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PLC的高速计数模块

    在PLC内部一般均设有计数器，这种计数器可接受外部现场送来的计数脉冲信号，但计数脉冲的宽度应大于PLC的一个扫描周期才能正确计数。如果计数脉冲频率太高，脉冲宽度小于PLC的扫描周期，用一般计数器计数就会导致大批脉冲丢失，造成计数错误。

    为了解决这类问题，有的PLC（如F1系列PLC）对某些计数器可用程序设定为“高速计数方式”，使输入点的输入滤波器常数自动地呈现小值，执行中断计数和中断复位；PLC可并行地执行用户程序，这样可提高计数速度，计数频率可达2kHz。为了进一步地提高计数速度，不少PLC都开发有专门用于高速计数的“高速计数模块”。

    高速计数模块是一种智能模块。它本身具有CPU和系统软件，可与PLC中的CPU并行工作，因而能满足快速变化过程的需要。其响应的延迟仅受电路中硬件器件的影响，而与PLC的扫描周期无关。可用于脉冲和方波计数器、实时时钟、脉冲发生器、图形码盘译码、机电开关等信号处理过程中，为高速计数、时序控制、采样控制等提供强有力的工具。它与PLC的CPU之间通过信息交换实现有关控制和计数结果传送。

    各种PLC上的高速计数模块完成的主要功能都是对快速变化的信号进行计数，其内部结构一般都是由微处理器、高速计数器、内存储器、控制单元和与PLC的接口电路组成。具体电路、操作方式（如工作方式设置等）和具体特征参数，如每个模块内计数器的路数、计高频率和计数范围等，各有所不同。

    例如，美国GE公司的高速计数模块内有4路计数器，高计数频率为50kHz，计数范围为-8 388 607～+8 388 607;德国西门子公司的高速计数模块内有5路计数器，高计数频率为2MHz，单路计数器的计数范围为0～65536（5个计数器连接起来使用时大计数范围可达280）；日本三菱公司的高速计数模块只有2路计数器，高计数频率为50kHz，计数范围为0～16 777 215。

    图2.13所示为西门子公司的高速计数模块的内部结构框图，从图2.13所示中不难看出高速计数模块的组成。西门子公司的高速计数模块采用的是8085微处理器，由它管理协调整个模块。系统软件存放在EPROM中，运行中所需要的数据存放在RAM中（还包括4KB用户存储区）。计数器采用AM9513，它包括了5个相互独立的16位高速计数器，可以完成所需的计数操作。AM9519是中断控制器，用来控制用户编程的中断结构。模块内的各种逻辑控制，由控制逻辑单元完成。与PLC中的CPU联系是通过总线接口完成的。模块内还有2个内部频率发生器、很多功能寄存器等。

    应当说明，5个高速计数器分别有5个计数输入、5个计数输出和5个门控制。计数输入可以是外部生产过程的计数信号、其他计数器的输出或模块内的脉冲源等。计数输出可以连接到其他计数器，也可以连接到外部生产过程供用户直接使用。门控制的主要作用是控制计数器的“使能”和“禁止”。其控制信号可以是模块内产生的信号，如其他计数器的输出，也可以是从外部生产过程中来的信号。

    使用高速计数模块要作好两个方面的工作：与PLC主板的扩展连接及与现场计数设备的连接、进行高速计数模块的程序编写。高速计数模块应用程序用各自PLC的编程语言编写，这种应用程序或称接口程序所要解决的问题一般包括对高速计数模块的参数设定、功能选择、结果传送等方面。

    西门子公司的高速计数模块应用程序主要是依靠调用相应的软件功能块来实现。软件功能包括计数器测试和启动功能块以及计数器控制功能块。

    ·测试和启动功能块用于删除模块的变量数据并对模块进行测试。如果测试结果正确就将数据块中的初始数据传送到模块并启动计数器。

    ·控制功能块用于计数器各种操作功能的控制。用户程序对它进行调用，对参数赋值，实现操作功能的控制。
  三极管V1受通过光电隔离器传送来的信号控制，当控制信号为高电平时，V1导通，从而使继电器线圈通电，它的常开触点闭合，负载得到供电：同时，发光二极管L1在限流电阻的作用下导通发光，表示继电器在工作。稳压管D1作限压保护，用它保护继电器线圈在三极管V1截止断电产生过压时，免遭损坏。

    继电器输出模板的电源是需要进一步说明的，它既需要满足负载的要求，又要适应继电器的要求。在图2.10中，一个是直流24V，这是给继电器线圈供电的电源，由此知道这里用的是一个直流电压继电器；另一个是供负载用的，一般可以选用交流或直流电源，但由于负载回路是由继电器触头控制的，因此在考虑电源时必须结合负载性质和继电器触头的断弧能力一起来考虑。
和输入模板一样，为了适应设备现场各种执行机构的需要，数字量输出模板也具有多种参数和规格。

    根据驱动负载的功率输出电路的不同，PLC的开关量输出模块可分为晶体管型开关量输出模块、继电器型开关量输出模块、可控硅型开关量输出模块等不同的类型。下面以常用的晶体管型和继电器型开关量输出模块为例，介绍它们的电路原理与特点。

    晶体管型开关量输出模块用于驱动像信号指示灯、继电器等小电流负载。

    图中左侧部分的内部回路为控制部分，与输入模块类似，晶体管型开关量输出模块的内部回路也包括译码器、控制驱动器和缓冲锁存器等，但这里的数据流向是输出。图中给出了功率输出部分的电路，当内部回路缓冲器的信号允许输出时，首先经过光电隔离器、功率驱动器、发光二极管L1后，控制功率三极管给负载供电。其中，发光二极管L1用于显示有无信号输出，F1为过流熔断保险丝；稳压管D1和D2分别保持电源及输出端的恒压，以防过压对输出模块及外设的损坏。
  当外部检测开关的接点上加入的是交流电压时，需要使用交流开关量输入模块进行信号检测。

    交流输入模块将外部交流信号转换成CPU模块所需要的电信号，如图2.8所示是一个交流开关量输入模块的一个示例。

    仍然以路输入为例对交流开关量输入模板的工作原理进行说明。由于PLC的CPU只能接收与处理标准的直流信号，因此交流输入模板首先要解决限流与整流问题。图中是通过电阻R11来限流，通过整流桥将交流变为直流信号，这样经过光电隔离器的光电二极管就提供一个具有适当大小的直流电流，保证它安全有效地工作。在该模板中，电阻R12和电容C11、电阻R13和电容C12、电阻R14和电容C13电容分别形成交流与直流三级阻容滤波。

    与24V直流输入模块一样，该路输入信号的状态由发光二极管Li指示；信号送入内部回路中的锁存器锁存，并等待CPU的读取。

    图2.8中给出的交流开关量输入模块的输入端子与外部输入开关接点的连接方法是分离式的，各输入点电路相互独立。当然，交流电源也可多组输入使用。输入电源一般是由用户提供的，并需要合理确定外接交流电源容量。

    通过上面的分析可以看出，交流输入模块与直流输入模块的不同在于，交流输入模块多了整流电路部分。实际上，在上述两种输入模块的基础上，确定并适当调整电路参数，就可以得到不同规格的输入模块，如12V、24V、48V直流输入模块，及110V、220V交流输入模块等。
直流开关量输入模块用于将设备现场的开关量信号转换为标准信号传送给CPU，并保证现场信息的正确以及控制器不受其干扰。

    图2.7所示是PLC直流输入模块的一个示例。图2.7所示中右侧的内部回路包括信号锁存器、译码器和总线驱动控制器等，用于将有关信息按时分组送到CPU。下面主要介绍一下图2.7所示中左侧部分，即外界信号的输入电路。

    以图2.7所示中一路输入为例，外界开关的一端接外部直流电源的正极，一端接PLC输入模板的一个信号输入端子，24V直流电源的负端接PLC输入模板的公共端COM。当开关闭合后，24V直流电经电阻R11、电阻R12、电容C11、稳压管D1的分压、滤波和稳压后，形成3V左右的稳定电压供给光电隔离器V1电二极管，光电隔离器另一侧的光电三极管接通，内部+5V电经过R13电阻与C12电容的滤波，形成适合CPU需要的标准信号，接到内部回路中锁存器的输入端。同时，接在输入回路中的发光二极管L1亮，指示该路输入信号的状态。

    模块内部回路中的锁存器将送入的信号暂存，信号何时及如何送到CPU，由PLC的CPU模块来决定，CPU模块则是通过地址信号和控制信号来实现数据读入的。

    由图2.7所示还可以看出，对于需要外接输入电源的PLC，现场检测开关的公共接点接在直流电源的正端，直流电源的负端接到模块的公共端上。在确定外接电源的功率时，用户需要知道在外部开关信号闭合时每一路输入电路的电流，及同时接通路数的大值。当输入电源由PLC提供时，只要将图2.7中外部输入电源取消，将现场检测开关的公共接点直接接入模块的公共输入点即可。

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