西门子模块6ES7212-1BB23-0XB8物优价廉

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1．引言

PLC的输出类型有继电器和晶体管两种类型，两者的工作参数差别较大，使用前需加以区别，以免误用而导致产品损坏。本文简要介绍了继电器和晶体管输出的特点及使用中的注意事项。

2． 继电器和晶体管输出工作原理

继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的（如图1所示）。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。从继电器的工作原理可以看出，它是一种机电元件，通过机械动作来实现触点的通断，是有触点元件。

图1 电磁式继电器结构图

晶体管是一种电子元件，它是通过基极电流来控制集电极与发射极的导通。它是无触点元件。

3． 继电器与晶体管输出的主要差别

由于继电器与晶体管工作原理的不同，导致了两者的工作参数存在了较大的差异，下面以艾默生EC系列PLC相关数据为例进行比较说明（输出口主要规格参见表1）

（1）驱动负载不同

继电器型可接交流220V或直流24V负载，没有极性要求；晶体管型只能接直流24V负载，有极性要求。

继电器的负载电流比较大可以达到2A，晶体管负载电流为0.2-0.3A。同时与负载类型有关，具体参见表1。

表1 输出端口规格

（2）响应时间不同

继电器响应时间比较慢（约10ms-20ms），晶体管响应时间比较快，约0.2ms-0.5ms，Y0、Y1甚至可以达到10 us。

（3）使用寿命不同

继电器由于是机械元件受到动作次数的寿命限制，且与负载容量有关，详见表2，从表中可以看出，随着负载容量的增加，触点寿命几乎按级数减少。晶体管是电子原件只有老化，没有使用寿命限制。

表2 继电器使用寿命

4．继电器与晶体管输出选型原则

继电器型输出驱动电流大，响应慢，有机械寿命，适用于驱动中间继电器、接触器的线圈、指示灯等动作频率不高的场合。晶体管输出驱动电流小，频率高，寿命长，适用于控制伺服控制器、固态继电器等要求频率高、寿命长的应用场合。在高频应用场合，如果同时需要驱动大负载，可以加其他设备（如中间继电器，固态继电器等）方式驱动。

5． 驱动感性负载的影响

图2 驱动感性负载时产生的瞬间高压

继电器控制接触器等感性负载的开合瞬间，由于电感具有电流具有不可突变的特点，因此根据U=L*(dI/dt)，将产生一个瞬间的尖峰电压在继电器的两个触点之间，该电压幅值超过继电器的触点耐压的降额；继电器采用的电磁式继电器，触点间的耐受电压是1000V（1min），若触点间的电压长期的工作在1000V左右的话，容易造成触点金属迁移和氧化，出现接触电阻变大、接触不良和触点粘接的现象。而且动作频率越快现象越严重。瞬间高压如下图2所示，持续的时间在1ms以内，幅值为1KV以上。晶体管输出为感性负载时也同样存在这个问题，该瞬时高压可能导致晶体管的损坏。

因此当驱动感性负载时应在负载两端接入吸收保护电路。当驱动直流回路的感性负载（如继电器线圈）时，用户电路需并联续流二极管（需注意二极管极性）；若驱动交流回路的感性负载时，用户电路需并联RC浪涌吸收电路，以保护PLC的输出触点。PLC输出触点的保护电路如图3所示。

图3 PLC输出触点的保护电路

6． 使用中应注意的事项

目前市场上经常出现继电器问题的客户现场有一个共同的特点就是：出现故障的输出点动作频率比较快，驱动的负载都是继电器、电磁阀或接触器等感性负载而且没有吸收保护电路。因此建议在PLC输出类型选择和使用时应注意以下几点：

（1） 一定要关注负载容量。输出端口须遵守允许大电流限制（如表1所示），以保证输出端口的发热限制在允许范围。继电器的使用寿命与负载容量有关，当负载容量增加时，触点寿命将大大降低（如表2所示），因此要特别关注。

（2） 一定要关注负载性质。根据第4节的分析，感性负载在开合瞬间会产生瞬间高压，因此表面上看负载容量可能并不大，但是实际上负载容量很大，继电器的寿命将大大缩短，因此当驱动感性负载时应在负载两端接入吸收保护电路。尤其在工作频率比较高时务必增加保护电路。从客户的使用情况来看，增加吸收保护电路后的改善效果十分明显。

根据电容的特性，如果直接驱动电容负载，在导通瞬间将产生冲击浪涌电流，因此原则上输出端口不宜接入容性负载，若有必要，需保证其冲击浪涌电流小于规格（见表1）说明中的大电流。

（3） 一定要关注动作频率。当动作频率较高时，建议选择晶体管输出类型，如果同时还要驱动大电流则可以使用晶体管输出驱动中间继电器的模式。当控制步进电机/伺服系统，或者用到高速输出/PWM波，或者用于动作频率高的节点等场合，只能选用晶体管型。PLC对扩展模块与主模块的输出类型并不要求一致，因此当系统点数较多而功能各异时，可以考虑继电器输出的主模块扩展晶体管输出或晶体管输出主模块扩展继电器输出以达到佳配合。

事实证明，根据负载性质和容量以及工作频率进行正确选型和系统设计，输出口的故障率明显下降，客户十分满意

1、前言：

在冶金企业中，有大量的工业用水用于冷却，为此每天要消耗大量的水资源，由于用过的冷却水中含有大量的氧化铁杂质，不宜多次循环使用。为了保护环境、节约用水，需要对含有氧化铁杂质的污水进行净化处理。

2、系统介绍：

污水净化处理系统组成示意图如下：

图1、污水净化处理系统组成示意图

2.1工艺流程介绍：

（1） 滤水工序：打开进水阀和出水阀，污水流经磁滤器时，如果磁滤器的线圈一直通电，则污水中的氧化铁杂质会吸附在磁滤器的磁铁上，使水箱中流出的是净化水。

（2） 反洗工序：滤水一段时间后，必须清洗附着在磁铁上的氧化铁杂质。这时只要切断磁滤器线圈的电源，关闭进水阀和出水阀，打开排污阀和压缩空气阀，让压缩空气强行把水箱中的水打入磁滤器中，冲洗磁铁，去掉附着的氧化铁杂质，使冲洗后的污水流入污水池，进行二次处理。

2.2控制任务和要求：

（1） 两台机组的滤水工序，可单独进行，也可同时进行。而反洗工序只允许单台机组进行，一台机组反洗时，另一台必须等待。两台机组同时要求反洗时，1号机组优先。

（2） 为保证滤水工序的正常进行，在每台机组的管道上均安装了压差检测仪表，只要出现了“管压差高”信号，则应立即停止滤水工序，自动进入反洗工序。

（3） 为了增强系统的可靠性，将每台机组的磁滤器及各个电磁阀线圈的接通信号反馈到PLC的输入端，一旦某一输入信号不正常，要立即停止系统工作，这样可避免发生故障。

（4） 执行器输出故障检测及报警。

3、控制系统设计：

3.1硬件设计：

（1） 确定PLC的CPU型号和扩展模块型号：

下表为净水器的1号机组的输入和输出地址分配表：

1号机组的输入/输出地址分配表

因为1号机组和2号机组的工作原理相同，故净水系统总的输入点数为18点，总的输出点数为16点。为此选择西门子公司的S7-200系列的CPU224可编程控制器和S7-200的数字量扩展模块EM223，它们可以提供22点输入和18点输出。

（2） 压差检测仪表的选择：压差检测仪表的作用是检测磁滤器的入口和出口的压差，如果压差过高，表示磁滤器有堵塞故障，需要进入反洗工序。压差检测仪表应该具有设定压差、显示压差、压差信号输出功能。选择美国德威尔公司（dwyer）的3000IMR系列的Photohelic压力表/开关。

（3） 其它的输入和输出元件的选择比较容易，限于篇幅限制，从略。

3.2软件的设计：

根据净水机组的工艺要求和控制任务设计如下的顺序功能图：

图2、净水机组的控制系统顺序功能图

根据以上的顺序功能图，很快能写出梯形图，在此不详细列出梯形图。只列出梯形图设计的几个小技巧：

（1） PLC的其它编程元件的地址和作用在顺序功能图上有明确的标示，故没有列表。

（2） 为了避免系统工序的切换所造成的冲击，阀门和磁滤器的开启和关闭采用延时顺序动作。

（3） 1号机组和2号机组的反洗工序的调度算法：如果1号机组和2号机组同时进入反洗工序，由于2号机组延时0.1秒，故1号机组优先执行;如果不同时进入反洗工序，由于1号机组和2号机组反洗工序有互锁功能，则哪个机组先进入反洗工序，另一机组只能等待。

（4） 故障诊断子程序：

（4.1）故障诊断子程序的作用：

相对于PLC而言，外部输出器件如电磁阀、磁滤器容易出现故障。如果电磁阀和磁滤器出现故障而不能及时处理，容易造成系统工作不正常，甚至会损坏系统。处理的方法是：外部主要输出器件如果出现故障，必须停机并且报警，提醒工作人员维修。

（4.2）故障诊断子程序的设计：

本控制系统共有8个故障诊断子程序，它们的故障诊断算法都是类似的。具体的算法是：如果某个线圈通电，对应的常开辅助触点应该闭和;如果没有闭和，判断该器件损坏。如果某个线圈断电，对应的常闭触点应该闭和;如果没有闭和，判断该器件损坏。下面以故障诊断子程序1为例，谈谈故障诊断子程序的实现。

故障诊断子程序的梯形图见右图。它用顺序功能的逻辑语言解释如下：在M1.1步即｛滤水工序｝如果磁滤器或者出水阀或者进水阀没有打开、或者排污阀或者压缩空气阀打开了，则报警并且进入停机状态。

（5） 磁滤器的压差保护：如果磁滤器的入口和出口压差大于设定压差，则滤水工序无条件结束，顺序进入反洗工序。

4、本文作者的创新点：

利用PLC实现了污水净化处理系统的自动控制，详细介绍了污水净化处理控制系统的硬件设计和软件设计方法。软件设计给出了控制系统的顺序功能图，并且采用结构化程序设计方法。硬件设计采用了压差检测仪表，保证滤水工序的性能指标并且有防止滤水器堵塞的功能。由于采用PLC作为控制器，系统结构比传统控制系统结构简单，可靠性高，系统很少出故障;由于控制系统的控制算法由软件实现，易于系统升级，易于联网。为了解决1号机组和2号机组在反洗工序竞争的问题，采用了延时和互锁的算法。为了保证系统可靠地工作，设计了外部输出器件自诊断程序，能够判断外部执行器是否工作正常并且自动进入故障处理步骤。使系统有一定的自诊断智能，保证系统工作稳定、可靠。