輸入/輸出接口是PLC與現(xiàn)場I/O設(shè)備或其它外部設(shè)備之間的連接部件。PLC通過輸入接口把外部設(shè)備(如開關(guān)、按鈕、傳感器)的狀態(tài)或信息讀入CPU，通過用戶程序的運(yùn)算與操作，把結(jié)果通過輸出接口傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如電磁閥、繼電器、接觸器等）。

    在輸入/輸出接口電路中，一般均配有電子變換、光耦合器和阻容濾波等電路，以實(shí)現(xiàn)外部現(xiàn)場的各種信號與系統(tǒng)內(nèi)部統(tǒng)一信號的匹配和信號的正確傳遞，PLC正是通過了這種接口實(shí)現(xiàn)了信號電平的轉(zhuǎn)換。發(fā)光二極管(LED)用來顯示某一路輸入端子是否有信號輸入。當(dāng)系統(tǒng)的I/O點(diǎn)數(shù)不夠時(shí)，可通過PLC的I/O擴(kuò)展接口對系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展。

    （1）輸入接口電路

    各種PLC的輸入接口電路結(jié)構(gòu)大都相同，按其接口接受的外信號電源劃分有兩種類型：直流輸入接口電路、交流輸入接口電路。其作用是把現(xiàn)場的開關(guān)量信號變成PLC內(nèi)部處理的標(biāo)準(zhǔn)信號。PLC的輸入接口電路如圖2所示。

    在輸入接口電路中，每一個(gè)輸入端子可接收一個(gè)來自用戶設(shè)備的離散信號，即外部輸入器件可以是無源觸點(diǎn)，如按鈕、開關(guān)、形程開關(guān)等，也可以是有源器件，如各類傳感器、接近開關(guān)、光電開關(guān)等。在PLC內(nèi)部電源容量允許條件下，有源輸入器件可以采用PLC輸出電源（24V），否則必須外設(shè)電源。

圖（a） 直流輸入接口電路      

圖（b） 交流輸入接口電路   

 在圖（a） 直流輸入接口電路中，當(dāng)輸入開關(guān)閉合時(shí)，光敏晶體管接收到光信號，并將接受的信號送入內(nèi)部狀態(tài)寄存器。即當(dāng)現(xiàn)場開關(guān)閉合時(shí)，對應(yīng)的輸入映像寄存器為“1”狀態(tài)，同時(shí)該輸入端的發(fā)光二極管(LED)點(diǎn)亮；當(dāng)現(xiàn)場開關(guān)斷開時(shí)，對應(yīng)的輸入映像寄存器為“0”狀態(tài)。光電耦合器隔離了輸入電路與PLC內(nèi)部電路的電氣連接，使外部信號通過光電耦合變成內(nèi)部電路能接收的標(biāo)準(zhǔn)信號。 

    圖（b）交流輸入接口電路中，當(dāng)輸入開關(guān)閉合時(shí)，經(jīng)雙向光電耦合器，將該信號送至PLC內(nèi)部電路，供CPU處理，同時(shí)發(fā)光二極管（LED）點(diǎn)亮。

    （2）輸出接口電路

為適應(yīng)不同負(fù)載需要，各類PLC的輸出都有三種類型的接口電路，即繼電器輸出、晶體管輸出、晶閘管輸出。其作用是把PLC內(nèi)部的標(biāo)淮信號轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的開關(guān)量信號，驅(qū)動負(fù)載。發(fā)光二極管(LED)用來顯示某一路輸出端子是否有信號輸出。

圖（a） 繼電器輸出型接口電

 

圖（b）晶體管輸出型接口電路

圖（c） 晶閘管輸出型接口電路

　

圖3 PLC的輸出接口電路

    圖（a）繼電器輸出型接口電路中，當(dāng)CPU根據(jù)用戶程序的運(yùn)算把輸出信號送入PLC的輸出映像區(qū)后，通過內(nèi)部總線把輸出信號送到鎖存器中。當(dāng)輸出鎖存器的對應(yīng)位為“1”時(shí)，其對應(yīng)的發(fā)光二極管（LED）導(dǎo)通發(fā)光，繼電器的線圈帶電，其觸點(diǎn)則把負(fù)載和電源連通起來，使得負(fù)載獲得電流；當(dāng)輸出鎖存器的對應(yīng)位為“0”時(shí),其對應(yīng)的發(fā)光二極管（LED）不導(dǎo)通，線圈不帶電，其觸點(diǎn)則把負(fù)載L和電源隔斷，使得負(fù)載不會獲得電流。 

    圖（b）晶體管輸出型接口電路中，當(dāng)輸出鎖存器的對應(yīng)位為“1”時(shí)，其對應(yīng)的晶體管導(dǎo)通，把負(fù)載和電源連通起來，使得負(fù)載獲得電流，發(fā)光二極管（LED）導(dǎo)通；當(dāng)輸出鎖存器的對應(yīng)為“0”時(shí)，其對應(yīng)的晶體管截止，把負(fù)載和電源隔斷，使得負(fù)載不會獲得電流，發(fā)光二極管（LED）不導(dǎo)通。 

    圖（c）晶閘管輸出型接口電路中，當(dāng)輸出鎖存器的對應(yīng)位為“1”時(shí)，其對應(yīng)的光耦合器導(dǎo)通，把負(fù)載和電源連通起來，使得負(fù)載獲得電流，發(fā)光二極管（LED）發(fā)光。當(dāng)輸出鎖存器的對應(yīng)位為“0”時(shí)，由于負(fù)載電源過零，其對應(yīng)的光耦合器截止，把負(fù)載和電源隔斷，使得負(fù)載不會獲得電流，發(fā)光二極管（LED）不導(dǎo)通。 

上述三種類型的輸出接口電路中，繼電器輸出型較常用，它適用于交、直流負(fù)載，其特點(diǎn)是帶負(fù)載能力強(qiáng)，但動作頻率與相應(yīng)速度慢。晶體管輸出型適用于直流負(fù)載，其特點(diǎn)是動作頻率高，相應(yīng)速度塊，但帶負(fù)載能力小。晶閘管輸出型適用于交流負(fù)載，相應(yīng)速度快，帶帶負(fù)載能力不強(qiáng)。

    在輸出接口電路中，外部負(fù)載直接與PLC輸出端子相連，負(fù)載電源由用戶根據(jù)負(fù)載要求自行配備。在實(shí)際應(yīng)用中，在考慮外驅(qū)動電源時(shí)，需考慮輸出器件的類型，同時(shí)PLC輸出端子的輸出電流不能**出其額定值。 水位測控裝置是水電廠的重要測控設(shè)備，水電廠的上下游水位是防汛安全的重要數(shù)據(jù)，攔污柵壓差影響機(jī)組出力、水工建筑安全，水頭值影響調(diào)速器協(xié)聯(lián)曲線，進(jìn)而影響機(jī)組效率甚至安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此水位測控裝置需滿足長期穩(wěn)定可靠運(yùn)行。目前的水電廠水位測控裝置普遍采用定制儀表采集前端水位傳感器的格雷碼值，換算柵差、水頭等，輸出開關(guān)信號報(bào)警，輸出出4~20ma信號至監(jiān)控、遠(yuǎn)動、調(diào)速器。在運(yùn)行維護(hù)中存在以下問題：采用電纜長距離輸送格雷碼信號，防雷、抗干擾能力差，儀表、傳感器易損壞；4個(gè)24位格雷碼傳感器需100芯電纜維護(hù)困難；定制的儀表擴(kuò)展性差，輸入、輸出校準(zhǔn)，參數(shù)整定操作復(fù)雜；價(jià)格高，備品備件采購困難。因此開發(fā)基于通用硬件設(shè)備的水位測控裝置意義重大。

 　 根據(jù)水電廠水位測控具體要求，我們自主設(shè)計(jì)了基于plc的水位測控系統(tǒng)，具有高可靠性、配置靈活、安裝維護(hù)簡單方便特點(diǎn)。

2  系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

             

    水東水電站裝設(shè)有上游、#1攔污柵后、#2攔污柵后、下游四個(gè)水位測量井，配置浮子式水位測量裝置，采用**值光電編碼器將水位信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。壩上傳感器距離中控室500m，下游傳感器距離中控室30m，為提高系統(tǒng)的防雷、抗干擾能力，壩上傳感器通信采用光纖傳輸。水位測控裝置plc通過rs485串行口采集編碼器水位數(shù)據(jù)，經(jīng)過換算處理模擬量輸出模塊輸出4～20ma的上游、下游海拔值信號至遠(yuǎn)動rtu裝置，輸出4～20ma的水頭信號至機(jī)組調(diào)速器電氣調(diào)節(jié)裝置。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)連接水位測控裝置plc，采集所有水位信息，故障報(bào)警信號等，并可遠(yuǎn)程設(shè)置相關(guān)參數(shù)、定值，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

 

                                  

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

                                      

3  實(shí)現(xiàn)原理

　　3.1 浮子式水位測量裝置

            

　　該裝置安裝在測井口上方，當(dāng)液位變化時(shí)，浮子隨之上升或下降，測繩帶動線輪做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，與線輪同軸連接的多圈**值編碼器就輸出與液位對應(yīng)的數(shù)字信號(見圖2)。裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、合理，可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠長期用于液位測量。

 

                                    

圖2 浮子式水位測量裝置

　　3.2 編碼器

　　根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需求，編碼器選用現(xiàn)場總線型輸出的多圈**值編碼器。

            

　　**值編碼器由機(jī)械位置確定編碼，每個(gè)編碼一不重復(fù)，它不受停電、干擾的影響，*記憶，*找參考點(diǎn)，而且不用一直計(jì)數(shù)，什么時(shí)候需要知道位置，什么時(shí)候就去讀取，這樣，編碼器的抗干擾特性、數(shù)據(jù)的可靠性大大提高了。多圈**值編碼器另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是由于測量范圍大，實(shí)際使用往往富余較多，這樣在安裝調(diào)試時(shí)不必費(fèi)勁找零點(diǎn)，將在測量范圍內(nèi)的某一中間位置作為起始點(diǎn)就可以了，從而大大簡化了安裝調(diào)試難度。

            

　　編碼器信號輸出主要有并行格雷碼輸出、串行ssi輸出、總線型輸出、模擬量4~20ma輸出。并行格雷碼和模擬量輸出信號讀取簡單但不適合長距離傳輸，串行ssi輸出大部分是與西門子plc的ssi模塊配套成本較高?，F(xiàn)場總線型編碼器用通訊方式傳輸信號，信號遵循rs485的物理格式，連接線少，傳輸距離遠(yuǎn)，對于編碼器的保護(hù)和可靠性就提高了。信號的接收設(shè)備只需一個(gè)接口，就可以讀多個(gè)編碼器信號，多個(gè)編碼器集中控制的情況下可以大大節(jié)省成本。

　　3.3 水位測控裝置plc            

　　plc選用m340模塊化plc，它是施耐德公司生產(chǎn)的性能價(jià)格比很高的可編程控制器，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域。cpu模塊選用高性能、大內(nèi)存的bmx p34 2020，帶一個(gè)100m以太網(wǎng)、一個(gè)485串行口；輸入、輸出模塊可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需求靈活配置。

4  軟件設(shè)計(jì)

　　4.1 編程步驟

　　plc的硬件配置、控制程序采用施奈德的編程軟件包unity pro完成，pc通過網(wǎng)絡(luò)或usb與m340 plc進(jìn)行程序傳送。首**行plc硬件組態(tài)，含底版、電源、cpu、輸入輸出模塊等。通過電源模塊屬性可查看電源使用情況，應(yīng)保留一定余量，否則需更換容量更大的電源模塊；在cpu模塊的serialport口配置串行鏈路參數(shù)如：485 modbus主站、波特率9600、幀延時(shí)4ms、數(shù)據(jù)位8位、停止位1位、偶校驗(yàn)；創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)鏈路ethernet1并配置ip地址等網(wǎng)絡(luò)通信參數(shù)，將cpu模塊的ethernet口鏈接到網(wǎng)絡(luò)鏈路ethernet1；根據(jù)現(xiàn)場模擬量信號要求配置模擬量輸出模塊參數(shù)；定義相關(guān)變量等。