；Q为DO输出负载连接端，Q端与PLC的0V间呈隔离状态。当PLC输出为“1”时，晶体管饱和导通，DO输出端Q与公共端L+接通，负载驱动电流可从公共端L+流入PLC，由输出端Q返回驱动电源，形成电流回路。
2.2.2 汇点输入连接
（1）触点信号连接
PLC的直流汇点输入与按钮、开关、接触器及继电器等机械触点的连接电路如图2.2.4所示，输入触点的一端与DI输入端连接，另一端汇总后连接到PLC的0V公共端COM（L-），DI输入驱动电源通常由PLC提供。
图2.2.4 汇点输入连接
汇点输入的原理如图2.2.5所示，输入驱动电源一般由PLC提供，输入限流电阻通常为3.3～4.7kΩ。由图可见，当输入触点K2闭合时，PLC的DC24V与0V（COM）间可通过光耦（发光二极管）、限流电阻、输入触点K2、公共端COM（0V）形成回路，光敏管饱和导通，PLC输入状态为“1”。
图2.2.5 汇点输入原理
汇点输入的优点是连接简单，且不需要外部提供输入驱动电源，因此，日本生产的各类控制装置大多采用汇点输入连接方式；其缺点是如果PLC的输入连接线出现对地短路故障，PLC可能会有错误的“1”信号输入，从而导致程序执行错误，引起设备的误动作。
（2）无触点信号连接
接近开关、温控器、变频器等控制器件及装置的输出信号，通常为晶体管集电极开路输出的无触点信号，这些信号作为PLC输入连接时，需要根据信号的输出形式及PLC的输入连接方式，进行正确的连接。
①NPN集电极开路信号。输出为NPN晶体管集电极开路驱动的无触点信号作为PLC输入时，可直接与采用汇点输入的DI连接端进行图2.2.6所示的连接；接近开关、温控开关等无源器件的电源也可由PLC提供。
图2.2.6 NPN集电极开路信号的汇点输入
PLC对输入装置的信号输出驱动能力要求为：
式中 Iout——信号输出驱动能力，mA；
Ve——输入电源电压，V；
Ri——限流电阻，kΩ。
对于DC24V汇点输入标准电路，Ve=24V，Ri=3.3kΩ，可得到PLC对输入装置的信号输出驱动能力要求为Iout≥7mA。
②PNP集电极开路信号。PNP集电极开路输出驱动的信号作为PLC输入信号时，不能与汇点输入DI连接端直接连接，它必须经过转换才能连接到汇点输入DI连接端。作为最简单方法的转换方法，可在PLC的DI连接端与0V公共线COM间，增加一个图2.2.7所示的输入电阻R（俗称下拉电阻），为DI输入驱动电流提供回路。
图2.2.7 PNP集电极开路信号的汇点输入
增加输入电阻后，PLC的输入状态将与输入信号的状态相反。因为，当输入装置的输出信号ON时，其输出电压为+24V，DI输入光耦的发光二极管不能产生驱动电流，因此，PLC的输入状态为“0”；但是，当输入装置的输出信号OFF时，DI输入光耦的发光二极管可通过限流电阻、输入电阻、公共端COM形成回路，PLC的输入状态为“1”。
输入电阻R的阻值可根据PLC的输入驱动电流、限流电阻值计算确定，如取光耦发光二极管的导通压降为0.7V，其计算式如下：
式中 R——输入电阻，kΩ；
Ve——输入电源电压，V；
Ii——DI输入工作电流，mA，工作电流必须大于DI信号ON的最小输入电流；
Ri——限流电阻，kΩ。
例如，对于DC24V汇点输入标准电路，Ve=24V、Ri=3.3kΩ，如取Ii=5mA，计算得到的输入电阻为R=1.36kΩ，故可取R=1.2kΩ等标准阻值。
DI输入端增加输入电阻后，输入电阻将成为信号输入装置的工作负载，因此，对输入装置的信号输出驱动能力要求将变为：
式中 Iout——信号输出驱动能力，mA；
Ve——输入电源电压，V；
R——输入电阻，kΩ。
对于DC24V汇点输入标准电路，Ve=24V，Ri=3.3kΩ，如取输入电阻R=1.2kΩ，可得到输入装置的信号输出驱动能力要求为Iout≥20mA。
2.2.3 源输入连接
（1）触点信号连接
PLC的源输入与按钮、开关、接触器及继电器等机械触点的连接电路如图2.2.8所示，输入触点的一端与DI输入端连接，另一端汇总后连接到输入电源+24V公共端L+；DI输入驱动电源一般由外部提供，输入驱动电源的0V端L-必须与PLC的0V端连接，以形成电流回路。
图2.2.8 源输入连接
源输入的接口电路原理如图2.2.9所示，输入驱动电源一般由外部提供，输入限流电阻通常为3.3～4.7kΩ。由图可见，当输入触点K2闭合时，输入驱动电源可通过输入触点K2、限流电阻、光耦（发光二极管）、PLC的0V端，形成电流回路，光敏三极管饱和导通，PLC输入状态为“1”。
图2.2.9 源输入接口电路原理
源输入是欧美国家常用的输入连接方式。采用源输入连接时，即使DI输入连接线出现对地短路或断开故障，都不会导致PLC出现错误的“1”信号输入，因此，其可靠性相对较高；但其输入驱动电源通常需要外部选配，系统稍有提高。
（2）无触点信号连接
①PNP集电极开路信号。输出为PNP晶体管集电极开路驱动的无触点信号作为PLC输入时，可直接与采用源输入的DI连接端进行图2.2.10所示的连接；接近开关、温控开关等无源器件的电源也可由PLC提供。
图2.2.10 PNP集电极开路信号的源输入
PLC对输入装置的信号输出驱动能力要求与汇点输入相同，对于DC24V汇点输入标准电路，要求Iout≥7mA。
②NPN集电极开路信号。NPN集电极开路输出驱动的信号作为PLC输入信号时，不能与源输入DI连接端直接连接，它必须经过转换才能连接到源输入DI连接端。作为最简单方法的转换方法，可在输入装置的信号输出端与DC24V电源线L+间，增加一个图2.2.11所示的输出电阻R（俗称上拉电阻），为DI输入驱动电流提供回路。
图2.2.11 NPN集电极开路信号的源输入
增加输出电阻后，PLC的输入状态将与输入信号的状态相反。因为，当输入装置的输出信号ON时，其输出电压为0V，DI输入光耦的发光二极管不能产生驱动电流，因此，PLC的输入状态为“0”；但是，当输入装置的输出信号OFF时，驱动电源可通过输出电阻、限流电阻、DI输入光耦的发光二极管、0V端形成回路，PLC的输入状态为“1”。
输出电阻R的阻值计算方法与汇点输入的输入电阻相同，对于DC24V汇点输入标准电路，输出电阻大致为1.2kΩ。
同样，增加输出电阻后，输出电阻将成为输入装置的输出工作负载，因此，对输入装置的信号输出驱动能力要求也将相应提高，其计算方法与汇点输入相同，对于DC24V汇点输入标准电路，要求Iout≥20mA。
2.2.4 DO信号连接
晶体管输出具有速度快、体积小、寿命长、成本低等诸多优点，但它只能用于直流负载驱动，且驱动能力较小，因此，被广泛用于电子信号驱动；数控系统集成PMC的DO输出一般都为集电极开路晶体管输出。
晶体管输出的常用形式有NPN集电极开路输出和PNP集电极开路输出两种。其连接方法分别如下。
（1）NPN集电极开路输出
NPN集电极开路输出标准DO信号与线圈类感性负载的连接如图2.2.12所示。负载的一端与DO输出连接，另一端连接到公共连接线L+（驱动电源DC24V）上，DO的0V公共端COM与驱动电源0V端L-连接。为避免输出断开时的过电压，感性负载两端需并联续流二极管，为负载提供放电回路，避免输出晶体管断开时可能出现的过电压。
在图2.2.12所示的电路中，当PLC输出ON时，输出晶体管饱和导通，DO输出端与0V公共端COM接通，负载驱动电流可经负载，由DO连接端流入输出晶体管，再从公共端COM返回驱动电源，构成电流回路；当PLC输出OFF时，输出晶体管截止，DO输出端呈“悬空”状态，负载无驱动电流。
图2.2.12 NPN集电极开路输出连接
NPN集电极开路输出的标准DO信号作为其他控制装置输入信号时，如果其他控制装置的输入采用汇点输入连接方式，两者可直接连接；其连接方法与前述PLC汇点输入的无触点信号连接相同（参见图2.2.6）；如果其他控制装置的输入采用源输入连接方式，则需要在PLC的DO输出端安装输出电阻（上拉电阻），其连接方法与前述PLC源输入的无触点信号连接相同（参见图2.2.11）。
（2）PNP集电极开路输出
PNP集电极开路输出标准DO信号与线圈类感性负载的连接如图2.2.13所示。负载的一端与DO输出连接，另一端连接到公共连接线L-（驱动电源0V）上，PLC的0V公共端COM与驱动电源0V端L-连接；感性负载两端同样需要并联续流二极管，以避免输出晶体管断开时可能出现的过电压。
图2.2.13 PNP集电极开路输出连接
在图2.2.13所示的电路中，当PLC输出ON时，输出晶体管饱和导通，DO输出端与PLC的DC24V公共端+24接通，负载驱动电源可由公共端+24流入，经输出晶体管，从DO输出端流出到负载，并从公共连接线L-返回驱动电源，构成电流回路；当PLC的输出OFF时，输出晶体管截止，DO输出端呈“悬空”状态，负载无驱动电流。
PNP集电极开路输出的标准DO信号作为其他控制装置输入信号时，如果其他控制装置的输入端采用源输入连接方式，两者可以直接连接；其连接方法与前述PLC源输入的无触点信号连接相同（参见图2.2.10）；如果其他控制装置的输入端采用汇点输入连接方式，则需要在其他控制装置的输入端安装输入电阻（下拉电阻），其连接方法与前述PLC汇点输入的无触点信号连接相同（参见图2.2.7）。